透水瀝青路面空隙堵塞及清理方式研究綜述

史 宇 王穎慧 鄭樂(lè)樂(lè) 何 敏 樊惠彬 馬麗虹

（1.晉中市交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 晉中 030082；2.長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引言

透水瀝青混凝土路面是一種允許地表徑流下滲的環(huán)保型鋪裝，其多孔結(jié)構(gòu)具有削減地表徑流、過(guò)濾污染物、抗滑、降噪、融化冰雪和調(diào)節(jié)地表溫濕度等功能，由于路面上的固體顆粒不斷積累，下滲的雨水?dāng)y帶固體顆粒堵塞了路面空隙，大大降低了透水路面的滲水功能，甚至使透水路面逐漸演變成不透水路面，入滲到道路內(nèi)部的水分不能及時(shí)排出，使路面處于飽和狀態(tài)，降低了瀝青與集料之間的粘附力，導(dǎo)致路面的強(qiáng)度和穩(wěn)定性下降。

本文從透水瀝青路面的堵塞物顆粒，室內(nèi)模擬堵塞試驗(yàn)，空隙堵塞的評(píng)價(jià)方法、關(guān)鍵粒徑、影響因素及空隙清理方法等方面，綜述透水瀝青路面空隙堵塞的研究成果，為透水瀝青路面的空隙養(yǎng)護(hù)提供參考。

1 透水瀝青路面堵塞物顆粒研究

1.1 堵塞物顆粒來(lái)源

（1）瀝青路面材料自身的磨損，如剝落的集料、石屑等。

（2）輪胎與路面之間磨損產(chǎn)生的橡膠顆粒。

（3）路面上的粉塵、砂土、黏土等固體顆粒。

（4）道路使用或行車過(guò)程中產(chǎn)生的廢物，如冬季融雪劑的使用、車輛機(jī)油泄露、土方車拋灑等。

（5）道路旁邊的綠化帶產(chǎn)生的廢棄物，如落葉、草屑、油脂等[1-3]。

1.2 堵塞物顆粒收集方式

（1）利用排水路面功能恢復(fù)車進(jìn)行清洗和收集堵塞物。這種方式收集堵塞物較為省力，但容易將粒徑較小的顆粒沖洗進(jìn)路面空隙深處，使收集到的堵塞物粒徑不全，影響后期對(duì)堵塞物顆粒粒徑的分析。

（2）采用人工清掃的方式進(jìn)行收集，如用毛刷從四周向中心清掃，用鑷子取出大塊紙屑、煙頭等垃圾。這種方式較為費(fèi)力，但收集到的堵塞物顆粒粒徑較為全面[4-6]。

1.3 堵塞物顆粒粒徑分析

不同地域的透水瀝青路面，其堵塞物顆粒粒徑分布差異較大。根據(jù)以往研究的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，堵塞物顆粒在經(jīng)過(guò)烘干、篩分后，平均粒徑介于0~4.75mm 之間，其中平均43%的堵塞物顆粒能透過(guò)0.75mm 孔徑篩，80%以上的堵塞物粒徑在0.5mm 以下[5-7]。粒徑在1.18~2.36mm 和0.3~0.6mm 之間的堵塞物對(duì)路面透水能力影響較大，粒徑在0.6~1.18mm 和0.15~0.3mm 之間的堵塞物對(duì)路面透水能力影響較小[8]。

2 透水瀝青路面堵塞的模擬試驗(yàn)方法

在室內(nèi)進(jìn)行透水瀝青路面堵塞的模擬試驗(yàn)可以定量分析各個(gè)因素對(duì)堵塞的影響程度。

2.1 試件類型

堵塞試驗(yàn)所用的試件主要有單層車轍板試件、單層小馬歇爾試件、單層大馬歇爾試件和雙層車轍板試件、雙層小馬歇爾試件、雙層大馬歇爾試件，試件的混合料類型多為PAC-10、PAC-13 和PAC-20。其中，車轍板試件的表面面積比馬歇爾試件表面面積大，與路面實(shí)際狀況更為接近，但在撒布堵塞物顆粒時(shí)難以在整個(gè)面積中撒勻，對(duì)堵塞后的滲透效果的測(cè)定有一定的影響；馬歇爾試件表面面積較小，更容易均勻撒布堵塞物顆粒，常常與研究者自行設(shè)計(jì)的堵塞模擬裝置配套使用，能夠較為方便地測(cè)定多孔瀝青混合料堵塞前后的滲透效果[5][9-10]。

