引言

目前，根据确定沥青用量的方式可以将排水性沥青配合比设计方法分为三类:第一类，应用压实的混合料试件来确定沥青用量，根据所选择的设计级配和一系列的初试油石比制作混合料试件，然后测试并确定试件的空隙率、矿料间隙率和沥青饱和度等各项体积参数和力学指标，并对试件进行肯塔堡飞散试验和析漏试验;第二类，表面常数法，根据标准的吸油率试验测定粗细集料的吸油率，然后采用粗细集料的吸油率并借助计算公式计算得到最佳沥青用量;第三类，通过视觉观察松散的沥青混合料来确定最佳沥青用量，第一类设计方法确定的最佳沥青用量是一个范围，甚至在有些情况下，范围跨度2%，因此不能对设计者确定最佳沥青用量提供科学的指导，其优点是在不同的沥青用量下进行了混合料的性能测试，为设计者提供了有意义的信息。其它两类方法则取决于设计者的主观臆断，能确定唯一的最佳沥青用量，并略高于应用第一种方法确定的最佳沥青用量，但混合料综合路用性能并不是最佳。由于排水性沥青混合料在材料组成设计、混合料结构等方面均不同于一般的沥青混合料，常用的马歇尔试验指标已不能完全适用于确定其沥青用量，经验法和试验法还有一个共同的缺点是没有控制指标，确定的最佳沥青用量不能与排水性沥青混合料的路用性能建立起联系，没有充分考虑路面实际所处的环境条件，从而导致评价结果与路用性能相脱节，评价意义不明显。基于以上考虑，本文提出在析漏和分散试验基础确定的沥青范围基础上以耐久性和功能性平衡为原则，基于扭剪、SCB试验和沥青膜厚确定排水性沥青混合最佳油石比，以实现混合料结构耐久性和功能性的协调统一。

主要原材料及配比

铺筑多空隙沥青路面选择性能优良的沥青结合料至关重要，目前普遍采用高粘度改性沥青来提高混合料的力学性能，所谓的高粘度改性沥青，是指60℃绝对粘度在Pa·s以上的沥青，试验选用日本进口的TPS高粘改性沥青(TPS改性剂掺量为13%)，其主要成分为热塑性橡胶，再配以粘结性树脂和增塑剂等其他成分。多空隙沥青混合料中，粗集料含量占矿料总量的80%以上，通过石石接触进而形成骨架嵌锁结构是其最大的结构特征，细集料的用量相对比较少，主要是和沥青、填料或者纤维一起构成玛蹄脂，调整混合料的空隙率，提高胶浆在集料表面的膜厚等功能，文中粗、细集料选用玄武岩，矿粉由石灰岩磨制而成，经检测集料各项技术指标均满足规范要求。参考萧山机场高速排水性沥青混合料矿料级配，并根据国内京港澳高速公路、重庆嘉华大桥桥面铺装沥青混合料铺装工程的实践经验，将4.75mm筛孔作为细集料级配的最大粒径，已知矿粉的通过百分率根据富勒级配曲线设计

细集料级配，对2.36mm和0.mm筛孔通过率加以控制设计矿料级配。

选取设计指标

低温抗裂性能

最佳沥青用量设计指标的选取应该与排水性沥青混合料使用过程中的破坏类型有一定对应性，或者说选取的指标能够控制其破坏的发生。由于TPS改性沥青混合料低温劲度模量较高，而变形能力较弱，现场钻芯调查结果表明，低温开裂和空隙堵塞是排水性沥青混合料在使用过程中遇到的主要问题，且微裂缝形状包括横向开裂、纵向开裂及这两种裂缝的组合，低温抗裂性能不足严重影响了排水性沥青混合料的使用寿命。考虑到排水性沥青混合料空隙率较大，制成小梁试件比较困难，且采用小梁弯曲试验评价排水性混合料低温抗裂性合理性也有待商榷，采用SCB试验，以抗弯拉应变能来评价沥青混合料的低温抗裂性能。

高温抗剪切性能

集料与高粘沥青的粘结强度对路面整体结构的抗车辙性能和耐久性能都有显著的影响，对于排水性沥青混合料这种骨架空隙结构常规车辙试验并不能直观反映高粘改性沥青对排水性沥青混合料高温性能的贡献，考虑到面层的实际车辆荷载作用，经室内大量直剪、斜面剪切试验比选，本文内采用马歇尔扭剪试验用于测定沥青混合料的抗剪强度并间接评价沥青与集料的粘结性能。

耐久性评价指标

沥青膜的厚度对沥青混凝土的技术性质有显著的影响，已有研究成果表明，排水性沥青路面的耐久性随着沥青用量的减少呈现出下降的趋势。室内试验分析发现，若排水性沥青路面的沥青用量过低，集料表面裹覆的沥青膜厚度较薄，在排水性沥青路面如此大的空隙率下，混合料更容易受到阳光、空气和水的作用，在交通荷载的反复作用下，集料表面的沥青膜极易老化，集料与沥青之间的粘附性下降，甚至会导致集料与沥青之间的粘附失效和颗粒间结合失效，最终出现剥落、松散破坏;若沥青用量过多，则沥青膜过厚，沥青路面容易泛油，产生推挤和车辙等病害。为了避免发生以上两种现象，在混合料设计的时候就应该预先考虑沥青用量的问题。本论文中采取确保符合耐久性要求的有效沥青膜厚度，《公路沥青路面施工技术规范》认为符合排水性沥青混合料耐久性要求的沥青膜厚度应该不小于14μm，在确定最佳油石比时建议以14μm来保证耐久性。

