排水性瀝青路面的橫向空隙分布特性

馬 翔, 王炯月, 袁則瑜, 李 強(qiáng)

(南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院, 江蘇 南京 210037)

排水路面以其良好的表面功能特性,已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)得到推廣應(yīng)用[1].但是,在應(yīng)用過程中,排水路面一直存在耐久性較差的問題,尤其是以滲水性為代表的功能特性衰退最為顯著[2-3].排水路面的滲透性能衰退主要是由于空隙堵塞和交通荷載壓密所致[4-6],且在橫斷面上不同位置表現(xiàn)出不同規(guī)律,掌握該規(guī)律有利于進(jìn)一步研究排水路面空隙衰變機(jī)理.對于大空隙的排水性瀝青混合料而言,其空隙特征一直是研究的熱點,當(dāng)前關(guān)于排水性瀝青混合料空隙特征的研究基本采用了CT技術(shù)與圖像處理技術(shù).文獻(xiàn)[7]運用X-ray CT技術(shù)和數(shù)字圖像處理技術(shù)獲取了不同級配OGFC-13馬歇爾試件的內(nèi)部空隙分布圖像,采用分形理論研究了多孔瀝青混合料的空隙特征,分析了空隙分維特征與多孔混合料路用性能之間的關(guān)系.文獻(xiàn)[8]采用工業(yè)CT對排水瀝青混合料的馬歇爾試件進(jìn)行掃描,利用數(shù)字圖像技術(shù)獲取排水瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成,基于一定的算法,對圖像進(jìn)行分析,研究排水瀝青混合料的連通空隙率.文獻(xiàn)[9]采用結(jié)合X-CT技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)與分形理論的方法,對多孔瀝青混合料的空隙豎向分布特性進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[10]基于X-ray CT技術(shù)、數(shù)字圖像處理技術(shù)及重構(gòu)技術(shù),分析了多孔瀝青混合料細(xì)觀空隙特征,研究了空隙率、粗細(xì)級配和公稱最大粒徑等因素對多孔瀝青混合料細(xì)觀特征的影響規(guī)律.這些研究成果為掌握排水性瀝青混合料細(xì)觀空隙特征提供了重要的依據(jù),但均基于室內(nèi)成型試件,未考慮使用過程中的堵塞問題.

為此,筆者以江蘇寧杭高速公路二期工程鋪筑的20 km排水路面工程為研究對象,采用數(shù)字圖像處理方法,對路面同一橫斷面不同位置的芯樣界面上的空隙組成進(jìn)行分析評價,研究排水路面橫向空隙堵塞情況,以期為延緩排水路面堵塞提供研究和應(yīng)用基礎(chǔ).

1 試驗方案

在降雨過程中,雨水沿著排水路面橫坡排出時,會清洗空隙中的灰塵,與此同時,上坡處的灰塵會部分滯留于下坡處,導(dǎo)致下坡處的空隙堵塞現(xiàn)象較上坡處嚴(yán)重.此外,大空隙的排水性瀝青混凝土在車輪荷載作用下會出現(xiàn)壓密現(xiàn)象,尤其是在高溫季節(jié)和重載車道,這種現(xiàn)象尤為顯著.因此,無論是使用過程中的堵塞還是壓密,都會造成排水層瀝青混凝土有效空隙變小,從而降低排水路面的滲水效果.

江蘇寧杭高速公路二期工程鋪筑了20 km排水路面,該路段于2008年9月建成通車,日交通量近2萬輛,貨車比例達(dá)40%,其通車?yán)锍涕L，時間早，交通量大，是我國排水路面實體工程的典型代表之一.為了保證排水路面的耐久性,該項目使用SBS改性瀝青+8%TPS復(fù)合改性組成的高黏瀝青作為排水路面膠結(jié)料,通車使用至今依舊保持著較好的排水功能.本研究對該公路寧杭方向K2053+000處排水路面不同橫斷面位置的芯樣采用數(shù)字圖像處理技術(shù),對切割后的斷面進(jìn)行分析,研究排水路面在使用過程中空隙變化的分布規(guī)律,具體取芯方案如圖1所示.下文中芯樣位置分別用大寫字母A-E加以區(qū)別:A為路緣帶，B,C和D依次為第1-3車道，E為路肩.