單層試件模擬的是只有一層面層的多孔瀝青路面，而雙層試件模擬的是具有上、下面層多孔瀝青路面[11]，通常下面層多孔瀝青路面混合料的最大公稱粒徑大于上面層多孔瀝青路面混合料的最大公稱粒徑。

2.2 堵塞物材料的選擇

研究發(fā)現(xiàn)粒徑超過(guò)4.75mm的堵塞物不易進(jìn)入透水瀝青路面的空隙中，因此堵塞物材料的粒徑通常選擇在0~4.75mm 之間。駱輝采用細(xì)砂（0.015~0.6mm）、粗砂（0.6~2.36mm）及全級(jí)配砂（0.15~2.36mm）作為堵塞物[1]；李波采用篩分后的0~0.2mm 的雜土進(jìn)行堵塞試驗(yàn)[7]；鄢陽(yáng)將不同比例的砂土和黏土配制成高黏聚力土、中黏聚力土、無(wú)黏聚力土作為堵塞劑[12]；蔣瑋采用粒徑在0~0.3mm 的細(xì)砂顆粒作為堵塞物[13]；吳立報(bào)采用粒徑為4.75~2.36mm、2.36~0.6mm、0.6~0.3mm 和0.3~0mm 共4檔集料模擬顆粒堵塞物[14]；周明剛采用粒徑大于0.75mm的砂性土和粒徑小于0.75mm的黏性土作為堵塞物[15]；朱云奇采用0.75~2.36mm 的標(biāo)準(zhǔn)砂作為堵塞物[16]；王若宇采用粒徑小于0.075mm 的黃土和粒徑大于0.075mm 的砂作為堵塞物[17]；王元采用粒徑分別為1.18~2.36mm、0.6~1.18mm、0.3~0.6mm、0.15~0.3mm、0.075~0.15mm 以及小于0.075mm的單一級(jí)配堵塞物和混合級(jí)配堵塞物[3]。

2.3 灑水方式

在多孔瀝青混合料試件上撒布堵塞物顆粒后，需要噴灑水分來(lái)模擬降雨沖刷狀態(tài)，灑水方式主要有人工灑水模擬降雨、自行設(shè)計(jì)的降雨裝置模擬降雨和動(dòng)水沖刷儀模擬降雨[1][7][12][18]。其中，人工灑水方式較為簡(jiǎn)易，但與實(shí)際降雨?duì)顟B(tài)差距較大。自行設(shè)計(jì)的降雨模擬裝置包括降雨噴頭、裝試件的套筒和流速傳感器，通過(guò)調(diào)節(jié)噴頭流速的大小來(lái)模擬不同降雨強(qiáng)度，較為方便和準(zhǔn)確。動(dòng)水沖刷儀主要模擬的是水分入滲至透水瀝青路面的空隙中，在行車荷載的作用下產(chǎn)生反復(fù)動(dòng)水沖刷的情況。

2.4 堵塞方法

在多孔瀝青混合料上撒布堵塞顆粒的方法主要有濕堵法和干堵法。濕堵法又叫蝕液加灌法，即將堵塞材料與水按比例配制成蝕液，用撒水壺均勻加灌。干堵法又叫干土堵塞法，即將配制好的干土樣分次均勻撒在板件表面，再用少量水潤(rùn)濕[7][12]。

濕堵法由于蝕液流動(dòng)性較大，造成的堵塞深度比干堵法大，更接近實(shí)際的透水瀝青路面堵塞情況，但濕堵法在短時(shí)間內(nèi)不能充分堵塞試件，不能滿足堵塞試驗(yàn)過(guò)程中不同堵塞程度的要求。干堵法模擬出的試件堵塞狀態(tài)與實(shí)際路面堵塞狀態(tài)差距較大，堵塞物顆粒大部分只堵塞在試件表面，難以進(jìn)入試件底部。因此，李波[7]改進(jìn)了堵塞方法，采用雙面堵塞的干堵法，即用較大顆粒堵塞試件正面，用小顆粒堵塞試件背面，這種方法模擬出的試件堵塞狀態(tài)和真實(shí)路面狀態(tài)比較接近。