排水性沥青混合料最佳沥青用量确定

初定沥青用量

对大孔隙排水性沥青混合料，国外通常选择沥青膜厚度为12～16μm。考虑沥青结合料被集料吸收的比例及有效沥青含量，选择最小沥青膜有效厚度DA为14μm。

其中:9.5mm以上均包括在系数2中，式中的a、b、c、d、e、f、g分别代表4.75、2.36，…，0.的通过率。H为沥青膜有效厚度，μm;SA为集料的总比表面积，m2/kg。

由以上计算可得:合成级配的矿料比表面积为2.m2/kg，最小沥青膜有效厚度为14μm时，沥青含量为3.14%，为了保证混合料的水稳定性和耐久性，需要有较厚的沥青膜，因此试验选择3.2%、3.5%、3.8%、4.1%、4.4%共5个沥青用量对混合料进行扭剪试验、SCB试验。

确定最佳沥青用量

扭剪试验

试件准备:①试验时首先成型标准马歇尔试件;②在马歇尔试件顶部和底部各洒布一层环氧树脂粘结剂，以确保扭剪破坏界面出现在混合料内部;③将马歇尔试件底部固定在承载板上，并将扭剪压头粘在马歇尔试件顶面，室温下静置养生12h，至环氧树脂硬化并具有足够的强度。试验前将其在60℃环境下保温6h。加载借助MTS试验机完成，加载速率为5r/min，记录下扭剪试验过程中试件所承受的最大扭矩，试件的抗剪指标由试件破坏时的扭剪强度。3.2%、3.5%、3.8%、4.1%、4.4%共5个沥青用量下。

SCB试验

为了在设计阶段引入排水性沥青混合料的低温抗裂性指标，同时考虑到排水性混合料制成小梁试件比较困难本研究采用半圆弯拉试验，针对不同油石比下的排水性沥青混合料低温抗裂性能展开研究，借鉴相关研究成果，将不同TPS掺量的排水性沥青混合料成型直径为.4mm，高95.3mm大马歇尔试件，并采用具有较高切割精度的芬兰产双面锯取马歇尔试件中部50mm厚的圆形试件，再将其从中间对称打开，即制得半圆弯曲试件。试验前将试件放在恒温环境箱中在－10℃下保温6h，试验时采用单点加载方式，支点间距为SCB试件直径的0.8倍，即S=0.8D，加载速率为0.5mm/min，记录破坏荷载和破坏应变，计算公式见下式，以抗弯拉强度、弯拉劲度模量和抗弯拉应变能来评价沥青混合料的低温抗裂性能。

试验结果分析

可知:高温条件下，油石比对排水性沥青混合料抗剪切性能有显著影响，随油石比的增大，排水性沥青混合料抗剪切强度呈先增大后减小的二次函数变化趋势，峰值剪应力对应的油石

比为3.7%;结果表明:与扭剪试验结果相类似，低温条件下，随着油石比增大排水性沥青混合料抗弯拉强度(y)、最大弯拉应变(z)与油石比之间的拟合关系分别为:y=23.+15.x+1.x2、z=.93+.25x+.1x2相关系数Ｒ2均大于0.91，拟合关系良好，峰值弯拉应变对应的油石比为3.9%。分析其原因，油石较少时矿料之间的粘结力不足，沥青在矿料之间胡润滑作用不明显导致试件的压实度不足，混合料内部的内摩擦角肯粘聚力均较小，但随着油石比增加到一定程度，自由沥青含量增多，多余胡沥青在矿料内部反而起到了润滑作用，矿料之间较易出现滑动，这时混合料不仅高温稳定性不好而且低温抗裂性能也会下降。综上分析可知，以高温扭剪试验确定的最佳油石比为3.8%，以低温抗裂指标确定的最佳油石比为4.0%，通过高低温试验结果的平均值确定排水性沥青混合料的最佳油石比为3.9%。

最佳油石比推荐及路用性能检验

析漏分散试验

为了直观分析沥青用量与相关性能的关系，按照JTGE20－的要求进行沥青混合料析漏、分散试验。

结果表明:随着油石比增大，排水性沥青混合料的分散质量损失率呈指数形式减小，曲线的拐点在3.5%左右，也就是说油石头比最小值在3.5%;随着油石比增大，析漏损失率呈现先平稳增加后突变的指数关系，可以看出突变点在4.5%油石比，此时析漏损失率为0.12%处于较好的水平。以分散试验和析漏试验确定的油石比范围为3.5%～4.8%，跨度范围过大，而基于扭剪试验和低温SCB试验确定的最佳油石比可满足析漏和分散试验要求。

