一种透水沥青混凝土混合料配合比设计方法
技术领域
本发明属于土木工程领域，具体涉及一种透水沥青混凝土混合料配合比设计方法。
背景技术
我国在城镇化快速发展过程中存在开发强度高、硬质铺装多等问题，目前已建成的沥青路面中90％以上按密实级配原理设计而成，属设计空隙率较小的密集配沥青混凝土路面。这种路面结构具有密实、不容易透水的特点，且强度较高，水稳定性能、低温抗裂性能、耐久性能都比较好，但高温稳定性能较差、噪音大，并且密集配沥青混凝土作为抗滑表层，路面积水来不及排走，易引起水雾、眩光，汽车高速行驶易出现水漂，严重影响路面抗滑性能和行车安全。另一方面，城市70％以上区域被硬化构筑物(建筑物、城市道路、广场等)覆盖，大大增加了污染物的来源，进一步加重了雨水径流污染的程度。研究表明，城市地表径流是仅次于城市生活污水与工业废水的城市水环境污染源。
透水性沥青路面或多孔沥青路面，指压实后空隙率15％～25％左右、能够在混合料内部形成排水通道的新型沥青混凝土面层，其实质为单一粒径碎石按照嵌挤机理形成骨架-空隙结构的开级配沥青混合料，采用大空隙沥青混合料作表层，将降雨透入到排水功能层，并通过层内将雨水横向排出，从而消除了带来诸多行车不利作用的路表水膜，显著提高雨天行车的安全性、舒适性。
但是透水沥青混合料无法针对不同过的需求的路面可能需要多种配方去进行重新组合，去解决不同的问题，这种方式比较繁琐，难以选择。
发明内容
发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种透水沥青混凝土混合料配合比设计方法，通过一种配方去调节其中的配比及选材，可以使用不同路面对透水沥青混合料需求，已解决配方繁多并且并且难以选择的问题，并且该配方均可以解决不同的需求，但是其配方只有一种对于铺设路面的建材公司而言，可以减少相关配方的购买成本，减少后期知识产权反面的纠纷。
技术方案：本发明所述的一种透水沥青混凝土混合料配合比设计方法，该方法包括如下步骤：
a、选择透水沥青混合料，所述透水沥青混合料是由1-5％高粘改性沥青和95-99％填充料组成，所述高黏度改性沥青是由SK-70为基质沥青，并采用12％高粘度添加剂TPS改性制备而成；所述填充料是由50-60％粗集料、35-42％细集料、5-8％填料组成；
b、采用步骤a中的配方制备出不同填料粒径的多种沥青混合料；
c、对步骤b中的多种沥青混合料进行透水特性以及路用性能试验；所述具体试验方法如下：
(1)透水特性
采用空隙分布特征(孔隙率、有效孔隙率以及有效孔隙率百分比)和透水系数指标表征沥青混合料透水特性；其中，依据T0707-2011测定混合料毛体积密度(见式1)，而有效空隙百分率计算见式(2)～(4)：
式中：λf表示试件毛体积相对密度；A和B分别表示干燥试件质量和密封试件质量，g；C表示密封试件在水中质量，g；E表示去除密封袋试件质量，g；F表示密封袋相对密度；
V＝V总-V0(8)
式中：P有效表示试件连通空隙百分率，％；V有效表示试件有效空隙体积，cm3；V总表示试件总体积，cm3；V0表示沥青、集料和内部密闭空隙体积和，cm3；ma和mw分别表示试件在空中重和水中重，g；ρw表示水密度，g/cm3；
采用常水头试验测试混合料透水系数以评价其透水性能，计算公式见式(5)；
式中：Crw为试件的渗透系数；Q表示渗透试件用水量，cm3；t1和t2分别表示试验开始时间和结束时间；A表示为试件横截面积，cm2；H表示水头高度，cm；
(2)路用性能
参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，采用马歇尔残留稳定度(RMS)和冻融劈裂强度比(TSR)表征沥青混合料水稳性，试件尺寸为
d、将步骤c中的试验分析出来的机构进行汇总分析，得出结论。
进一步优选的，所述步骤a中细集料表观密度为2.70g/cm3，坚固性测试结果为10％，含泥量为0.7％。
进一步优选的，所述步骤a中粗集料表观密度为2.63g/cm3，吸水率为1.3％，压碎指标为12.1％，与沥青粘附等级为5级，磨光值为40.6％，洛杉矶磨耗值为21.7％。
进一步优选的，所述粗集料和细集料均采用玄武岩。
进一步优选的，所述所述步骤a中填料表观密度和含水量分别为2.75g/cm3和0.30％。
