透水瀝青混合料透水特性及路用性能研究*

徐 洪 躍

(河南高速公路發(fā)展有限責任公司，河南 鄭州 450000)

0 引 言

近年來由于城市用水量的增加，導致地下水位下降，在城市及周邊甚至出現(xiàn)了漏斗狀水位線，城市地下水位嚴重不平衡。我國瀝青路面主要以密級配瀝青混凝土作為面層，施工監(jiān)控過程以空隙率不大于7%控制，施工驗收階段以空隙率不大于8%控制[1]，防止路表水向下層滲透；而其他場所如停車場、廣場、球場、公園等硬化面層同樣均不能保證路表水良好下滲。城市表面建筑也尤如一層隔離層，導致滲入地下的水量顯著降低。夏季暴雨突襲，路面水不能及時下滲存儲、排除，導致道路積水嚴重，甚至引起洪澇。雨水本是干凈的水源，大部分雨水卻和城市污水混同，不僅造成了水源的浪費，反而加大了污水處理量。

透水性瀝青混凝土(PAC)采用骨架-空隙結(jié)構(gòu)，空隙率在15%～25%左右[2-3]。透水路面結(jié)構(gòu)能夠使路表水直接下滲，補充地下水源，同時還具有排水、降噪和抗滑性能等諸多優(yōu)點[4]。透水路面結(jié)構(gòu)一般采用PAC-10+PAC-13+ATPB-30+級配碎石透水層[5]。透水性瀝青混合料最大的特點在于其空隙率大，也正是由于空隙率較大的原因使得透水性瀝青混合料的使用場所、配合比設(shè)計、空隙率檢測方法和透水系數(shù)檢測方法與常用瀝青混合料存在差異。筆者對透水路面混合料的空隙率檢測方法、透水系數(shù)檢測方法進行分析，以確定適用于透水瀝青混合料空隙率的試驗方法。且實踐證明同種空隙率條件下，不同最大公稱粒徑(NMAS)的混合料(甚至相同最大公稱粒徑)的抗?jié)B性能有很大差異，NMAS大的在空隙率6%時可能已經(jīng)滲水嚴重，而NMAS小的(NMAS=10或NMAS=5)可能在8%～10%也不滲水[6]。針對工程常用2種不同公稱粒徑的透水性瀝青混合料PAC-10和PAC-13，在其級配范圍內(nèi)各選取粗、中、細3條級配曲線進行配合比設(shè)計，對比探討這2種混合料的空隙分布特性及空隙分布對滲透性能的影響；并對不同級配的透水瀝青混合料路用性能進行研究，為排水瀝青混合料的設(shè)計提供參考。

1 空隙率及透水系數(shù)檢測方法研究

1.1 空隙率檢測方法

與基質(zhì)瀝青混合料相比，由于改性瀝青黏度大，改性瀝青混合料不易分散，我國現(xiàn)行JTG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》規(guī)定采用計算法確定改性瀝青混合料的最大理論密度。

透水性瀝青混合料需滿足抗車撤、抗開裂、耐久及滲透性的要求，基于此將空隙率作為設(shè)計指標；且在瀝青混合料配合比設(shè)計中，空隙率是最重要的設(shè)計指標[6]，它是影響透水性瀝青混合料滲透性能的關(guān)鍵因素[7-8]。為保證透水性瀝青混合料的滲透性能，需采取適宜的空隙率測試方法。JTG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中給出了4種瀝青混合料密度測試方法，分別是T 0706—2011(水中法)，適用于測定吸水率不大于0.5%的密實瀝青混合料試件的表觀相對密度，此時瀝青混合料幾乎不含有連通空隙，并推薦可以采用表觀相對密度替代毛體積相對密度；T 0705—2011(表干法)，適用于測定吸水率不大于2.0%的各種瀝青混合料試件的毛體積相對密度；T 0707—2011(蠟封法)，適用于測定吸水率大于2.0%的密實瀝青混合料試件的表觀相對密度，瀝青混凝土和瀝青碎石混合料的毛體積相對密度；T 0708—2011(體積法)，適用于測定空隙率較大的瀝青碎石混合料和大空隙透水性開級配瀝青混合料(OGFC)的毛體積相對密度。4種方法都有其適用的瀝青混合料類型，如前所述，PAC瀝青混合料的設(shè)計空隙率范圍為15%～25%，適用于T 0708—2011(體積法)，采用試件的空中質(zhì)量與試件的體積比作為瀝青混合料的密度，但是在測試過程中誤差較大，不同檢測人員量測的試件體積存在較大差異[2]?；诖?，筆者提出采用真空密封法對試件的毛體積密度進行測試，試驗方法依據(jù)T 0707—2011(蠟封法)條文說明中真空密封法(CoreLok)，試件毛體積相對密度依據(jù)式(1)計算：

