彩色排水沥青混合料配合比设计及性能研究

彩色排水沥青混合料配合比设计及性能研究
郭颖华
【期刊名称】《《公路交通技术》》
【年(卷),期】2019(035)005
【总页数】6页(P30-35)
【关键词】彩色排水沥青路面; 沥青混合料; 配合比设计; 性能研究; 排水性能
【作者】郭颖华
【作者单位】宁德市高速公路建设指挥部福建宁德 352100; 宁德市交通经济发展中心福建宁德 352100
【正文语种】中文
【中图分类】U414
上世纪中期，苏联首先展开了对彩色沥青的探索，在各大城市铺筑了几万m2的彩色沥青混凝土路面[1]。

随后日本也进行了对彩色沥青的相关研究，在大阪、神户等城市铺筑了黄色路面[2]。

法国、荷兰等国家通过彩色沥青路面的应用，发现彩色沥青路面不仅可以积极调解驾驶员心理和情绪状态，还增添了城市的缤纷色彩[3]。

国外对彩色沥青路面的研究大多基于传统的密实型路面结构，但仅就排水沥青路面而言，国外已经有了非常广泛的研究与应用。

美国联邦公路管理局(FHWA)于20世纪70年代首次提出了OGFC(开级配磨耗层)这一术语[4-5]，通过多年的研究，美国国家沥青路面技术中心(NCAT)于2000年提出了新的OGFC路面配合
比设计方法[6]。

英国的交通研究实验室(TRL)于20世纪90年代末研发出一种适
合机场跑道的多孔沥青路面。

日本对排水路面的研究开始时间较晚，但发展速度很快，对排水沥青路面的结构、材料、配合比设计、施工以及管理都有详细的规定[7]。

国内对彩色路面研究与应用相较于国外起步较晚，在上世纪90年代后期仍处于研究与探索阶段。

随着彩色沥青混凝土铺装技术的研究与发展，国内的学者们也加大了对彩色沥青的研究力度。

1999年长安大学的郝培文等[8]研制出的彩色沥青的性能就已接近优质石油沥青，在成都铺筑的试验路，其路用性能符合要求；2004年辽宁石油化工大学的高明等[9]以70号沥青为原料研发出了数种彩色沥青，且性能稳定，符合要求[10-12]。

2000年上海首先铺筑了2.2 km铁红色彩色路面景观路；随后厦门、北京、沈阳、西安等[13-15]城市陆续铺筑了彩色沥青路面。

在排水沥
青路面方面，1996年在杭州铺筑的杭金线[16]是我国第一条排水沥青路面，之后
有2000年铺设的宝鸡—牛背公路[16]，2004年广东的312国道[16]、重庆渝邻
高速[16]、2007年改造修筑的浙江萧山机场河两龙高速[16]。

以上这些探索都为我国的排水沥青路面建设提供了宝贵经验。

与此同时，国内的诸多高校和部分交通科研院所都对排水路面技术做过深入研究，这对我国彩色排水路面的研究与推广应用具有重要的指导意义。

要推广应用彩色排水沥青混合料，需要一种简单、快捷、可靠的彩色排水沥青混合料配合比设计方法，并确保其渗水性能、高温稳定性能等基本性能达到彩色排水路面的工程技术要求。

为此，本文将对彩色排水沥青混合料进行配合比设计，并通过验证渗水系数等指标对混合料的排水等性能进行研究，使其能达到排水路面的技术要求。

1 原材料性能研究
1.1 沥青
本文试验采用明色沥青，其中内掺8%HVA高粘度添加剂，并对其基本性能进行
了试验分析，结果见表1。

表1 高粘改性沥青试验结果Table 1 Test results of high viscosity modified asphalt指标检测值技术要求针入度(25 ℃,100 g,5 s)/(0.1 mm)44≥40软化点(TR&B)/℃92.5≥90延度(5 ℃,5 cm/min)/cm37≥30运动粘度
(135 ℃)/(Pa·s)2.351≥360 ℃动力粘度/(Pa·s)211 007≥50 000闪点
/℃276≥230溶解度/%99.6≥99弹性恢复(25 ℃)/%99.9≥95贮存稳定性离析,48 h软化点差/℃1.0≤2.2TFOT后残留物质量变化/%-0.210≤±1.0针入度比
(25 ℃)/%84.1≥65延度(5 ℃)/cm20≥20
根据表1试验结果可知，检测值均符合技术要求。