进一步优选的，所述填料为普通石灰岩磨细矿粉。
进一步优选的，所述步骤b中多种沥青混合料分别为PAC-10、PAC-10-1、PAC-10-2、PAC-13和PAC-16五种沥青混合料。
有益效果：本发明一种透水沥青混凝土混合料配合比设计方法，经研究表明该配方中可以根据需求去调整配方各族反的关系，具体如下：随粗集料比例和公称最大粒径提高，透水沥青混合料孔隙率、有效孔隙率、有效孔隙率百分比和透水系数等指标均随混合料粗集料比例和公称最大粒径提高而增加，且有效孔隙率百分比和透水系数指标变化幅度较孔隙率和有效孔隙率更大。随粗集料比例和公称最大粒径提高，透水沥青混合料抗滑性能和高温稳定性能增加，而水稳性和低温性能降低。为提高透水沥青混合料抗滑性能和高温稳定性能，建议增大粗集料比例和公称最大粒径，而提高水稳性和低温性能，建议降低粗集料比例和公称最大粒径。有效孔隙率指标更能准确反映透水混合料透水性能，其有效孔隙率和透水系数相关系数高达0.98562，且有效孔隙率指标与混合料水稳定性、高温稳定性能、低温抗裂性能和抗滑性能均呈良好线性关系，有效孔隙率指标与混合料动稳定次数、弯拉破坏应变、马歇尔残留稳定度、冻融劈裂强度比和摆值间线性相关系数(R2)分别为0.98398、0.96921、0.97725、0.95671和0.98118，表明有效孔隙率指标近似反映混合料透水性能和路用性能；本发明提供一种透水沥青混凝土混合料配合比设计方法，通过一种配方去调节其中的配比及选材，可以使用不同路面对透水沥青混合料需求，已解决配方繁多并且并且难以选择的问题，并且该配方均可以解决不同的需求，但是其配方只有一种对于铺设路面的建材公司而言，可以减少相关配方的购买成本，减少后期知识产权反面的纠纷。
附图说明
图1矿料级配曲线测试结果；
图2透水沥青混合料孔结构特征试验结果；
图3透水沥青混合料渗水系数测试结果；
图4透水沥青混合料摆值测试结果；
图5透水沥青混合料水稳性测试结果；
图6透水沥青混合料动稳定次数测试结果；
图7透水沥青混合料低温性能试验结果；
图8孔隙率与混合料透水系数线性拟合关系；
图9有效孔隙率与混合料路用性能线性拟合关系
具体实施方式
一种透水沥青混凝土混合料配合比设计方法，该方法包括如下步骤：
a、选择透水沥青混合料，所述透水沥青混合料是由1-5％高粘改性沥青和95-99％填充料组成，所述高黏度改性沥青是由SK-70为基质沥青，并采用12％高粘度添加剂TPS改性制备而成；所述填充料是由50-60％粗集料、35-42％细集料、5-8％填料组成；
b、采用步骤a中的配方制备出不同填料粒径的多种沥青混合料；
c、对步骤b中的多种沥青混合料进行透水特性以及路用性能试验；所述具体试验方法如下：
(1)透水特性
采用空隙分布特征(孔隙率、有效孔隙率以及有效孔隙率百分比)和透水系数指标表征沥青混合料透水特性；其中，依据T0707-2011测定混合料毛体积密度(见式1)，而有效空隙百分率计算见式(2)～(4)：
式中：λf表示试件毛体积相对密度；A和B分别表示干燥试件质量和密封试件质量，g；C表示密封试件在水中质量，g；E表示去除密封袋试件质量，g；F表示密封袋相对密度；
V＝V总-V0(13)
式中：P有效表示试件连通空隙百分率，％；V有效表示试件有效空隙体积，cm3；V总表示试件总体积，cm3；V0表示沥青、集料和内部密闭空隙体积和，cm3；ma和mw分别表示试件在空中重和水中重，g；ρw表示水密度，g/cm3；
采用常水头试验测试混合料透水系数以评价其透水性能，计算公式见式(5)；
式中：Crw为试件的渗透系数；Q表示渗透试件用水量，cm3；t1和t2分别表示试验开始时间和结束时间；A表示为试件横截面积，cm2；H表示水头高度，cm；
(2)路用性能
参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，采用马歇尔残留稳定度(RMS)和冻融劈裂强度比(TSR)表征沥青混合料水稳性，试件尺寸为
d、将步骤c中的试验分析出来的机构进行汇总分析，得出结论。
本实例中，所述步骤a中细集料表观密度为2.70g/cm3，坚固性测试结果为10％，含泥量为0.7％。
本实例中，所述步骤a中粗集料表观密度为2.63g/cm3，吸水率为1.3％，压碎指标为12.1％，与沥青粘附等级为5级，磨光值为40.6％，洛杉矶磨耗值为21.7％。
