排水瀝青路面滲透性與連通空隙率的關系研究

鄭鵬飛

近年來我國高速公路建設發(fā)展迅速，里程逐年增長，路網(wǎng)日趨完善。如何提高路面的使用品質(zhì)，如何向社會提供更安全、更舒適、更快捷的公路交通，已成為我國交通部門追求的新目標，排水性路面則是實現(xiàn)這種目標的一種路面形式。排水性瀝青采用大空隙瀝青混合料作路表功能層，具有很好的排水功能，在雨天路表不積水，行車不會產(chǎn)生濺水和水霧現(xiàn)象，車輛行駛視線好，大大提高雨天行車的安全性。排水路面優(yōu)良的排水能力與其連通空隙率(有效空隙率)相關[1-5］，因此如果能找出材料的連通空隙率與滲透系數(shù)之間的關系，那么就可以通過連通空隙率對材料的滲透系數(shù)進行設計，使其滿足排水性能的要求。大量研究表明，滲透系數(shù)可以綜合反映多孔介質(zhì)透水性能，其一方面取決于孔隙介質(zhì)的特性，同時與流體的物理性質(zhì)如粘度和溫度有關[6］。在道路工程研究中，可以把滲透系數(shù)理解為孔隙介質(zhì)特性對透水性影響的一個參數(shù)。本文就此開展研究，分析排水瀝青路面滲透性與連通空隙率的關系，為排水瀝青路面的推廣應用提供依據(jù)。

1 排水性瀝青混合料組成設計

1.1 原材料

1)瀝青。采用TAFPACK-Super改性劑(簡稱TPS)作為排水瀝青混合的改性劑，添加量為瀝青用量的15%。2)集料。采用玄武巖集料。3)礦粉。試驗采用石灰?guī)r礦粉。礦粉質(zhì)量符合JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術規(guī)范[8］的要求。

1.2 排水瀝青混合料組成設計及空隙率

排水性瀝青混合料組成設計過程如下:

1)檢驗原材料的技術指標;2)在推薦的級配范圍，根據(jù)期望的目標空隙率試配三種配比方案，使2.36 mm篩孔通過率在中值范圍±3%內(nèi);3)根據(jù)瀝青膜厚度和集料表面積預估瀝青用量;4)擊實成型馬歇爾試件，檢驗空隙率能否達到目標空隙率的要求;5)按±0.5%，±1%變化瀝青用量，進行析漏試驗、飛散試驗確定最佳瀝青用量;6)最后進行混合料性能試驗驗證。

設計了兩種空隙率的排水性瀝青混合料PAC-13，空隙率分別為25%和20%。另外為進行對比分析，按照相同的集料和SBS改性瀝青進行了普通密級配AC-13瀝青混合料的組成設計，其設計空隙率分別為10%和6%。

2 橫向滲透系數(shù)的測試

2.1 測試方法

滲透系數(shù)的水槽測定試驗裝置如圖1所示。試件采用30 cm×30 cm×5 cm的車轍板，水流從左側流向右側，控制左側水位高度為h1，右側水位高度為h2。試驗時首先讓出水口水流穩(wěn)定(采取固定高度溢流的方式)，測定t時間內(nèi)右側出水口的出水量Q。

其中，Kx為材料的橫向滲流系數(shù)，cm/s;Q為時間t秒內(nèi)滲出的水量，cm3;h1，h2分別為進水口、出水口處的水位標高，cm;t為滲透時間，s。

橫向滲透系數(shù)的計算公式為:

2.2 測試結果

水力坡度控制在0.02以上，橫向滲透系數(shù)測試結果如表1所示。

表1 瀝青混合料橫向滲透系數(shù)

3 滲透性與連通空隙率的關系

3.1 連通空隙的測定

將試件從模筒中取出，風干或烘干至恒重，稱量一個空氣中重ma和試件的水中重mw，量取試件高度H，按下式計算連通空隙率:

3.2 測試結果

輪碾法成型車轍板試件，垂直于碾壓方向切割50 mm×50 mm×200 mm的試件，測定其體積指標，測試結果如表2所示。

表2 連通空隙率的測試結果 %

3.3 滲透系數(shù)與連通空隙率的關系

橫向滲透系數(shù)與連通空隙率之間的關系如圖2所示，由此可見橫向滲透系數(shù)隨連通空隙率增大而增大;當空隙率小于6%時，瀝青混合料基本上不透水;當空隙率超過20%，滲水系數(shù)基本上能達到300 m/d，能夠滿足我國排水設計規(guī)范的要求。因此，在排水混合料設計中設計空隙率不應小于20%。

瀝青混合料的滲水系數(shù)和空隙率的關系可表示為:

其中，Kx為材料的橫向滲流系數(shù)，cm/s;n為連通空隙率，%。

根據(jù)式(3)，選用不同連通空隙率標準即可得到相應的橫向滲透系數(shù)，從而實現(xiàn)對排水性能的設計。此外，還應考慮到材料性質(zhì)、施工因素以及排水性能衰變特性，設計空隙率應有一定的富余。

4 結語

1)采用TPS改性瀝青制備了不同空隙率的排水瀝青混合，并實測其連通空隙率和橫向滲透系數(shù)。結果表明，瀝青混合料的滲水系數(shù)和空隙率有較好的相關性，隨著空隙率的增大而增大。

2)當空隙率小于6%時，瀝青混合料基本上不透水;當空隙率超過20%，滲水系數(shù)基本上能達到300 m/d，能夠滿足我國排水設計規(guī)范的要求，因此，在排水混合料設計中設計空隙率不應小于20%。

3)采用指數(shù)函數(shù)可以很好地反映橫向滲透系數(shù)與連通空隙率的關系，可根據(jù)回歸公式選用不同連通空隙率標準得到相應的橫向滲透系數(shù)值，從而對排水材料的排水性能進行設計。

[1]李闖民，王寧輝.不同方法測量的排水瀝青混合料試件空隙率關系[J］.公路，2007(1):138-141.

[2]諸永寧，陳榮生，倪富健.排水性瀝青路面排水性能評定方法研究[J］.公路交通科技，2004，21(8):9-11.

[3]邢明亮，陳拴發(fā)，陳華鑫，等.級配組成對排水性混合料空隙率影響研究[J］.武漢理工大學學報，2009，31(17):62-65.

[4]徐 皓，倪富健，陳榮生，等.排水性瀝青混合料耐久性[J］.交通運輸工程學報，2005，5(2):27-31.

[5]李立寒，李新軍，梅海峙，等.排水性瀝青混合料組成結構與性能的研究[J］.建筑材料學報，2003，6(1):40-44.

[6]張嘉林.多孔排水瀝青混合料空隙精細描述與分布特性研究[D］.西安:長安大學，2008.

[7]日本道路協(xié)會.排水性鋪裝技術指南[Z］.東京:丸善株式會社，1996.

[8]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術規(guī)范[S］.