需要重点关注的技术指标是60 ℃动力粘度，一方面该指标可以很好地反映沥青在夏季的耐热性能，且与混合料的车辙动稳定度和水稳定性有较好的相关性，混合料采用动力粘度大的沥青其抵抗车辙损害和水损害的能力也强；另一方面，沥青的粘度与集料和沥青间的粘附性有关，沥青的动力粘度大，其粘附性也较好。

因此，在细集料含量较好的排水沥青混合料中，提高沥青的粘度是增强其耐久性的有效措施。

1.2 粗集料
选择粗集料时，应尽量选择表面干净、硬度较大、表面粗糙且棱角分明的粗集料，使其容易相互嵌挤形成空隙结构，并且尽量避免针片状的碎石，以防碾压时压碎而影响路面空隙率。

作为彩色铺装用石料，其颜色应尽可能与路面铺装的颜色相近，技术要求也要满足现行规范的有关规定。

本研究采用5 mm～10 mm辉绿岩，其基本性能试验测试结果见表2。

1.3 细集料
细集料选用0～3 mm机制砂，其各项试验结果见表3。

1.4 填料
彩色排水沥青混合料中，由于粗集料较多而形成骨架结构，缺少细集料的填充，因
此应掺加一定比例的填料，使沥青吸附在填料表面从而更好地吸附粗细集料，同时也提高路面的耐久性。

彩色排水沥青混合料使用颜料替代部分矿粉来进行着色，因此填料由矿粉和颜料2部分组成，矿粉一般应是抗压强度较大的岩石或者憎水性
石材磨细得到的矿粉，矿粉使用时必须保持洁净、干燥、结团。

采用矿粉的试验结果见表4。

表2 辉绿岩粗集料试验结果Table 2 Test results of diabase coarse aggregate
指标检测值4.75 mm～9.5 mm技术要求表观相对密度2.950≥2.60毛体积相对
密度2.946-吸水率/%0.05≤2.0<0.075 mm颗粒含量/%1.1≤1针片状颗粒含量/%7.2≤12压碎值/%14.9≤18
表3 细集料检测结果Table 3 Test results of fine aggregate指标检测值技术要
求表观相对密度2.789≥2.50亚甲蓝值/(g·kg-1)0.8≤1.5棱角性(流动时
间)/s17≥30
表4 矿粉试验结果Table 4 Test results of mineral powder指标检测值技术要求表观密度/(t·m-3)2.734≥2.50含水量/%0.5≤1粒度范围/%<0.60
mm97.9100<0.15 mm76.990～100<0.075 mm63.675～100外观无团粒结块
无团粒结块
1.5 色粉
采用中路高科生产的色粉，添加量为矿料总量的3%。

调配时将沥青和颜料在
180 ℃烘箱中烘30 min，待沥青处于流动状态时按比例加入颜料，高速剪切10 min，至颜料均匀分散在明色沥青中，即成彩色胶浆。

2 配合比设计
2.1 级配
排水沥青混合料按其集料最大粒径的尺寸通常分为PAC-05、PAC-10、PAC-13、PAC-16、PAC-20。

本文参考交通部项目遂资高速排水沥青路面混合料配合比设
计级配范围，采用间断配合比设计方法设计了3种骨架空隙型合成级配，见表5。

表5 彩色排水沥青混合料合成级配Table 5 Gradation of color drainage asphalt mixture级配类型不同粒径(mm)下的合成级配范围
13.29.54.752.361.180.60.30.150.075A10095.324.812.19.38.16.85.74.7B10095 .122.29.67.56.65.64.74C1009520.98.46.65.854.33.6
结合以往的配合比设计经验，拟定油石比为5%，按照初选的3种合成级配分别成型马歇尔试件。

混合料检测结果见表6。

根据检测的体积指标(空隙率为18%～25%),确定A级配作为本次目标配合比设计最佳级配。

2.2 最佳油石比
根据所选定的级配曲线，以4.0%、4.5%、5.0%、5.5%、6.0%五组油石比进行沥青混合料谢伦堡析漏损失和肯塔堡飞散损失试验，结果见表7。

表6 沥青混合料目标配合比级配选定数据汇总Table 6 Selected data of target mix ratio gradation of asphalt mixture初试级配油石比/%毛体积相对密度计算理论相对密度空隙率
/%A5.002.0262.68024.4B5.001.9512.68527.3C5.001.9172.68728.6
以沥青混合料谢伦堡析漏损失曲线图中的拐点作为最大油石比，沥青混合料肯塔堡飞散损失曲线图中的拐点作为最小油石比，如图1所示，参考析漏损失率和飞散损失率的绝对指标，并结合排水沥青路面结构特点，确定最佳油石比为4.9%。