3 透水瀝青路面空隙堵塞程度的評(píng)價(jià)方法及關(guān)鍵粒徑

3.1 評(píng)價(jià)方法

評(píng)價(jià)透水路面空隙堵塞程度的方法主要有滲透系數(shù)法、電阻率法、CT掃描法和噪聲法[1][6][9][18]。

滲透系數(shù)主要通過(guò)常水頭或變水頭滲透儀來(lái)測(cè)量，通過(guò)直接對(duì)比堵塞前板件的初始滲透系數(shù)和堵塞后的滲透系數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)多孔瀝青混合料的堵塞程度[26]。滲透系數(shù)的測(cè)量?jī)x器簡(jiǎn)單，可用于室內(nèi)堵塞試驗(yàn)和室外實(shí)際道路檢測(cè)，因此，使用滲透系數(shù)評(píng)價(jià)空隙堵塞程度的研究者較多，但由于試驗(yàn)過(guò)程中人工操作誤差較大，需要多次測(cè)量取平均值。

電阻率法是利用堵塞程度高的地方離子濃度低的規(guī)律來(lái)表征試件空隙的堵塞情況，該方法操作簡(jiǎn)單，但只能在室內(nèi)進(jìn)行模擬，無(wú)法用于室外道路的測(cè)量。

CT 掃描法是指使用CT 設(shè)備掃描做完堵塞試驗(yàn)的試件或在透水瀝青路面中鉆芯取樣得到的樣品，通過(guò)圖像處理技術(shù)得到試件內(nèi)部的空隙堵塞狀態(tài)。CT 掃描法具有良好的精確度和直觀性，但是方法測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，不夠便捷。

噪聲大小受路面的堵塞程度的影響，隨著透水瀝青路面的堵塞狀態(tài)劣化，路面噪聲逐漸增大。測(cè)量路面噪聲大小能夠評(píng)價(jià)路面空隙堵塞程度，但每條透水路面的噪聲情況不同，不能用同一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)所有路面。

3.2 關(guān)鍵粒徑

研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于PAC-13 而言，0.15~2.36mm 是造成混合料堵塞的關(guān)鍵粒徑，其中粒徑為1.18mm 的堵塞物主要堵塞路表面的空隙，而粒徑為0.15mm 的顆粒主要進(jìn)入空隙內(nèi)部，是造成內(nèi)部連通空隙堵塞的關(guān)鍵粒徑；對(duì)于PAC-10 和PAC-20 而言，0.3~0.6mm 是堵塞混合料的關(guān)鍵粒徑；對(duì)于PAC-16 而言，0.6~1.18mm 是堵塞混合料的關(guān)鍵粒徑[12-13][19-21]。多孔瀝青混合料顆粒堵塞空隙情況如圖1所示。

圖1 多孔瀝青混合料顆粒堵塞空隙

4 影響透水瀝青路面堵塞程度的因素

透水瀝青路面堵塞程度的影響因素主要有降雨強(qiáng)度、堵塞物級(jí)配、路面空隙率和溫度[5][7][9][22]。

4.1 降雨強(qiáng)度

降雨強(qiáng)度越大，雨后殘留在透水瀝青路面表面的細(xì)砂總質(zhì)量越少，研究發(fā)現(xiàn)，降雨過(guò)后，0.3~0.6mm粒徑范圍內(nèi)的堵塞物明顯減少，這是因?yàn)榻涤陱?qiáng)度較小時(shí)，大顆粒聚集于空隙通道口附近，阻礙了小顆粒的移動(dòng)；而降雨強(qiáng)度較大時(shí)，小顆粒物質(zhì)在水流沖擊下，能夠強(qiáng)行穿過(guò)大顆粒進(jìn)行移動(dòng)[12]。

4.2 堵塞物級(jí)配

比起單一級(jí)配，連續(xù)級(jí)配的堵塞物造成瀝青路面堵塞的程度更大，如圖2 所示，在全級(jí)配堵塞物情況下，大顆粒在堵塞了較大空隙后，小顆粒填充進(jìn)了小空隙，使水分透過(guò)的空間大大減小。且同樣情況下，偏細(xì)型級(jí)配比偏粗型級(jí)配更容易導(dǎo)致空隙的堵塞[12-14][23-24]。

