多孔瀝青混合料滲水性能的方向差異性及其受孔隙結(jié)構(gòu)的影響

陳 俊 姚 成 周若愚 許 濤 黃曉明

(1 河海大學(xué)土木與交通學(xué)院， 南京 210098)(2 南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院， 南京 210037)(3 東南大學(xué)交通學(xué)院， 南京 210096)

多孔瀝青路面具有優(yōu)良的排水、抗滑、降噪、防水濺、防眩光等功能，這些功能在很大程度上取決于多孔瀝青混合料(OGFC)內(nèi)部的孔隙連通性[1-2].目前，研究者們大都基于滲水系數(shù)來評價(jià)多孔瀝青混合料的孔隙連通程度，滲水系數(shù)越大則連通孔隙越豐富.

多孔瀝青混合料滲水系數(shù)的測試分析可分為單向滲水系數(shù)測試階段和滲水各向異性分析階段2個(gè)部分.單向滲水系數(shù)測試階段，大多采用滲水儀對瀝青混合料試件進(jìn)行單方向滲水系數(shù)的測試，如對不脫模的馬歇爾試件進(jìn)行常水頭下豎向滲水系數(shù)測試、對瀝青混合料板進(jìn)行滲水系數(shù)測試等[3-5]，并認(rèn)為混合料的單向滲水系數(shù)越大，滲水性能越好，連通孔隙越多.滲水各向異性分析階段，Masad等[6]在X-ray CT掃描圖像的基礎(chǔ)上，分析了連通孔隙方向性與滲水系數(shù)的方向性，認(rèn)為多孔瀝青混合料水平向與豎向滲水系數(shù)的比值為1.65～4.02.Gruber等[7]數(shù)值模擬了3個(gè)水流方向下同一孔隙結(jié)構(gòu)中的滲水過程，發(fā)現(xiàn)滲水系數(shù)在3個(gè)方向上的差異達(dá)到50%.Chen等[8-9]對多孔瀝青混合料進(jìn)行了多方向滲水系數(shù)實(shí)測，發(fā)現(xiàn)多孔瀝青混合料滲水系數(shù)在各個(gè)方向上的差異為50%～200%.研究者分析滲水各向異性時(shí)均指出，鑒于滲水的方向差異性，對多孔瀝青混合料滲水性能的評價(jià)不能僅依賴于傳統(tǒng)的單向滲水系數(shù)；滲水存在方向差異性的原因是連通孔隙結(jié)構(gòu)在不同方向上的形狀和分布特征各不相同.然而，上述研究沒有確定與滲水密切相關(guān)的水力直徑和彎曲程度計(jì)算方法，也沒有分析混合料連通孔隙的方向特征以及滲水系數(shù)方向差異性與連通孔隙結(jié)構(gòu)之間存在的聯(lián)系.

本文采用新型滲水儀，測試多孔瀝青混合料24個(gè)方向的滲水系數(shù)，并通過重構(gòu)混合料孔隙結(jié)構(gòu)，獲得連通孔隙的方向特征、長度、曲率和水力直徑，分析混合料滲水系數(shù)方向差異性與孔隙結(jié)構(gòu)方向特征之間的聯(lián)系.

1 室內(nèi)測試

1.1 材料制備

按表1中的礦料級配和瀝青用量，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法制備了空隙率分別為17%，19%，21%，23%的OGFC-13和OGFC-10混合料試件，試件共8組.表中前4組為OGFC-13混合料試件，后4組為OGFC-10混合料試件，r為篩孔孔徑.瀝青為高黏改性瀝青，集料為玄武巖，填料為石灰?guī)r礦粉.

1.2 測試方法與裝置

將瀝青混合料滲水系數(shù)在空間多方向的差異性分為水平面內(nèi)12個(gè)方向的滲水系數(shù)差異性和豎直平面內(nèi)12個(gè)方向的滲水系數(shù)差異性.分別測試這2個(gè)平面內(nèi)24個(gè)方向的滲水系數(shù)，具體步驟如下.

①在同一級配和瀝青用量下，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法制備6個(gè)高120 mm、直徑150 mm的OGFC圓柱體試件.

②對其中的3個(gè)試件，采用鉆孔機(jī)沿試件的豎向鉆取圓柱體芯樣(見圖1(a))，芯樣直徑為100 mm，將芯樣的2個(gè)端部切平，得到高度為100 mm的小圓柱體芯樣.

