基于常水頭滲透試驗(yàn)的PAC排水和抗堵塞能力

王宏暢　葛　輝　周明剛

(1南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京　210037)(2京都大學(xué)大學(xué)院工學(xué)研究科，日本京都　615-8540)

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基于常水頭滲透試驗(yàn)的PAC排水和抗堵塞能力

王宏暢1，2葛輝1周明剛1

(1南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210037)
(2京都大學(xué)大學(xué)院工學(xué)研究科，日本京都615-8540)

摘要:為研究多空隙瀝青路面的排水堵塞行為特性，通過(guò)自制常水頭滲透測(cè)試裝置，模擬多空隙瀝青混合料(PAC)的循環(huán)堵塞試驗(yàn)，選用具有一定級(jí)配的細(xì)集料作為堵塞劑，測(cè)試其滲透系數(shù)．研究空隙率、最大公稱粒徑、級(jí)配類型等變化對(duì)PAC的排水及抗堵塞能力的影響規(guī)律．結(jié)果表明: PAC空隙率越大，其排水能力越強(qiáng)，抗堵塞的能力也越強(qiáng); PAC的最大粒徑變化對(duì)其排水能力沒有明顯的影響，但最大公稱粒徑較大的PAC試件抗堵塞的效果更好;與細(xì)型級(jí)配相比，粗型級(jí)配PAC的排水及抗堵塞能力更強(qiáng);多孔瀝青混合料PAC-13發(fā)生堵塞的位置集中在試件最上部的40 mm內(nèi)，粒徑為0．15～2．36 mm的顆粒則是造成混合料空隙堵塞的關(guān)鍵．

關(guān)鍵詞:道路工程;多空隙瀝青混合料;空隙率;最大粒徑;滲透系數(shù);堵塞試驗(yàn)

引用本文:王宏暢，葛輝，周明剛．基于常水頭滲透試驗(yàn)的PAC排水和抗堵塞能力［J］．東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2016，46(1) : 209－214．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．034．

多空隙瀝青路面具有抗滑性能高、噪聲低、抑制雨天行車水霧、防止高速行車“水漂”、減輕夜晚行車眩光等技術(shù)特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)增進(jìn)道路安全性、提高雨天行車舒適性、減少交通噪聲等三大路面服務(wù)性能優(yōu)勢(shì)，在歐、美、日等國(guó)得到了廣泛應(yīng)用，但多空隙瀝青路面在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中碎石、土粒、灰塵及輪胎磨耗物的堵塞會(huì)導(dǎo)致路面服務(wù)性能衰減．國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)多空隙瀝青路面排水及堵塞進(jìn)行了相關(guān)研究，裴建中等［1］、汪海年等［2］研究了PAC的內(nèi)部空隙信息;文獻(xiàn)［3－5］主要研究了PAC的滲透性能并測(cè)試推導(dǎo)了入滲模型．Hamzah［6］研究了單層和雙層PAC的抗堵塞性能;文獻(xiàn)［7］研究了堵塞料用量對(duì)PAC的抗堵塞性能的影響．Fwa等［8］認(rèn)為瀝青混合料的級(jí)配越均勻，則堵塞物質(zhì)會(huì)越容易滯留在混合料內(nèi)，導(dǎo)致其越容易被堵塞．Jansen等［9］認(rèn)為多空隙瀝青路面堵塞原因是因?yàn)閷拥仔纬闪擞苫覊m、砂、輪胎的橡膠、油等組成的濕污泥．Deo等［10］觀察記錄了路面主要的堵塞物質(zhì)為細(xì)土、砂石顆粒和碎有機(jī)材料．Chopra等［11］觀察了使用期中的透水混凝土空隙間堵塞物質(zhì)的粒徑分布，發(fā)現(xiàn)平均43%的堵塞物質(zhì)能透過(guò)0．075 mm孔徑篩，是和黏土一樣細(xì)的沙子．對(duì)于多空隙瀝青混合料的排水堵塞性能的評(píng)價(jià)應(yīng)包括多空隙瀝青混合料的初始排水能力和多空隙瀝青混合料的抗堵塞能力2個(gè)階段．從相關(guān)研究可以看出，PAC排水能力和抗堵塞能力的研究還不系統(tǒng)完整，結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)等對(duì)混合料排水堵塞性能的影響還不清楚，易堵塞物質(zhì)的粒徑分布并不明確．

