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摘要
为研究玄武岩纤维(BasaltFiber，简称BF)在各掺量下的透水沥青混凝土性能，通过马歇尔试验、浸水马歇尔试验、车辙试验、低温劈裂试验、渗水试验等，得到PAC的最佳BF掺量。结果表明：对于马歇尔试验，当BF掺入量为0.4%时，稳定度最高；而浸水马歇尔试验中，掺加0.5%的BF其残留稳定度和浸水稳定度均为最高；BF掺入量为0.5%时车辙试验中的动稳定度最佳；低温劈裂试验中，残留强度比在BF掺入量为0.4%时取最大值；渗水系数在BF掺加量为0.3%时开始明显减弱。因此，在满足各项路用性能的条件下，BF掺量应控制在0.3%~0.4%，对应最佳沥青掺量为4.3%~4.6%。
关键词
道路工程
透水沥青混凝土
路用性能
玄武岩纤维
透水沥青路面(PAC)是以解决城市道路排水为目的的多空隙路面结构，其强度与空隙率的大小呈反比例关系。曹东伟等[1]研究表明PAC是一种具有降噪、抗滑、提高雨天行车安全的新型路面。在现代城市发展进程中，防洪防涝的建设速度极大落后于城市的发展速度，雨后内涝频发于各大城市[2]。李矗[3]研究发现此类路面结构能较好地增加地下水存储量，促进城市生态发展。冯玉启等[4]表明透水铺装可有效解决雨后内涝问题，并已广泛投入道路建设中。
李海清等[5]通过车辙板渗水试验和碘钨灯照射试验，研究了PAC空隙率、路面表层温度与透水性之间的相关性。徐皓等[6]进行了车辙试验、低温弯曲等试验，揭示材料种类、组成级配与耐久性的关系。美国AASHTO[7]研究表明：当路面结构内部存在可自由移动的水时，轮轴荷载重复驶过所产生的结构破坏，比无自由水存在的路面相对高出40倍以上。
排水是公路设计中不可或缺的一部分，其不仅能提高工程质量，同时也能促进区域沿线的生态发展[8]。在我国的海绵城市建设过程中，透水水泥混凝土多用于人行道、露天停车场、自行车道等对强度要求不高的路面面层[9]。对比透水水泥混凝土路面，PAC具有更广泛的适用性[10]。适量的玄武岩纤维(BF)可增大路面的弯曲强度[11]，使PAC的各项路用性能尤其是疲劳寿命达到最佳。
目前，国内对PAC的研究主要集中于渗水功能衰变和试验技术研究等方面来解决城市路面排水能力不足的问题，而对于掺加BF来提高PAC路用性能的研究相对较少，因此具有较高的研究价值。
材料基本性能
高黏性沥青
选用某SBS改性沥青(Ⅰ-D)，其具体实测值均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40-)(下文简称《施工规范》)要求。
集料
粗集料在PAC中的掺量超过70%[12]，其性能在很大程度上会直接影响路面使用寿命。
细集料作为PAC不可或缺的组分，其选取也应严格依据规范要求。经试验实测，粗集料、细集料均满足《施工规范》要求。
纤维添加剂
BF作为一种耐酸、耐碱、耐高温等综合性较好的高性能[13-15]纤维材料，其具体参数见表1。
矿粉和水泥
在PAC中掺入S95级矿粉，增加沥青与骨料的接触面积，其具体实测指标满足《施工规范》要求，具体掺量见表4。透水沥青混合料大粒径占比较大，采用42.5级的普通硅酸盐水泥，水泥替代一部分矿粉作为填料，使集料之间达到很好的黏结效果，具体掺量见表4。
透水沥青混凝土制备
级配设计
根据文献[16，17]研究，设置目标空隙率为20%，参数设计见表2。
最佳沥青用量
针对PAC-13级配类型，根据初选级配，估算油石比。依据《道路排水性沥青路面技术规程》(DG/TJ08--)，沥青膜厚度h为14μｍ。利用公式(1)计算初始沥青用量。
初始沥青用量(油石比)：
由表3知，初始油石比5.8%，以0.5%为差值，选取5组油石比PAC1(3.8%)、PAC2(4.3%)、PAC3(4.8%)、PAC4(5.3%)、PAC5(5.8%)制备试件，最佳沥青用量可通过飞散损失试验和析漏试验计算得出。当BF掺量分别为0.3%、0.4%、0.5%、0.6%时，其对应的最佳沥青掺量分别为4.36%、4.63%、4.84%、5.15%。
试件的制备
马歇尔标准圆柱体沥青试件可通过击实仪制得，每组4个，尺寸为Ф.6ｍｍ×63.5ｍｍ。试验级配见表4。
依据表4制作相应的标准试块，并分别进行马歇尔试验、浸水马歇尔试验、车辙试验、低温劈裂试验和渗水试验。
试验结果分析
马歇尔试验
在沥青路面的使用过程中，近八成的病害都与水稳定性有关。这种现象在路面早期破坏中尤为明显，路面上的水在重复轴载作用下渗入到沥青与粒料交界处，使二者黏结能力降低，并随时间推移黏结力逐渐丧失，矿料从中剥离而使混合料疏松掉粒，降低路面整体性。同时水损坏也会直接或间接引发其他路面问题。BF作为一种连续纤维，具有较高的抗剪强度，在路面材料中掺入适量的BF，可以有效减小病害的产生，同时其自身的可降解性也不会对路面造成任何不良影响。各BF掺量下的试验性能结果，见图1和图2。