③采用自行研發(fā)的恒水頭單向滲水儀(見圖2)進(jìn)行試驗(yàn).水頭高度為500 mm時(shí)，測試t時(shí)段內(nèi)通過試件的水量V，在小試樣圓形端部標(biāo)記出滲水?dāng)嗝娴奈恢?，并按下式?jì)算小圓柱體芯樣單向的滲水系數(shù)PC：

(1)

④從滲水儀中取出芯樣，在剛標(biāo)記的滲水?dāng)嗝嫖恢锰?，對試樣繞豎軸旋轉(zhuǎn)30°后再次放入滲水儀.

⑤重復(fù)步驟③和④共計(jì)11次，測得芯樣12個(gè)方向的滲水系數(shù)，評價(jià)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)后的大圓柱體試件在水平面內(nèi)滲水系數(shù)的方向差異性.

⑥對于步驟①中成型的另外3個(gè)試件徑向鉆孔取芯(見圖1(b))，端部切平后得到直徑和高度均為100 mm的小圓柱體芯樣，重復(fù)步驟③和④共計(jì)12次，測得芯樣12個(gè)方向的滲水系數(shù)，評價(jià)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)后的大圓柱體試件在豎向平面內(nèi)滲水系數(shù)的方向差異性.

(a)豎向取芯

(b)徑向取芯

圖2 研發(fā)的常水頭單向滲水儀

1.3 測試結(jié)果

圖3為4個(gè)空隙率下OGFC-13和OGFC-10試件24個(gè)方向的滲水系數(shù)分布圖.

由圖3(a)和(c)可以看出，同一混合料類型、相同空隙率下，在混合料試件的豎向平面內(nèi)，不同方向上滲水系數(shù)差異較大，滲水系數(shù)最大值出現(xiàn)在試件的豎直方向上，而最小值則出現(xiàn)在與豎軸夾角為60°或90°方向上.由此說明，大空隙瀝青混合料水平或接近水平方向的空隙分布比豎向空隙更豐富.此外，豎向平面內(nèi)滲水系數(shù)的方向分布曲線接近于“∞”形狀或橢圓形狀，且空隙率越小，“∞”形狀越明顯，空隙率越大，橢圓形狀越明顯.同一瀝青混合料的豎向平面內(nèi)，與豎軸夾角為0°和180°的滲水系數(shù)并不相同，即相反方向上的滲水系數(shù)不同.類似現(xiàn)象也出現(xiàn)在30°與210°，60°與240°，90°與270°，120°與300°，150°與330°這些相反方向上.由此可知，大空隙瀝青混合料滲水系數(shù)的角度差異性不僅表現(xiàn)在不同角度之間，還表現(xiàn)在同一角度的2個(gè)相反方向間.

(a)OGFC-13，豎向平面

(b)OGFC-13，水平平面

(c)OGFC-10，豎向平面

(d)OGFC-10，水平平面

由圖3(b)和(d)可以看出，滲水系數(shù)在水平平面12個(gè)方向上各不相同.這說明滲水系數(shù)的方向差異性不僅存在于試件的豎向平面內(nèi)，還存在于水平平面內(nèi).與豎向平面的不同之處在于，水平面內(nèi)角度與滲水系數(shù)之間的關(guān)系并不明確.

1.4 空隙率和集料公稱最大粒徑的影響

對圖3中各方向的滲水系數(shù)，按下式計(jì)算滲水系數(shù)方向差異度PA：

(2)

式中，PCmax和PCmin分別為12個(gè)方向滲水系數(shù)的最大值和最小值.

計(jì)算結(jié)果見圖4.由圖可知，對于同一瀝青混合料而言，無論是水平平面還是豎直平面，不同空隙率引起的滲水系數(shù)方向差異性不同，空隙率越大，滲水系數(shù)的方向差異性越小.當(dāng)空隙率相同時(shí)，OGFC-13試件的滲水系數(shù)方向差異性小于OGFC-10.由此可見，采用較大公稱最大粒徑的集料時(shí)，混合料滲水系數(shù)的方向差異性較小.此外，豎向平面滲水系數(shù)方向差異為30%～60%，總體高于水平面滲水系數(shù)方向差異(20%～38%).這說明大空隙瀝青混合料滲水系數(shù)的方向差異性主要表現(xiàn)在豎向平面內(nèi)，但水平面內(nèi)的差異性也不能忽略.