圖1 取芯橫斷面方案

與此同時,為了掌握橫向位置和排水性瀝青混凝土不同深度處的空隙堵塞情況,在路表以下1 cm處的淺處和路表以下3 cm的深處截面,分別切割輪跡帶和非輪跡帶處芯樣進(jìn)行對比分析,左輪跡帶處的芯樣用Y表示,非輪跡帶處的芯樣用N表示,淺表截面用1表示,深處截面用2表示,如B-Y-2即為第1車道輪跡帶處芯樣深截面.具體編號的意義見表1.

表1 截面編號的意義

試驗過程中,首先將芯樣在一定的厚度處切割,在切割過程中盡量防止空隙堵塞物被水沖走,待芯樣晾干以后,在自然光充足的條件下,用數(shù)碼相機(jī)近距拍攝每塊圓片的底截面,以獲得未沖洗時清晰的截面圖像.然后,在流水的沖洗下,用毛刷將芯樣表面的空隙堵塞物清洗干凈之后,在與之前相同的光線條件下,再次拍攝每塊圓片的底截面,獲得清洗后的截面圖像.

圖2為截面B-Y-2清洗前與清洗后的圖像.由圖2b可見:將空隙堵塞物清洗之后,出現(xiàn)了許多新的空隙,并且這些空隙都深入到混合料內(nèi)部,其顏色也較深,從圖上能夠較容易地識別出來.

圖2 截面B-Y-2清洗前與清洗后的圖像

2 空隙識別

根據(jù)空隙儲水和通水的能力,可將排水瀝青混合料的空隙分為如下3類:有效空隙為可儲水和通水的空隙;半有效空隙為無法通水但可儲水的空隙;無效空隙為既無法通水也無法儲水的空隙.按照上述定義,對已獲取的所有截面圖像上的空隙進(jìn)行人工識別,識別的規(guī)則如下:低于截面的凹陷即為空隙,其中,深入到混合料內(nèi)部的空洞為能通水的有效空隙,其余的為不能通水的半有效空隙和無效空隙,為了提高識別的精度,識別過程中將圖像與實物進(jìn)行對照.空隙識別的過程利用Photoshop軟件來完成,有效空隙用純綠色來填充,半有效空隙和無效空隙用純紅色來填充,并導(dǎo)出圖像.空隙識別的效果如圖3所示.有研究表明:排水瀝青混合料的滲透系數(shù)與有效空隙率之間的相關(guān)性要優(yōu)于其與空隙率的相關(guān)性.由此可推測,堵塞物主要集中在有效空隙中,有效空隙率的下降引起了排水瀝青混合料滲透系數(shù)的降低,經(jīng)過清洗,堵塞的空隙恢復(fù)為有效空隙.因此,從同一截面清洗前后的兩張圖像上識別出的有效空隙面積之差即為堵塞空隙的面積.

圖3 空隙識別的效果

3 數(shù)字圖像處理

Matlab軟件具有強(qiáng)大的圖像處理功能,能夠讀取RGB圖像,并將其分解為紅、綠和藍(lán)等3個通道,利用其IPT圖像處理工具包中的函數(shù)可以識別出每個通道中的圖形,計算和統(tǒng)計相應(yīng)的幾何信息.將所有完成空隙識別的截面圖像用Matlab軟件統(tǒng)計出清洗前的有效空隙面積ve1、清洗后的有效空隙面積ve2、空隙總面積v和截面面積c.其中,空隙總面積為有效空隙面積、半有效空隙面積和無效空隙面積之和,并視清洗前后空隙總面積不變.Matlab統(tǒng)計數(shù)據(jù)見表2.

表2 Matlab統(tǒng)計的各面積數(shù)據(jù) 像素

利用表2數(shù)據(jù)分別計算每一個截面對應(yīng)的空隙率、清洗后的有效空隙率和空隙堵塞比,這3個指標(biāo)的計算公式如下所示:

(1)

(2)

(3)

式中:V為空隙率;Ve2為清洗后的有效空隙率;L為空隙堵塞比.

從嚴(yán)格意義上講,本研究中定義的空隙率指標(biāo)實際上為二維的面空隙率,但也是反映排水瀝青混合料空隙率大小的一種方式.清洗后的有效空隙率相當(dāng)于未堵塞時的有效空隙率,能夠反映排水瀝青混合料應(yīng)有的排水能力.空隙堵塞比為堵塞空隙的面積占空隙總面積的比例,能夠反映空隙堵塞的嚴(yán)重程度.