(1)

式中：γf為試件毛體積相對密度，無量綱；A為干燥試件的質(zhì)量，g；B為密封試件的質(zhì)量，g；C為密封試件的水中質(zhì)量，g；E為密封袋取走后，試件的空中質(zhì)量，g；F為密封袋相對密度。

1.2 透水系數(shù)檢測方法

采用透水系數(shù)指標評價排水瀝青混合料的透水性能，間接反映透水瀝青混合料的空隙特征。透水系數(shù)的測量方法包括變水頭測量試驗和常水頭試驗[9]，其中變水頭試驗主要是用于測量滲透性較差的混合料(滲透系數(shù)一般不大于0.001 cm/s)，由于其流量較小，測量誤差較大。而透水瀝青混合料顯然滲透性能較好，滲透系數(shù)一般在0.35 cm/s以上，故采用常水頭試驗。試驗方法依據(jù)日本《鋪筑試驗法便覽》的試驗方法進行，試驗試件為馬歇爾試件，每種配合比條件下透水混合料平行試驗3次，取3次試驗的平均值作為檢測結(jié)果，依據(jù)式(2)計算透水瀝青混合料的透水系數(shù)：

(2)

式中：Crw為試件的滲透系數(shù)；Q為滲透經(jīng)過試件的水量，cm3；t1和t2分別為測試的開始時間與結(jié)束時間；A為試件的橫截面面積，cm2；h為水頭的高度，cm。

2 原材料及配合比設(shè)計

2.1 原材料

瀝青采用摻加12%高黏度添加劑(TPS)的SK-70高黏度瀝青，SK-70基質(zhì)瀝青及TPS高黏度改性瀝青技術(shù)指標檢測結(jié)果分別見表1和表2。

表1 SK-70瀝青技術(shù)指標檢測結(jié)果Table 1 Technical information of SK-70

表2 TPS高黏度改性瀝青技術(shù)指標檢測結(jié)果Table 2 Technical information of TPS modified asphalt with high viscosity

集料為酸堿度偏中性的玄武巖，集料技術(shù)指標的檢測過程依據(jù)PAC-13-2合成級配摻配后，按2.36 mm為關(guān)鍵篩孔分為粗、細集料進行檢測，集料的技術(shù)指標檢測結(jié)果見表3。填料采用石灰?guī)r磨細的礦粉，無潮濕結(jié)團現(xiàn)象。

表3 集料的技術(shù)指標檢測結(jié)果Table 3 Technical parameters of aggregate

2.2 配合比設(shè)計

依據(jù)貝雷法，瀝青混合料集料的關(guān)鍵篩孔應(yīng)為最大公稱粒徑的0.22倍，PAC-10和PAC-13的第1關(guān)鍵篩孔均為2.36 mm[10]。且研究表明2.36 mm篩孔對透水瀝青混合料空隙率的影響最為顯著[11]。因此在PAC-10和PAC-13礦料級配范圍內(nèi)各選取3條級配曲線，選取標準為：3條級配曲線0.6 mm篩孔以下和4.75 mm以上篩孔通過率相等，其他篩孔的通過率由級配3到級配1梯級增大。PAC-10和PAC-13礦料合成級配見表4。

表4 PAC-10和PAC-13混合料的礦料合成級配Table 4 Aggregate composite grading of PAC-10 and PAC-13

PAC-10油石比在4.5%～6.5%范圍以0.5%為間隔擬定為5個油石比水平，PAC-13油石比在4.0%～6.0%范圍以0.5%為間隔擬定為5個油石比水平。采用馬歇爾方法成型試件，擊實次數(shù)為雙面擊實50次，進行析漏和飛散損失試驗，每組3次平行試驗，取平均值。由析漏和飛散損失試驗確定的油石比最大值和最小值有可能出現(xiàn)最大值小于最小值的情況，此情況下需重新進行試驗，以保證最大值大于最小值。最小值和最大值之間的油石比范圍在理論上均符合設(shè)計要求[1]，筆者統(tǒng)一采用最小值和最大值平均值作為最佳油石比。PAC-10和PAC-13混合料飛散試驗和析漏試驗結(jié)果見表5。

表5 不同級配透水瀝青混合料的最佳油石比試驗結(jié)果Table 5 Optimum oil stone ratio of different permeable asphalt mixtures %