本实例中，所述粗集料和细集料均采用玄武岩。
本实例中，所述所述步骤a中填料表观密度和含水量分别为2.75g/cm3和0.30％。
本实例中，所述填料为普通石灰岩磨细矿粉。
本实例中，所述步骤b中多种沥青混合料分别为PAC-10、PAC-10-1、PAC-10-2、PAC-13和PAC-16五种沥青混合料。
通过上述配方制备出PAC-10、PAC-10-1、PAC-10-2、PAC-13和PAC-16五种透水沥青混合料，所述每种填料配方如下：
PAC-10、PAC-10-1、PAC-10-2、PAC-13和PAC-16的高粘改性沥青含量分别为1.18％,2.05％、2.18％、2.52、3.21％及3.85％。
依据贝类法设计透水沥青混合料，矿料级配曲线见图1所示；
一、透水性能试验：所述具体试验方法如下：
采用空隙分布特征(孔隙率、有效孔隙率以及有效孔隙率百分比)和透水系数指标表征沥青混合料透水特性。其中，依据T0707-2011测定混合料毛体积密度(见式1)，而有效空隙百分率计算见式(2)～(4)：
式中：λf表示试件毛体积相对密度；A和B分别表示干燥试件质量和密封试件质量，g；C表示密封试件在水中质量，g；E表示去除密封袋试件质量，g；F表示密封袋相对密度。
V＝V总-V0 (18)
式中：P有效表示试件连通空隙百分率，％；V有效表示试件有效空隙体积，cm3；V总表示试件总体积，cm3；V0表示沥青、集料和内部密闭空隙体积和，cm3；ma和mw分别表示试件在空中重和水中重，g；ρw表示水密度，g/cm3。
采用常水头试验测试混合料透水系数以评价其透水性能，计算公式见式(5)。
式中：Crw为试件的渗透系数；Q表示渗透试件用水量，cm3；t1和t2分别表示试验开始时间和结束时间；A表示为试件横截面积，cm2；H表示水头高度，cm。
结果：
1、孔隙特征，根据上述就计算得出不同级配和最大公称粒径透水沥青混合料孔特征(孔隙率、有效孔隙率和有效孔隙率百分比)测试结果见图2，由图2测试结果可知，三种级配透水沥青混合料孔特征相差不大，孔隙率、有效孔隙率和有效孔隙率百分比大小均为：PAC-10-2最大，PAC-10-1次之，而PAC-10最小。结果表明，粗集料比例越多，混合料孔结构越差(孔隙率和有效孔隙率越大)，这是因为粗集料比例越大，骨架结构越趋于不密实堆积状态，导致沥青填充状态和有效沥青饱和度降低。与PAC-10相比，PAC-13和PAC-16孔隙率分别增加了14.21％和16.39％，有效孔隙率分别增加了30.77％和35.66％，而有效孔隙率百分比分别增加了4.51％和18.68％。结果表明，随集料最大公称粒径增大，透水沥青混合料孔隙率、有效孔隙率和有效孔隙率百分比均呈明显增加现象。
2、透水系数
图3为级配和最大公称粒径对混合料透水系数影响测试结果。由图3可见，与集料级配对孔隙结构影响规律类似，随着粗集料比例增多，混合料渗水系数越大。对比PAC-10、PAC-13、和PAC-16渗水系数可知，PAC-13透水系数较PAC-10大27.27％，而PAC-16透水系数较PAC-10大43.08％。结果表明，随集料最大公称粒径增加，透水沥青混合料透水系数不断提高。
二、路用性能试验：
参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)，采用马歇尔残留稳定度(RMS)和冻融劈裂强度比(TSR)表征沥青混合料水稳性，试件尺寸为
结果
1、抗滑性能
图4为级配和最大公称粒径对混合料抗滑性能影响试验结果。由图4可见，与PAC-10相比，PAC-10-1和PAC-10-2摆值分别增加2.27％和6.30％。结果表明，当集料最大公称粒径相同时，随粗集料比例增加，混合料抗滑性能提高。这是因为粗集料比例越多，车轮与集料摩擦阻力越大，导致路面摆值出现小幅度提高现象。而与PAC-10相比，PAC-13和PAC-16摆值分别增加了0.76％和5.54％。表明随集料最大公称粒径增加，混合料抗滑。
2、水稳定性