圖2 不同級(jí)配砂堵塞狀態(tài)示意圖

4.3 路面空隙率

研究發(fā)現(xiàn)路面空隙率過(guò)大或者過(guò)小都容易造成空隙堵塞，當(dāng)路面空隙率較大時(shí)，路面內(nèi)部空隙數(shù)量多、尺寸大，小顆粒會(huì)隨著水分進(jìn)入到路面內(nèi)部，增大了小顆粒在空隙中聚集的可能性；而當(dāng)路面空隙率較小時(shí)，空隙尺寸小，連通空隙率低，進(jìn)入路面的小顆粒容易堵塞內(nèi)部通道[10][15][19][25]。

4.4 溫度

隨著路面溫度的升高，細(xì)顆粒堵塞物更容易集中堵塞在路面表面形成封層，原因是多孔瀝青混合料的瀝青軟化后容易粘附細(xì)小的顆粒物，引起空隙率的衰變，加重空隙堵塞情況[14]。

5 透水瀝青路面空隙清理方法

透水瀝青路面的空隙清理方法主要有預(yù)防性養(yǎng)護(hù)法、人工掃刷法、真空抽吸塵式清理法、壓力水沖洗式清理法[19][26][27]。

預(yù)防性養(yǎng)護(hù)法是通過(guò)清洗液與超聲波發(fā)生空化作用使空隙內(nèi)堵塞物脫落，這種方法適用于路面使用時(shí)間不長(zhǎng)，堵塞程度較輕的情況。

人工掃刷法只能清除路表面的堵塞顆粒，清除的深度最小，效果極為有限。

真空抽吸塵式清理法是利用真空抽吸作用，將空隙中的堵塞物吸出。由于吸力受到限制，對(duì)于使用年限較長(zhǎng)、堵塞情況較重的路面難以起到顯著效果，因此適用于小空隙淺層堵塞的路面。

壓力水沖洗式清理法是利用高壓水使空隙中的堵塞物向路面內(nèi)部移動(dòng)，從而恢復(fù)面層的透水能力，且水壓越大，對(duì)于路面的清洗深度越大，清洗效果最為明顯，適用于被粉質(zhì)土堵塞的透水瀝青路面。閆玉奎提出了一種以高壓水為工作介質(zhì)、基于空洞現(xiàn)象和氣穴效應(yīng)的排水性路面機(jī)能恢復(fù)設(shè)備，經(jīng)過(guò)該設(shè)備數(shù)次清洗，路面滲透系數(shù)能夠恢復(fù)到初始滲透系數(shù)的60%~70%[28]。白子玉設(shè)計(jì)了2 種設(shè)備組合模擬現(xiàn)有清孔設(shè)備中高壓噴水及負(fù)壓軸功能，確定清孔的最佳方案，對(duì)恢復(fù)路面滲水性能有顯著效果[29]。

研究發(fā)現(xiàn)透水瀝青路面的堵塞經(jīng)過(guò)路面空隙清理后，路面的滲透系數(shù)能恢復(fù)到初始滲透系數(shù)的65%左右，且空隙清理效果與清理時(shí)機(jī)關(guān)系密切。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜合上述研究，得到以下結(jié)論：

（1）堵塞物收集方式宜采用人工毛刷收集，且由于堵塞物顆粒來(lái)源廣泛，不同地域的堵塞物粒徑存在差距，但大多堵塞物的粒徑在0~4.75mm之間。

（2）堵塞試驗(yàn)宜采用雙面干堵的方式，較大粒徑的堵塞顆粒撒布在試件正面，較小粒徑的堵塞顆粒撒布在試件背面，這種方法模擬出的試件堵塞狀態(tài)和真實(shí)路面狀態(tài)比較接近。

（3）評(píng)價(jià)透水路面空隙堵塞試驗(yàn)方法中，相較于電阻率法、CT 掃描法、噪聲法，滲透系數(shù)法更適合用于室內(nèi)堵塞試驗(yàn)和室外實(shí)際道路檢測(cè)，因此推薦使用滲透系數(shù)法。

（4）影響堵塞程度的因素中，降雨強(qiáng)度越大，空隙中的顆粒物越容易被沖入到路面內(nèi)部，路面的堵塞程度越低；堵塞物組成級(jí)配越良好，路面越容易堵塞；路面空隙率太大或太小，路面均容易堵塞；環(huán)境溫度越高，路面越易堵塞。

（5）在各種空隙清理方式中，高壓水沖洗對(duì)路面滲透能力的恢復(fù)效果最為明顯，在高壓水沖洗之后，路面滲透系數(shù)可以恢復(fù)到初始滲透系數(shù)的60%~70%。