圖1以PAC-13-2級配為例，繪制飛散損失、析漏損失與油石比的關(guān)系，進而確定最佳油石比。由圖1知，滿足析漏和飛散損失試驗要求的適宜瀝青用量范圍為4.87%～5.05%，取平均值后為5.0%，即PAC-13-2級配的最佳油石比為5.0%。不同級配透水瀝青混合料的最佳油石比見表6。

圖1 PAC-13-2飛散損失、析漏損失與油石比Fig. 1 Scattering loss and leakage loss of PAC-13-2 versus oil stone ratio

表6 不同級配透水瀝青混合料的最佳油石比試驗結(jié)果Table 6 Results of Optimum oil stone ratio of different permeable asphalt mixtures %

3 透水性能及路用性能研究

3.1 透水性能

3.1.1 空隙率分布特性

瀝青混合料的空隙率包括開口空隙、半開口空隙和閉口空隙，開口空隙為有兩端與外界連通的空隙，半開口空隙為僅有一端與外界連通的空隙，而閉口空隙則與外界無連通。顯然閉口空隙為瀝青混合料內(nèi)部的密閉空間，不承擔透水功能，稱之為無效空隙；而開口空隙和半開口空隙則會影響透水瀝青混合料的滲透性能，稱之為有效空隙。有效空隙百分率的計算依據(jù)式(3)～式(5)計算：

(3)

V=V總-V0

(4)

(5)

式中：P有效為試件連通空隙百分率，%；V有效為試件的有效空隙的體積，cm3；V總為試件的總體積，cm3；V0為集料、瀝青和內(nèi)部密閉空隙的體積之和，cm3；ma和mw分別為試件的空中重和水中重，g；ρw為水的密度，g/cm3。

不同級配透水瀝青混合料的空隙率試驗結(jié)果見表7和圖2。

表7 透水瀝青混合料空隙分布特性試驗結(jié)果Table 7 Results of void distribution characteristics of permeable asphalt mixtures %

圖2 透水瀝青混合料空隙分布特性柱形圖Fig. 2 Bar chart of void distribution characteristics of permeable asphalt mixtures

由表7和圖2知，隨著0.6～4.75 mm篩孔通過率降低，PAC-10和PAC-13瀝青混合料的空隙率分布特性表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律，隨著0.6～4.75 mm集料含量的降低，空隙率、有效空隙率和有效空隙率百分比均增大。相比而言，PAC-13-1空隙率較PAC-10-1大6.6%，PAC-13-2空隙率和PAC-10-2基本相等，而PAC-13-3的空隙率反而小于PAC-10-3，表明0.6～4.75 mm集料含量對PAC-10的空隙率的影響較PAC-13更為顯著；3種級配的PAC-13混合料的有效空隙率百分比均顯著大于PAC-10，表明不同最大公稱粒徑(NMAS)透水瀝青混合料的空隙率分布狀態(tài)不同，隨著NMAS的增大以及粗集料增多，瀝青混合料中有效空隙率百分比增大。原因是由于PAC-13具有更大的NMAS，殘余空隙率雖然相差不大，但集料粒度特性的不同導致瀝青混合料內(nèi)部的空隙分布狀態(tài)不同，使得瀝青的有效瀝青飽和度(VFA)和填充狀態(tài)出現(xiàn)差異。

3.1.2 透水系數(shù)

在透水瀝青混合料中“無效空隙”不承擔透水功能，“有效空隙”才是影響其透水性能的直接因素。因此，既然有效空隙率是影響透水瀝青混合料透水性能的直接因素，仍然采用空隙率作為優(yōu)化和評定透水瀝青混合料的透水性能的指標顯然存在疑問。故有必要對空隙率和有效孔隙率與透水系數(shù)的相關(guān)性進行分析。采用常水頭試驗測試透水系數(shù)，試驗溫度為25 ℃，試件采用馬歇爾試件，測試結(jié)果如表8。排水瀝青路面設(shè)計與施工技術(shù)細則規(guī)定透水系數(shù)需滿足大于等于0.20 cm/s的要求。由表7可知，對不同級配類型(PAC-13和PAC-10)的粗、中、細3個級配配制的瀝青混合料的空隙率進行比較，PAC-13和PAC-10的空隙率相差不大，相對偏差均在10%以內(nèi)。而表8中，PAC-13和PAC-10混合料的透水系數(shù)均能滿足大于等于0.20 cm/s的要求。對粗、中或細級配，PAC-13的透水系數(shù)均遠大于PAC-10，其中PAC-13-1透水系數(shù)較PAC-10-1大20.2%。綜合表7和表8，同種透水瀝青混合料中隨著空隙率或有效空隙的增大，透水系數(shù)隨之增大，表明同種透水瀝青混合料的透水性能同空隙率或有效空隙存在正相關(guān)關(guān)系；而PAC-13-3的空隙率小于PAC-10-3，透水系數(shù)反而大于PAC-10-3，表明不同透水瀝青混合料間的透水性能不能單純依據(jù)空隙率來反映，空隙率大并不意味著透水性能好。而相比空隙率指標，有效空隙率指標看似同透水瀝青混合料的透水性能存在正相關(guān)關(guān)系，故采用指數(shù)模型(如式6)對PAC-10和PAC-13的透水性能與空隙率(有效空隙率)的關(guān)系進行回歸分析，回歸結(jié)果見圖3。