图5为级配和最大公称粒径对透水沥青混合料水稳定性影响结果。由图5可见，与PAC-10相比，PAC-10-1混合料马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比分别降低了3.54％和1.81％，而PAC-10-2马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比较PAC-10分别降低了8.36％和5.40％。结果表明，最大公称粒径相同时，随粗集料比例增加，混合料水稳定性越差，这可能与粗集料比例增加导致混合料孔隙率提高有关。而PAC-13和PAC-16马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比均低于PAC-10。表明随集料最大公称粒径增加，混合料水稳定性越差。
3、高温稳定性
图6为级配和最大公称粒径对混合料动稳定次数影响试验结果。由图6可见，PAC-10-1和PAC-10-2动稳定次数较PAC-10分别增加14.10％和29.19％，而PAC-13和PAC-16动稳定次数较PAC-10分别增加36.15％和46.67％。结果表明，当集料最大公称粒径相同时，随粗集料比例增加，混合料动稳定次数出现小幅增长。而当集料最大公称粒径增加时，混合料动稳定次数出现大幅增长，为提高透水沥青混合料高温稳定性能，建议适当增加粗集料比例或提高集料最大公称粒径。
4、低温开裂性能
图7为级配和最大公称粒径对混合料弯拉强度、弯拉破坏应变及弯曲劲度模量影响试验结果。由图7a可见，透水沥青混合料弯拉强度和弯曲劲度模量随粗集料比例增加而增加，弯拉破坏应变随粗集料比例增加而降低，结果表明粗集料比例越多，混合料低温性能越差。PAC-13混合料较PAC-10弯拉强度、弯拉破坏应变和劲度模量分别提高了38.29％、-11.01％和60.49％，而PAC-16混合料较PAC-10弯拉强度、弯拉破坏应变和劲度模量分别提高了59.07％、14.87％和109.3％。结果表明，集料最大公称粒径对透水沥青混合料低温性能有显著影响，随集料最大公称粒径提高，混合料低温性能越差。
三、透水沥青混合料有效孔隙率与透水性能和路用性能拟合曲线；结果：
1、有效孔隙率与混合料透水系数线性关系
图8为透水沥青混合料透水系数与混合料孔隙率和有效孔隙率线性拟合关系。由图8可见，透水沥青混合料孔隙率和透水系数相关性指数(R2)为0.89842，而混合料有效孔隙率与透水系数相关性指数(R2)高达0.98562，表明有效孔隙率可作为评价混合料透水性能评价指，且两者存在正相关关系。
2有效孔隙率与混合料路用性能线性拟合曲线
图9为透水沥青混合料有效孔隙率与路用性能(水稳性、高温稳定性、低温抗裂性和抗滑性能)线性拟合关系。由图9可知，混合料有效孔隙率与动稳定次数和弯拉破坏应变相关性指数(R2)分别为0.98398和0.96921。混合料有效孔隙率与马歇尔残留稳定度和冻融劈裂强度比相关性指数(R2)分别为0.97725和0.95671。有效孔隙率与摆值相关性指数(R2)为0.98118。结果表明，透水沥青混合料有效孔隙率和其高稳稳定性、低温抗裂性、水稳性以及抗滑性能均呈现很好的线性关系，可通过混合料有效孔隙率指标在一定程度上反应其路用性能，故为保证透水沥青混合料具备良好的路用性能，应合理控制其有效孔隙率指标。
综上所述，得出如下结论：
(1)透水沥青混合料孔隙特征(孔隙率、有效孔隙率、有效孔隙率百分比和透水系数)均随粗集料比例和公称最大粒径提高而增加，且有效孔隙率百分比和透水系数指标变化幅度更大；
(2)随粗集料比例和公称最大粒径提高，透水沥青混合料抗滑性能和高温稳定性能增加，而水稳性和低温性能降低。为提高透水沥青混合料抗滑性能和高温稳定性能，建议增大粗集料比例和公称最大粒径。提高水稳性和低温性能，建议降低粗集料比例和公称最大粒径；
(3)有效孔隙率指标更能准确反映透水混合料透水性能，其有效孔隙率和透水系数相关系数高达0.98562，且有效孔隙率指标与混合料水稳定性、高温稳定性能、低温抗裂性能和抗滑性能均呈良好线性关系，表明可用有效孔隙率指标近似反映混合料透水性能和路用性能。
通过对PAC-10、PAC-10-1、PAC-10-2、PAC-13和PAC-16五种透水沥青混合料动稳定度、有效孔隙率、透水系数、抗滑性能、高温稳定性、低温开裂性比较发现PAC-16性能均处于最优状态。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