因此，本文選用適當(dāng)?shù)亩氯麆?，針?duì)不同空隙率和最大公稱粒徑的PAC試件，基于常水頭滲透裝置進(jìn)行多周期排水堵塞試驗(yàn)．通過(guò)測(cè)試滲透系數(shù)，計(jì)算殘余滲透能力，系統(tǒng)研究空隙率、最大公稱粒徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)PAC排水能力和抗堵塞能力的影響規(guī)律．

1　試驗(yàn)方法

1．1常水頭滲透試驗(yàn)

本文進(jìn)行的常水頭滲透試驗(yàn)的大馬歇爾不脫模滲透儀［4－5］如圖1所示．

滲透系數(shù)k的計(jì)算公式如下:

式中，Q為t時(shí)間段內(nèi)滲透經(jīng)過(guò)試件的水質(zhì)量，g;ρw為水的密度，g/cm3; L為試件的有效長(zhǎng)度，cm; A為試件的橫截面面積，cm2; h1，h2為兩測(cè)壓管的水位高度讀數(shù)，cm; i為水力梯度; h1－h(huán)2為水頭差，cm．

1．2循環(huán)堵塞試驗(yàn)

循環(huán)堵塞試驗(yàn)設(shè)計(jì)目的是通過(guò)測(cè)試堵塞過(guò)程中試件的滲透系數(shù)，評(píng)價(jià)多空隙瀝青混合料的抗堵塞性能．多空隙瀝青混合料堵塞試驗(yàn)具體的步驟如下:

①采用常水頭滲透試驗(yàn)測(cè)試試件的初始滲透系數(shù)k(0)．

②打開滲透裝置，取出試件，在試件表面均勻撒布堵塞細(xì)料5 g．

③搖振試件30 s，同時(shí)向試件表面均勻注水250 mL．

④再次測(cè)定滲透系數(shù)，計(jì)算殘余滲透能力．

⑤重復(fù)步驟②～④，直至滲透系數(shù)低于某一數(shù)值．參考文獻(xiàn)［12］，當(dāng)滲透系數(shù)小于0．03 cm /s時(shí)，認(rèn)為該試件已被堵住而喪失透水能力，不再進(jìn)行堵塞試驗(yàn)．

圖1　滲透裝置示意圖

評(píng)價(jià)多空隙瀝青混合料的n次堵塞后殘余滲透能力計(jì)算式為

式中，γ(n)為n次堵塞后試件的殘余滲透能力，%; k(n)為n次堵塞后試件的滲透系數(shù)，cm /s．

在相同的堵塞細(xì)料以及n次堵塞后，再次測(cè)定試件的滲透系數(shù)．再次測(cè)定的滲透系數(shù)越大，表明試件受堵塞的影響越小，則該試件抗堵塞能力越強(qiáng);相反，再次測(cè)定的滲透系數(shù)越小，則試件的抗堵塞的能力越差．

1．3試件制備

本文選擇檢驗(yàn)合格的玄武巖粗、細(xì)集料和石灰?guī)r礦粉，設(shè)計(jì)5種不同配合比和不同級(jí)配類型的PAC(見表1)．試件相應(yīng)的空隙率和集料最大粒徑等參數(shù)見表2．

2　PAC的排水性能

2．1空隙率的影響

空隙率的大小直接影響多孔介質(zhì)的滲透性能，通過(guò)常水頭滲透試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，空隙率與多空隙瀝青混合料的滲透系數(shù)具有很好的相關(guān)性，不同多空隙瀝青混合料的空隙率和滲透系數(shù)的關(guān)系如圖2所示．隨著空隙率的增大，滲透系數(shù)也增大．從2組以空隙率為變化梯度的試驗(yàn)組來(lái)看，滲透系數(shù)與空隙率的相關(guān)性極高．滲透系數(shù)和空隙率的線性回歸公式為

表1　不同級(jí)配瀝青混合料篩孔質(zhì)量通過(guò)百分率

表2　試件空隙率和集料最大粒徑

式中，Va為混合料的空隙率，%; R為相關(guān)系數(shù)．

圖2　PAC滲透系數(shù)和空隙率一階回歸曲線

2．2級(jí)配和最大公稱粒徑的影響

圖3為最大公稱粒徑不同、空隙率相近的試件滲透系數(shù)比較．圖中，PAC-13，PAC-16分別為最大公稱粒徑13，16 mm的多空隙瀝青混合料．由圖中7#和5#試件與4#和2#試件相比發(fā)現(xiàn)，在空隙率相近的情況下，PAC-16試件的滲透系數(shù)要高于PAC-13．雖然最大公稱粒徑為13的6#和9#試件的滲透系數(shù)高于最大公稱粒徑為16的8#和3#試件，但是6#和9#試件的空隙率大于8#和3#試件．由于空隙率對(duì)PAC試件透水能力有明顯的影響，其相應(yīng)試件的透水能力可能也受到空隙率的影響．因此最大公稱粒徑對(duì)多空隙瀝青混合料滲透系數(shù)的影響要比空隙率的影響?。诳障堵氏嗤那闆r下，提升最大公稱粒徑，總體上對(duì)PAC的初始排水性能有一定提高，但提高程度有限．