对比图1、图2可知，掺加BF的PAC，其试验结果均比不掺加BF的PAC有很大提升。根据《透水沥青路面技术规程》(CJJ/T-)(下文简称《技术规程》)，PAC的马歇尔稳定度大于5kN。由图1知，随着BF掺入量的递增，稳定度呈线性增、减趋势变化，但稳定度始终比不加BF时高。BF掺量低于0.4%时，稳定度呈线性大幅增长趋势，并在掺量值为0.4%时取最大值9.12kN，此时的稳定度比不掺加时提升64.29%。
由图2可知，PAC的残留稳定度和浸水稳定度均随着BF掺量的增加而呈现更加稳定的变化趋势，BF掺加量在0.3%~0.5%时其水稳定性较好。当BF掺量为0.5%时，其残留稳定度和浸水稳定度均取最大值，对应试验结果分别为6.58kN和95.10%，比不掺加时增加约34.70%和34.90%。
综上，当BF掺量为0.3%~0.4%和0.3%~0.5%时，对应的马歇尔稳定度和浸水马歇尔稳定度均最佳。
高温稳定性
车辙是沥青路面中较为常见的病害，在很大程度上会严重降低路面的服务功能，同时还会给司机的出行增加风险。车辙试验能较好反映路面的高温稳定性，对试件进行车辙试验，各BF掺加量下的动稳定度见图3。
根据《技术规程》，PAC的动稳定度应不低于次/ｍｍ。由图3可知，随着BF掺量的增大，PAC的动稳定度变化呈先上升后下降走势，BF在0.3%~0.5%的掺量范围内，随BF掺量的增大动稳定度持续上升，分析其原因可能是BF改善了材料内部间的排列分布，使其形成嵌挤有序的排列分布结构，提高整体性；当BF掺量大于0.5%后，动稳定度直线降低，分析其原因可能是材料间形成的空间骨架结构过于密实，路面透水性能减弱，进而间接降低高温稳定性。掺入0.31%~0.57%的BF可有效改善材料的动稳定度，且在0.5%时取最大值次/mm，此时的性能比不掺加BF时提升.08%。
低温抗裂性
路面开裂现象普遍存在，尤其在温度偏低的北方地区更为明显，冬季时节沥青混合料收缩变形出现开裂，雪水沿部分裂缝进入结构层中，轴载反复施加于路面而导致结构发生破坏，承载力大幅减弱，极大地缩短了路面服务时限。这种破坏现象也与其自身的断裂特性有关，当环境温度降低沥青会从黏弹体变为弹脆体，车辆行驶时的瞬时荷载会产生相应的脆性力，致使路面发生破坏。在路面结构中掺加适量的BF，其自身的连续性和高强性，可以很好地改善沥青低温易断裂的特性，减少裂缝的产生、延缓裂缝的发展，各BF掺量下的残留强度比见图4。
根据《技术规程》，PAC的残留强度比应大于85%。由图4知，残留强度比随BF掺加量的增大呈线性先增后减趋势变化；当BF掺量在0.4%以下时，PAC的残留强度比变化趋势随BF掺加量的提高而直线上升，纤维的加入增大了沥青混合料的连续性，BF均匀分散其中，有效降低裂缝的产生；当BF掺量大于0.4%时，残留强度比大幅降低，分析其原因可能是纤维掺量过多而减弱了混合料间的黏结效果，从而使结构的整体强度降低。当BF掺入量为0.4%时，残留强度比取极大值87.7%，比无BF掺加时提升45.61%。
透水性
PAC的典型特征是空隙率大，不仅可以提高雨天路面的抗滑性能，降低雨天事故率，还可使积水通过多孔路面结构下渗，增大地下水储备量。透水性是PAC的核心性能，路面的透水性用渗水系数表征，可通过室内渗水试验测得，各BF掺量下的渗水系数见图5。
根据《技术规程》，PAC的渗水系数大于mL/15s。由图5知，掺加BF的PAC，其渗水系数比无纤维掺加时要小。无BF掺加时的渗水系数为mL/15s，加入0.38%的BF，渗水系数降低12.5%。纤维的加入会降低混合料的空隙率，掺加的纤维空间分布于混合料中，对内部空隙结构起着分割和填充的作用，会直接影响透水性，尤其当掺量超过0.4%时，混合料的透水性大幅下降。
结语
(1)当BF掺量为0.3%~0.6%时，其对应的最佳沥青掺加量为4.36%~5.15%。
(2)当BF掺量为0.4%时，PAC的马歇尔稳定度和低温抗裂性均为最佳，相较于无BF掺加时，对应增量为64.29%和45.61%；当BF掺量为0.5%时，PAC的浸水马歇尔稳定度和高温稳定性均为最佳，相较于无BF掺加时，对应增量为34.70%和.08%。
(3)渗水系数用以表征PAC路面的透水性，其值随BF掺量的增大而减小。相较于无纤维掺加，当加入0.38%的BF，渗水系数降低12.5%。
(4)在保证路面透水性的同时，需考虑其他路用性能，控制最佳BF掺量，使路面在不同温湿度条件下获得良好的疲劳寿命。结合上述其他试验，综合考虑选定最佳BF掺量为0.3%~0.4%。
全文完。首发于《公路》年8月。登陆