Crw=αeβV

(6)

式中：α和β為回歸系數(shù)；V為空隙率或有效空隙率，%。

表8 不同級配透水瀝青混合料透水系數(shù)試驗結(jié)果Table 8 Results of permeation coefficients of permeable asphalt mixtures cm/s

圖3 透水瀝青混合料透水系數(shù)與空隙率(有效空隙率)Fig. 3 Permeation coefficients of permeable asphalt mixtures versus void ratio (effective void ratio)

由圖3知，透水瀝青混合料透水系數(shù)與有效空隙率存在良好的指數(shù)關(guān)系(R2=0.990 4)，而透水系數(shù)與空隙率卻不存在高度相關(guān)關(guān)系(R2=0.552 0)。表明采用有效空隙率能夠較好的反映同種或不同種透水瀝青混合料的透水性能，故有效空隙率作為透水瀝青混合料的透水性能的評價指標更為合理。

3.2 路用性能研究

雖然透水瀝青混合料的基本功能是滿足透水性能的要求，但是作為瀝青路面材料，同時需滿足路用性能的要求。因此，對比研究了不同級配的PAC-10和PAC-13混合料的路用性能，包括高溫性能、低溫性能和水穩(wěn)定性的路用性能。其中PAC-10和PAC-13混合料的低溫性能采用瀝青混合料彎曲試驗測試，試驗步驟依據(jù)JTG E20-2011 T0715-2011的方法，試驗溫度為-10 ℃，加載速率為50 mm/min。試驗結(jié)果見表9。

表9 透水瀝青混合料路用性能試驗結(jié)果Table 9 Pavement performance results of permeable asphalt mixtures

采用車轍試驗的動穩(wěn)定度來評定透水瀝青混合料的高溫性能，由表9可知，不同透水瀝青混合料的動穩(wěn)定度均滿足大于6 000次/mm的要求，且隨著粗集料增多，同種透水瀝青混合料的動穩(wěn)定度增大。相比而言，3種PAC-13混合料的動穩(wěn)定度大都大于PAC-10，PAC-10-2與PAC-13-2的空隙率基本相等，而PAC-13-2的動穩(wěn)定度較PAC-10-2大19.2%。表明，PAC-13混合料的抗車轍性能一般較PAC-10好，這與公稱粒徑較大的瀝青混合料具有較好的高溫性能的工程經(jīng)驗一致。

破壞應(yīng)變大、勁度模量小，則瀝青混合料的低溫性能好；反之，低溫性能差。由表9可知，不同級配PAC-10混合料的勁度模量均小于PAC-13混合料，表明PAC-10混合料低溫性能優(yōu)于PAC-13混合料。隨著粗集料增多，同種透水瀝青混合料的勁度模量增大，低溫性能降低。

采用浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度(RMS)和凍融劈裂殘留強度比(TSR)評價透水瀝青混合料的水穩(wěn)定性，PAC-10混合料的RMS值和TSR值大都大于PAC-13混合料，表明PAC-10透水瀝青混合料的水穩(wěn)定性優(yōu)于PAC-13混合料。

4 結(jié) 論

1) PAC-13混合料的有效空隙率百分比均顯著大于PAC-10，原因可能是PAC-13具有更大的NMAS，導致瀝青混合料內(nèi)部的空隙分布狀態(tài)不同，使得瀝青的有效瀝青飽和度(VFA)和填充狀態(tài)出現(xiàn)差異。

2) 透水瀝青混合料透水系數(shù)與有效空隙率存在良好的指數(shù)關(guān)系，與空隙率相關(guān)關(guān)系較小，采用有效空隙率指標可反映同種或不同種透水瀝青混合料的透水性能。

3) 隨著粗集料增多，同種透水瀝青混合料的高溫性能增強，水穩(wěn)定性和低溫性能降低；相比而言，PAC-10透水瀝青混合料較PAC-13具有更好的水穩(wěn)定性和低溫性能，而高溫性能相對較差。

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