圖3　不同最大公稱粒徑的PAC滲透系數(shù)

3　PAC的抗堵塞性能影響因素

3．1空隙率的影響

撒布堵塞細(xì)料的次數(shù)與空隙率之間的關(guān)系見圖4．由圖可知，隨著空隙率的增加，撒布堵塞細(xì)料使試件滲透系數(shù)小于0．03 cm /s的次數(shù)也相應(yīng)增多．空隙率約16%的試件撒布堵塞細(xì)料3次(堵塞細(xì)料15 g)即會(huì)被堵塞，而空隙率約21%的試件撒布堵塞細(xì)料5次(堵塞細(xì)料25 g)才會(huì)被堵塞．多空隙瀝青混合料的抗堵塞性能隨著空隙率的增大而增大．隨著空隙率的變化可以看出，每一次加載堵塞細(xì)料，空隙率大的多空隙瀝青混合料試件的殘留滲透能力就越大．這說(shuō)明空隙率越高，抗堵塞性能也就越強(qiáng)．第3次撒布堵塞細(xì)料后，空隙率18%以上的試件的滲透系數(shù)均大于0．03 cm /s，當(dāng)空隙率從16%增加至23%，3次堵塞試驗(yàn)后，試件平均殘余滲透能力也從24%增加至65%．

圖4　PAC空隙率、堵塞次數(shù)及滲透系數(shù)之間的關(guān)系

3．2級(jí)配和最大公稱粒徑的影響

選用粗、細(xì)級(jí)配PAC-13(表1中的級(jí)配V和級(jí)配Ⅰ)進(jìn)行了排水堵塞的比較試驗(yàn)．由圖5可以看出，每次加載堵塞細(xì)料，粗級(jí)配混合料的殘余滲透能力要大于細(xì)級(jí)配混合料的殘余滲透能力．這說(shuō)明相同空隙率條件下，粗級(jí)配的多空隙瀝青混合料的抗堵塞能力要強(qiáng)于細(xì)級(jí)配的混合料．

圖5　粗、細(xì)級(jí)配PAC-13滲透系數(shù)和殘余滲透能力

圖6　PAC-13，PAC-16滲透系數(shù)和殘余滲透能力(空隙率為21%)

圖7　PAC-13，PAC-16滲透系數(shù)和殘余滲透能力(空隙率為16%)

由圖6和圖7可以看出，在空隙率相近、堵塞次數(shù)相同時(shí)，試件的最大公稱粒徑越大，抗堵塞能力越強(qiáng)．加載堵塞細(xì)料至試件滲透系數(shù)小于0．03 cm /s時(shí)，最大公稱粒徑為16的試件殘余滲透能力平均要比最大公稱粒徑為13的試件大12%．

3．3混合料的敏感粒徑

通過(guò)收集堵塞試驗(yàn)中濾出試件的顆粒數(shù)量，研究易堵塞混合料的敏感粒徑．一般當(dāng)堵塞粒徑大于4．75 mm時(shí)不容易進(jìn)入多空隙瀝青路面的空隙中［13－14］．本文選擇的機(jī)制砂粒徑為2．360～0．075 mm，每級(jí)篩孔篩余5 g混合作為堵塞細(xì)料，堵塞試驗(yàn)的試件為PAC-13，空隙率約為21%．堵塞細(xì)料級(jí)配見表3．

表3　堵塞細(xì)料級(jí)配

收集堵塞試驗(yàn)中濾出的堵塞顆粒，并烘干、篩分、稱重各級(jí)粒徑篩余質(zhì)量．將試件烘干后，用毛刷收集表面殘留的堵塞細(xì)料作為未能進(jìn)入試件內(nèi)部空隙的堵塞細(xì)料，稱各級(jí)粒徑的篩余質(zhì)量．用各粒徑總量5 g減去各粒徑濾出的堵塞顆粒和未能進(jìn)入試件內(nèi)部空隙的堵塞細(xì)料質(zhì)量，即可得到各級(jí)粒徑殘留在試件內(nèi)部空隙內(nèi)的堵塞細(xì)料的質(zhì)量．試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示．