(a)水平截面

(b)豎向截面

2 多孔瀝青混合料內(nèi)連通孔隙結(jié)構(gòu)

2.1 CT掃描

工業(yè)CT成本較低，在路面材料分析中應(yīng)用最為廣泛，但沿瀝青混合料試件厚度方向掃描時(shí)功率會逐漸衰減，往往導(dǎo)致圖像亮度不均勻(中間暗、周邊亮)[10-11].本文采用美國通用電氣生產(chǎn)的Discovery CT750 HD型醫(yī)用CT儀，該CT采用天然寶石為探測器原料，提高了對X射線的響應(yīng)速度，降低了能量衰減.相比于普通醫(yī)用CT，其輻射劑量下降了30%～80%，與工業(yè)CT相比輻射下降更為明顯，從而提高了研究人員的操作安全性.

對表1中4種空隙率下的OGFC-13試件進(jìn)行鉆芯取樣.在電壓120 kV、電流145 mA的條件下，每隔0.625 mm掃描一個(gè)芯樣截面.每個(gè)試件得到162張豎直截面圖像和101張水平截面圖像，用于試件內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)分析.

2.2 總孔隙重構(gòu)和連通孔隙提取

CT掃描得到的馬歇爾試件截面圖見圖5(a)，采用圖像處理軟件Mimics區(qū)分孔隙和混合料固體，按文獻(xiàn)[12]的方法處理截面灰度圖獲得閥值，對每個(gè)截面上6cm×6cm正方形范圍內(nèi)的孔隙進(jìn)行三維建模，得到立方體空間內(nèi)孔隙的三維結(jié)構(gòu).由圖5(b)可見，多孔瀝青混合料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為網(wǎng)狀交錯結(jié)構(gòu)，且既有連通孔隙，又有封閉的不連通孔隙.

(a)馬歇爾試件截面圖

(b)孔隙三維結(jié)構(gòu)

對建立的孔隙三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行連通孔隙和非連通的封閉孔隙區(qū)分，提取出連通孔隙(見圖6).采用Mimics軟件分別讀取圖6(a)中的總孔隙體積和圖6(c)中的連通孔隙體積，并將其與邊長6 cm的立方體體積的比值分別作為混合料的總空隙率和連通空隙率.

按照上述方法，提取表1中4個(gè)不同空隙率的OGFC-13試件豎向鉆取芯樣的總空隙率和連通空隙率，結(jié)果見圖7.由圖可知，混合料整體空隙率增大，則連通孔隙含量增大.所有空隙率下的連通空隙率均小于總空隙率，但隨空隙率的增加，連通孔隙率與總孔隙率的差距減小.對于空隙率17%的混合料而言，提取出的連通孔隙只在水平x軸方向上連通貫穿，其他2個(gè)方向不連通，連通空隙率僅約6%，說明空隙率較小時(shí)，混合料內(nèi)幾乎沒有連通孔隙.此外，芯樣內(nèi)孔隙重構(gòu)測得的空隙率遠(yuǎn)小于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件的設(shè)計(jì)空隙率，這可能是因?yàn)樾D(zhuǎn)壓實(shí)試件孔隙分布不均勻，相比于試件內(nèi)側(cè)，外側(cè)的空隙率更大.

(a)總孔隙 (b)封閉孔隙 (c)連通孔隙

圖7 OGFC-13試件的不同空隙率對比

2.3 連通孔隙結(jié)構(gòu)指標(biāo)計(jì)算方法

在直角坐標(biāo)系中，將提取的三維連通孔隙劃分為水平x軸方向孔隙、水平y(tǒng)軸方向孔隙和豎直z軸方向孔隙.具體方法如下：①采用圖像處理軟件獲得連通孔隙的中軸線，將網(wǎng)狀交錯的孔隙軸線分解為若干根無分叉的孔隙軸線段.②首尾連接線段(見圖8)，

圖8 孔隙走向、曲率和水力直徑計(jì)算示意圖

計(jì)算該線段與直角坐標(biāo)系3個(gè)垂直軸的夾角，以夾角最小的坐標(biāo)軸方向作為該根連通孔隙分解段的走向.

(3)

(4)

式中，R為孔隙軸線某點(diǎn)的曲率半徑；S為孔隙的斷面面積；f為孔隙的斷面周長.