表7 谢伦堡沥青析漏及肯塔堡飞散试验结果Table 7 Test results of Schellenberg test and Cantabro test油石比/%析漏损失率/%飞散损失率
/%4.00.1121.14.50.1513.85.00.399.25.51.408.26.02.516.9
图1 油石比分析Fig.1 Analysis chart of asphalt content
2.3 基本性能研究
按照上述配合比设计方法选用矿料级配和最佳沥青用量，成型混合料试件并进行性
能测试和评价。

根据选定的级配和最佳油石比，验证混合料析漏损失、飞散损失、马歇尔残留稳定度、冻融劈裂强度比、动稳定度、低温最大弯拉应变、渗水系数等指标，结果见表8。

其中技术要求参照文献[17]。

由表8可知，彩色排水沥青混合料的各项指标均满足技术要求。

而彩色排水沥青路面主要要求其具有较好的渗水性能、高温稳定性能、水稳定性能和低温性能等。

1) 渗水性能分析
本文对于渗水性能的测试，主要参照日本《铺装试验法便览》中的试验方法。

由表8中数据可以看出，彩色排水沥青混合料的渗水系数为8 134 mL/min，大于工程技术标准值，说明彩色排水沥青混合料的渗水性能满足工程要求。

2) 高温稳定性能分析
表8 彩色排水沥青混合料基本性能试验结果Table 8 Test results of basic performance of color drainage asphalt mixture指标检测结果技术要求[17-20]毛体积相对密度2.027-理论最大相对密度2.689-空隙率/%24.618～25马歇尔稳定度/kN7.05≥5.0马歇尔残留稳定度/%92.3≥85冻融劈裂试验残留强度
/%91.4≥80谢伦堡沥青析漏损失/%0.32≤0.5肯塔堡飞散损失/%11.0≤15浸水肯塔堡飞散损失/%17.6≤20车辙/(次·mm-1)9 130≥6 000低温弯曲试验破坏应变/μω3 124≥2 800渗水试验/(mL·min-1)8 134>5 000
室内高温性能试验测试方法很多，其中室内车辙试验因操作方便、模拟受力状态更加接近路面实际状况，被作为研究沥青混合料高温性能的主要方法。

本文选用车辙试验仪测定混合料的动稳定度。

通过车辙试验可以得出，彩色排水沥青混合料的动稳定度为9 130次/mm，满足技术要求，说明彩色排水沥青混合料具有较好的高温稳定性能。

3) 水稳定性能分析
混合料的水稳定性一般是通过测试其浸水前后的性能变化，如浸水车辙、浸水马歇
尔、浸水飞散、冻融劈裂等试验。

本文依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥
青混合料试验规程》，通过浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验来评价彩色排水沥青混合料的水稳定性。

其中浸水马歇尔试验用于检验沥青混合料受水损害时抵抗剥落的能力，冻融劈裂试验通过测定沥青混合料试件在受到水损害前后劈裂破坏的强度比来评价沥青混合料的水稳定性。

通过浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验等可以发现，彩色排水沥青混合料的马歇尔残留稳定度、冻融劈裂残留强度分别为92.3%、91.4%，满足技术要求，说明彩色
排水沥青混合料具有良好的抗水损害能力。

4) 低温性能分析
本文采用低温弯曲破坏应变评价低温抗裂性能。

在低温弯曲试验中，采用小梁试件对其施加一定的荷载，使小梁发生弯曲，通过破坏时的弯曲应变来评价低温抗裂性能。

由表8试验结果可知，彩色排水沥青混合料的低温弯曲试验破坏应变为3 124 μω，大于技术要求，说明彩色排水沥青混合料具有较好的低温性能。

3 结束语
由以上对彩色排水沥青混合料的研究，可以得出以下结论：
1) 通过研究彩色排水沥青混合料配合比设计的全过程，选定了A级配作为最佳配
合比，并通过分析析漏损失和飞散损失试验结果，确定油石比的范围，并结合彩色排水沥青路面的特点，确定最佳油石比为4.9%。

2) 通过彩色排水沥青混合料目标配合比设计，确定沥青混合料相关体积参数为：
最大理论相对密度为2.680，毛体积相对密度为2.026，空隙率为24.4%。

3) 按本文配合比设计方法成型的混合料试件，其渗水性、高温稳定性以及抗水损
害性能均达到了彩色排水路面的工程技术要求。

4) 本文采用的设计方法能较好地完成彩色排水沥青混合料的设计，但国内对于彩
色排水沥青路面应用和研究还比较少，仍有大量的性能有待验证，且其在实际应用中的表现也有待进一步探索。

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