圖8　堵塞細(xì)料分布

由圖8可以看出，粒徑小于0．15 mm的堵塞細(xì)料大多數(shù)能夠沿著連通空隙在水流作用下流出試件，對(duì)多空隙瀝青混合料堵塞的影響程度相對(duì)較?。酱笥?．15 mm的堵塞細(xì)料極易產(chǎn)生堵塞或根本進(jìn)入不了混合料的內(nèi)部空隙．其中粒徑范圍在1．18～2．36和0．15～0．30 mm兩處的堵塞細(xì)料在PAC-13空隙率約為21%的試件內(nèi)部含量最多．堵塞細(xì)料的粒徑越大，留在試件表面部分的就越多，透過(guò)試件部分的就越少．過(guò)大的堵塞細(xì)料顆粒被小孔徑堵住，使其無(wú)法進(jìn)入更深的孔中．由于各級(jí)粒徑相互干涉，當(dāng)混合料內(nèi)部孔隙被較大粒徑顆粒堵塞，將會(huì)影響較小粒徑顆粒的流出，即試件內(nèi)部仍有38%的0．075～0．150 mm的細(xì)料顆粒(甚至22%的0．075～0．150 mm的細(xì)料顆粒)沒有進(jìn)入試件內(nèi)部的原因．因此，0．150～2．360 mm的顆粒是造成混合料空隙堵塞的關(guān)鍵粒徑．此外，從脫模試件側(cè)面觀察發(fā)現(xiàn)發(fā)生堵塞的位置主要集中在試件上部40 mm內(nèi)．

4　結(jié)論

1) PAC初始排水能力和空隙率相關(guān)性很高．PAC的滲透系數(shù)隨著空隙率的增加而線性增大．

2)粗型級(jí)配的PAC的排水能力和抗堵塞能力較強(qiáng)．最大公稱粒徑對(duì)多孔隙瀝青混合料的初始排水能力影響不大，但增大最大公稱粒徑可以提高混合料的抗堵塞能力．

3) PAC抗堵塞性能隨著空隙率增大而增大．隨著空隙率從16%增加至23%，本文3次堵塞試驗(yàn)后，PAC平均殘余滲透能力可從24%增加至65%．

4)多孔瀝青混合料PAC-13發(fā)生堵塞的位置集中在試件最上部的40 mm內(nèi)，0．15～2．36 mm的顆粒則是造成混合料空隙堵塞的關(guān)鍵粒徑，粒徑小于0．075 mm的顆粒對(duì)空隙堵塞影響較小．

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Drain and anti-clogging ability of porous asphalt concrete based on constant head permeability experiment

Wang Hongchang1，2Ge Hui1Zhou Minggang1
(1School of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China)
(2Graduate School of Engineering，Kyoto University，Kyoto 615-8540，Japan)

Abstract:In order to clarify the drain and clogging behaviors of porous asphalts pavement，permeability coefficients were tested by using asphalt mixture homemade permeability testing device to simulate multi-cycle drainage clogging experiment of porous asphalt concrete (PAC)，and the fine aggregate with certain gradation was chosen as a plugging agent．The influences of asphalt mixture design parameters such as the porosity，the normal maximum sizes of the aggregate，grading on the drain ability and anti-clogging ability of PAC were researched．The experimental results indicate that the porosity has an obvious influence on PAC drain ability and anti-clogging ability．The normal maximum size of the aggregate has an obvious influence on PAC anti-clogging ability，but no obvious influence on the drain ability．PAC with the coarser graduation has a better performance on drain ability and anti-clogging ability．Asphalt type changes a little on PAC ability of drain and anti-clogging ability．The location of blocking occurred is concentrated on the top 40 mm of PAC-13 specimen，fine particles with sizes of about 0．15 to 2．36 mm are the key particle size causing the clogging in the PAC-13 specimen．

Key words:road engineering; porous asphalts concrete; porosity; maximum size of aggregate; permeability coefficient;clogging test

基金項(xiàng)目:江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目、江蘇省高校優(yōu)秀中青年教師和校長(zhǎng)境外研修計(jì)劃資助項(xiàng)目、江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(BK2010568)、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011-K5-17)．

收稿日期:2015-07-23．

作者簡(jiǎn)介:王宏暢(1975—)，男，博士，副教授，seuwhc@126．com．

DOI:10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．034

中圖分類號(hào):U416．217

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001－0505(2016) 01-0209-06