2.4 連通孔隙結(jié)構(gòu)指標(biāo)分析

表1中OGFC-13試件內(nèi)部邊長6 cm立方體區(qū)間的3個(gè)方向上連通孔隙長度見圖9.圖中，Lx，Ly，Lz分別為連通孔隙在水平x軸、水平y(tǒng)軸和豎直z軸方向上的長度；Lxyz為連通孔隙總長度.由圖可知，隨著空隙率的增大，直角坐標(biāo)系中3個(gè)坐標(biāo)軸方向上孔隙長度均增大.同一空隙率下，豎直z軸方向上的孔隙長度最小，水平x，y軸方向孔隙較長，當(dāng)空隙率增大時(shí)，豎向孔隙長度與水平孔隙長度的差異減小，說明多孔瀝青混合料內(nèi)部連通孔隙存在明顯的方向特征，豎向孔隙最短，且空隙率越大的混合料，孔隙長度的方向差異性越小.此外，在空隙率為17%的混合料中，只有x軸方向上存在貫穿6 cm區(qū)間的連通孔隙，其他2個(gè)方向沒有連通孔隙；而當(dāng)空隙率增大至19%時(shí)，3個(gè)方向的連通孔隙出現(xiàn)大幅度增大，說明17%～19%之間的某個(gè)空隙率為混合料內(nèi)產(chǎn)生豐富連通孔隙的最低臨界值.

圖9 3個(gè)走向上的連通孔隙長度和總長度

圖9還給出了4種空隙率混合料在3個(gè)方向上的連通孔隙長度之和，表示多孔瀝青混合料在邊長6 cm立方體空間內(nèi)連通孔隙的總長度.由圖可知，隨著空隙率的增大，連通孔隙總長度先快速后緩慢增大；空隙率大于19%的混合料中，邊長6 cm的立方體空間內(nèi)，孔隙總長度大于4 m，說明多孔混合料內(nèi)連通孔隙結(jié)構(gòu)豐富.

圖10為3個(gè)走向連通孔隙的曲率和所有孔隙曲率均值.圖中，Cx，Cy，Cz分別為連通孔隙在水平x軸、水平y(tǒng)軸和豎直z軸方向上的曲率；Cxyz為所有孔隙的曲率均值.OGFC試件內(nèi)孔隙曲率基本為0.35～0.45 mm-1，孔隙存在明顯彎曲.曲率與孔隙走向之間沒有明確的關(guān)系，不存在某一走向上孔隙曲率較大或較小的情形.但從所有孔隙曲率均值可以看出，隨著混合料整體空隙率的增大，孔隙曲率存在一定程度的下降，說明空隙率越大的混合料，孔隙彎曲程度越低.

圖11為3個(gè)走向連通孔隙的水力直徑.圖中，Dx，Dy，Dz分別為連通孔隙在水平x軸、水平y(tǒng)軸和豎直z軸方向上的水力直徑，Dxyz為同一設(shè)計(jì)空隙率下3個(gè)走向上水力直徑最大值與最小值的比值.由圖可知，隨著混合料空隙率的增大，3個(gè)方向上連通孔隙水力直徑均增大；同一空隙率下，豎向孔隙的水力直徑高于水平孔隙，說明OGFC試件內(nèi)豎向孔隙尺寸更大.從圖中3個(gè)方向上孔隙水力直徑最大值與最小值的比值來看，豎向孔隙面積比水平向孔隙面積略大，且隨著空隙率的增加，豎向孔隙與水平孔隙水力直徑差異減小.

圖11 3個(gè)走向連通孔隙的水力直徑

綜上可知，在OGFC試件的立方體區(qū)域內(nèi)，曲率與孔隙走向之間沒有明確的關(guān)系.與水平孔隙相比，盡管豎向孔隙的水力直徑均值稍大，但豎向孔隙數(shù)量少，長度明顯短于水平孔隙.這些是造成多孔瀝青混合料豎向滲水性能比水平向滲水性能差的主要原因.

3 結(jié)論

1)多孔瀝青混合料滲水系數(shù)的方向差異性主要表現(xiàn)在豎向平面內(nèi)，但水平面內(nèi)的差異性也不能忽略.在同一平面內(nèi)，滲水系數(shù)的角度差異性不僅表現(xiàn)在不同角度之間，還表現(xiàn)在同一角度的相反方向之間.

2)混合料空隙率越大，采用的集料公稱最大粒徑越大，混合料滲水系數(shù)的方向差異性越小.

3)當(dāng)混合料整體空隙率增大時(shí)，內(nèi)部連通孔隙含量也增大，連通孔隙率與總孔隙率的差距減小.

4)多孔瀝青混合料內(nèi)部豎向連通孔隙短且少.空隙率增大時(shí)，連通孔隙總長度快速增大，連通孔隙長度的方向差異減小.

5)相比于水平向連通孔隙，多孔混合料內(nèi)部豎向孔隙的水力直徑略大，但數(shù)量少且總長度短，這是影響滲水系數(shù)方向差異性的主要原因.