高温稳定性

采用KwangW.Kim提出的位移强度(Deformation－Strength)法对不同油石比的排水性沥青混合料高温抗剪性能进行评价。传统的剪切试验大多是建立在弹性力学的基础上的，在计算剪切强度时并没有考虑到沥青混合料的塑性特征，而是把应力和塑性位移作为两个单独的指标来评价。利用SD法进行评价的时候则考虑到了沥青混合料的塑性特征，其计算结果受剪切强度和塑性位移的共同影响，能够更加有效的模拟沥青路面实际的受力与破坏过程。SD法在试验过程中没有采用传统剪切试验1mm/min的加载速率，而是采用50mm/min的加载速率，这样就与马歇尔稳定度试验、冻融劈裂试验以及小梁低温弯曲试验有更好的一致性，且SD法适用于多种试件。

试验时按照JTGE20—的要求采用击实法成型标准马歇尔试件(正反50次/面)。在试验前将试件放在60℃恒温环境箱中保温4h，试验加载速率为50mm/min，记录最大荷载及对应的位移。试验结果的计算公式如式(6)所示，其中:SD为应力强度，MPa;P为破坏荷载，N;y为破坏荷载对应的位移，mm;压头直径D=40mm，倒角半径r=10mm。针对6种沥青混合料，分别采用25℃、40℃和60℃的温度条件进行试验。

结果可知:随着油石比增大，排水性沥青混合料贯入剪切强度呈先增大后减小的变化趋势，二次拟合关系良好，在3.6%～4.0%油石比范围内抗剪切强度出现峰值，分析其原因，排水性沥青混合料的抗剪性能主要受粗集料骨架嵌挤作用和沥青玛蹄脂共同组成的抗剪能力和粘聚力，沥青用量增大，马歇尔试件内部沥青玛蹄脂数量增多，混合料密实度提高，C、φ值增大，抗剪切强度提高，但随着油石比进一步增大，自由沥青在混合料内部起到了润滑作用，再加上沥青的感温性等不利因素影响，混合料所产生的贯入剪切变形增大，贯入剪切强度降低。说明本文提出的最佳油石比确定方法可以将一个宽泛的油石比范围变为精确的最佳油石比，具有较好的技术优越性。

不同油石比排水性沥青混合料疲劳耐久性

考虑到排水性沥青混合料切割小梁试件极不完整，本文疲劳试验选用SCB试验，加载模式为控制应力方式(控制应力的疲劳试验就是在重复加载的疲劳试验过程中，保持应力不变，以试件的疲劳断裂作为疲劳破坏的准则，达到疲劳破坏的荷载作用次数为疲劳寿命)。试验温度为15℃，加载速率为50mm/min，温度为15℃。弯曲疲劳试验选用0.2、0.3、0.4、0.5共4个应力比，小梁试件支点间距为0.8D，试验温度为15℃，加载频率为10Hz，加载波形为连续式正弦波。

由SCB疲劳试验结果可知:油石比由3.2%增加到4.7%，排水性沥青混合料疲劳曲线双对数拟合结果，K值呈先增大后减小的变化趋势，K值越大，疲劳曲线的线位越高，表明混合料的疲劳寿命越大，n值呈先减小后增大的变化趋势，n值越大，疲劳曲线越陡，表明混合料的疲劳寿命对应力水平的变化越敏感，说明其抵抗疲劳破坏的能力越差，分析其原因，混合料沥青用量低，导致裹覆集料的沥青油膜厚度减薄，同时造成了混合料空隙的增大，疲劳性能不足。综合考虑疲劳曲线n、K值的变化规律，可见在3.8%～4.1%油石比下的排水性沥青混合料抗疲劳性能最好，这也证实了本文提出的最佳油石比确定方法是合理的。

结论

a.排水性沥青混合料最佳油石比的确定，需综合考虑有效沥青膜厚度、高温抗剪切性能、低温抗裂性能析漏及飞散质量损失来确定，以实现结构耐久性和功能性的协调统一。

b.经室内析漏、分散贯入剪切以及SCB疲劳试验验证，以扭剪试验抗剪切强度和SCB试验抗弯拉应变作为排水性沥青混合料配合比设计指标是合理的，本文提出的基于扭剪、SCB试验和沥青膜厚确定排水性沥青混合最佳油石比确定设计方法可精确计算出排水性沥青混合料的最佳配比，同时在最佳油石比确定时考虑了排水性沥青混合料的路用性能，研究成果可对今后同类型工程设计提供了技术参考。

c.排水性沥青混合料配合比设计方法步骤如下:①选择原材料;②在规范规定的级配范围内确定初试级配;③确定初试沥青用量，根据确定的集料表面裹覆沥青膜厚14μm，利用经验公式计算初试沥青用量;④对设计级配混合料进行扭剪和低温SCB试验，确定最佳沥青用量;⑤路用性能检验，以析漏、飞散、车辙、冻融劈裂试验验验证最佳油石比是否合适。

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