4 數(shù)據(jù)整理與分析

基于表2各面積數(shù)據(jù),依據(jù)式(1)-(3)可以分別計算出各個評價指標(biāo)的值.非輪跡帶和輪跡帶的空隙率、空隙堵塞比、有效空隙率的對比如圖4-9所示.從圖4-9的對比得出如下結(jié)論:

1) 施工過程中邊緣難壓實,路緣帶空隙率偏大,其他非輪跡帶空隙率接近目標(biāo)空隙率的20%,說明本研究中采用數(shù)字圖像處理方法來分析排水性瀝青混合料空隙分布特征具有一定的可靠性,空隙率略小可能是識別誤差所致,識別誤差是在可接受的范圍.

2) 輪跡帶空隙率明顯小于非輪跡帶,而且外側(cè)重車車道明顯較內(nèi)側(cè)小汽車車道更小,說明排水性瀝青混合料在使用過程存在二次壓密,導(dǎo)致空隙率變小.

3) 無論是非輪跡帶還是輪跡帶,越往外側(cè),空隙堵塞越嚴(yán)重,而且深截面堵塞較淺截面嚴(yán)重,這與水流方向相關(guān),對于外側(cè)排水的排水路面在排水過程中,雨水中的懸浮顆粒會沉淀在空隙率中,越往外,水流量越大,沉淀物越多.

4) 內(nèi)側(cè)車道輪跡帶全截面的堵塞情況較非輪跡帶好,外側(cè)車道區(qū)別不明顯,說明內(nèi)側(cè)車道快速行駛的小汽車對排水路面有自清理作用.

5) 采用數(shù)字圖像處理計算得到的有效空隙率明顯較排水性瀝青混合料室內(nèi)試驗測得的連通空隙率小,這主要由于受二維計算方法的局限性,僅將深入到混合料內(nèi)部空隙當(dāng)作有效空隙,并不能完全統(tǒng)計出有效空隙,雖然如此,還是能簡單看出輪跡帶的有效空隙率略小于非輪跡帶.

圖4 非輪跡帶空隙率

圖5 輪跡帶空隙率

圖6 非輪跡帶空隙堵塞比

圖7 輪跡帶空隙堵塞比

圖8 非輪跡帶有效空隙率

圖9 輪跡帶有效空隙率

綜上所述,排水性路面在使用過程中排水功能的衰退主要是由于空隙堵塞,越往外側(cè),堵塞現(xiàn)象越嚴(yán)重,深截面堵塞略嚴(yán)重于淺截面;與此同時,輪跡帶也會因壓密而造成空隙率變小,重車道尤為明顯.基于此,為緩解排水路面空隙堵塞病害,筆者提出如下建議:

1) 設(shè)置雙層排水面層.上層用空隙率較小的級配提供更好的結(jié)構(gòu)耐久性,下層用空隙率較大的級配應(yīng)對更嚴(yán)重的堵塞問題.

2) 及時清理空隙中的堵塞物.外側(cè)車道更容易堵塞,清理頻率應(yīng)高于內(nèi)側(cè)車道.

5 結(jié) 論

排水性瀝青路面在使用過程中空隙堵塞是其功能耐久性涉及的主要問題,筆者借助數(shù)字圖像處理技術(shù)，對排水路面的同一橫斷面不同點位排水性瀝青混凝土的芯樣空隙分布特性進(jìn)行研究,主要得到如下結(jié)論:

1) 利用圖像處理技術(shù)能夠較好地分析排水路面橫向空隙分布特性.

2) 降雨過程中懸浮顆粒的沉淀是排水路面空隙堵塞的主因,深截面堵塞較淺截面嚴(yán)重,沿著水流方向,越往外,空隙堵塞越嚴(yán)重.

3) 內(nèi)側(cè)車道輪跡帶淺界面的空隙堵塞比小于非輪跡帶,快速行駛的車輛對排水路面有自清理作用.

4) 車輛荷載的作用導(dǎo)致排水路面在使用過程中出現(xiàn)了二次壓密,輪跡帶和重車道空隙率相對較小.

5) 采用設(shè)置雙層排水面層、設(shè)計內(nèi)側(cè)低外側(cè)高的橫坡方案可以緩解排水路面的空隙堵塞病害.