離析對密級配瀝青混合料滲透性能的影響

向 浩，朱洪洲，陳柳曉，鐘偉明

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

水損害是我國瀝青路面早期病害之一，其主要原因在于路面局部空隙率過大，外部水滲入路面后，動水壓力反復(fù)沖刷作用使瀝青混凝土中集料與瀝青分離，最終導(dǎo)致路面坑槽、松散等病害。而離析是造成路面局部空隙率過大的重要原因，瀝青混合料在拌和、運輸和攤鋪過程中受環(huán)境和工藝影響導(dǎo)致溫度與集料出現(xiàn)差異[1-4]。由于差異存在，瀝青混合料在壓實過程中出現(xiàn)各區(qū)域壓實不均勻和空隙率不均勻的現(xiàn)象，從而影響瀝青混合料的滲透性能。然而，我國JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[5]中對混合料離析沒有相應(yīng)要求。

諸多研究者對路面離析進行了研究。例如：鄭曉光等[6]通過現(xiàn)場檢測分析了現(xiàn)場溫度變化規(guī)律，得到了溫度離析嚴重的區(qū)域容易導(dǎo)致路面出現(xiàn)水損害和疲勞破壞；胡力群等[7]采用紅外熱像儀拍攝路面得到溫度分布狀況，分析后提出以溫度離析度來評價溫度均勻性；鄧德毅[8]采用網(wǎng)格法對滲水系數(shù)進行分析，最終提出一種以滲水系數(shù)作為離析評價指標的綜合離析評價方法；李立寒等[9]通過室內(nèi)試驗分析混合料級配離析狀態(tài)和離析程度對混合料路用性能的影響，得到粗集料集中區(qū)域滲水性增大，對瀝青混合料的水穩(wěn)定性極為不利。但這些研究卻未將溫度離析和級配離析對路面滲透性能的影響進行對比，也很少將離析程度與滲透系數(shù)關(guān)系進行量化。因此，筆者通過設(shè)計室內(nèi)試驗分析離析對瀝青混合料滲透性能的影響，對比溫度離析和級配離析對滲透性不同的影響，提出了離析容許變化程度等相關(guān)建議。

1 試驗材料與設(shè)備

1.1 原材料

本次試驗瀝青為70 #基質(zhì)瀝青，其基本性質(zhì)見表1[10]。

表1 瀝青的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of asphalt

1.2 集 料

集料采用石灰?guī)r礦料，礦粉采用石灰?guī)r礦粉(密度為2.718 g/cm3)，按照JTG E42—2015《公路工程集料試驗規(guī)程》[11]要求進行試驗，其基本性能見表2。

表2 集料基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of aggregate

1.3 混合料級配

為研究溫度離析對混合料滲透性能的影響，試驗中采用瀝青混合料級配類型分別為AC-13、AC-20、ATB-25，這3種瀝青混合料的級配值見表3。通過馬歇爾試驗確定了AC-13的最佳油石比為4.8%，AC-20的最佳油石比為4.3%，ATB-25的最佳油石比為3.8%。

表3 瀝青混合料級配組成Table 3 Gradation composition of asphalt mixture

目前各國對級配離析程度指標尚未達成統(tǒng)一共識，但多以各篩孔通過率變異系數(shù)作為主要評價指標[12-13]。美國國家聯(lián)合公路研究所重點研究了瀝青路面離析的檢驗及評價方法，通過現(xiàn)場測試結(jié)果和室內(nèi)模擬試驗的結(jié)果之間的相互對比，分析了不同程度的離析對混合料性能以及路面關(guān)鍵技術(shù)指標的影響，并通過NCHRP-441項目提出混合料離析程度標準[14](表4)。麻旭榮等[15]、LI Xuelian等[16]和L.N.MOHAMMAD等[17]分別認為瀝青混合料級配離析程度可用級配偏差值、瀝青用量、空隙率和理論最大密度差值等指標進行判別和評價。

筆者借鑒美國NAPA離析技術(shù)指標的思路，提出以4.75 mm篩孔作為粗細集料關(guān)鍵篩孔，4.75 mm篩孔以下集料質(zhì)量分數(shù)變化比例作為判斷離析程度的評價指標，如式(1)：

(1)

式中：n為離析程度(越趨近于1表明離析程度越大)；a為未離析時通過4.75 mm篩孔的集料質(zhì)量；b為離析后通過4.75 mm篩孔的集料質(zhì)量。

表4 NAPA判定離析的技術(shù)指標Table 4 Technical indicators for segregation determined by NAPA

級配離析試驗以AC-13、AC-20、ATB-25級配中值為參考級配，視為未離析(n=0)；選擇n=0、0.3、0.5、0.75作為試驗級配，具體級配曲線通過反算得到，如圖1。

圖1 各類型混合料級配離析后級配曲線Fig. 1 Gradation curves of various types of mixtures after gradationsegregation

結(jié)合美國NAPA判定離析技術(shù)指標中的級配變化與瀝青含量變化評價方法，發(fā)現(xiàn)與文中所提瀝青混合料級配離析程度評價指標吻合度很高，而該評價方法與指標更直觀易懂、便于計算，因此選用表5中級配離析程度評價指標用于研究。

表5 離析程度評價指標Table 5 Evaluating index of segregation degree

1.4 試驗設(shè)備

鑒于國內(nèi)對馬歇爾試件滲透系數(shù)測定暫無統(tǒng)一儀器，筆者參照達西定律理論和國內(nèi)外滲透儀設(shè)計方法[18-20]，設(shè)計并制作了用于室內(nèi)馬歇爾試件滲透系數(shù)測定的變水頭滲透儀，如圖2。

圖2 自制變水頭滲透儀結(jié)構(gòu)Fig. 2 Osmotic structure of self-made variable head permeameter

該設(shè)備基本工作原理是通過試件不脫模達到改善側(cè)邊滲水的目的，優(yōu)點在于驗操作簡單、適用性強，具體操作步驟為：試驗開始，安裝好試驗儀器；打開2、6號閥門，從8號管通水至1號量筒內(nèi)一定高度后，關(guān)閉閥門2、6；打開閥門6，讓試件下方多余水從閥門6流出后，關(guān)閉閥門6；打開閥門2、6時，記錄開始t1時間、量筒內(nèi)液面高度h1，記錄結(jié)束t2時間、量筒內(nèi)液面高度h2。

變水頭滲透系數(shù)K計算如式(2)：

(2)

式中：K為滲透系數(shù)，cm/s；a為滲透試件橫截面面積，cm2；L為滲透試件平均高度，cm；A為量筒內(nèi)截面面積，cm2；t為滲透時間，t=t2-t1，s。

2 溫度離析

2.1 溫度與空隙率關(guān)系

試驗溫度分別采用140、120、100、80、60 ℃；試件空隙率的測定采用表干法，得到各類型混合料壓實溫度與空隙率的關(guān)系，如圖3。

圖3 溫度與空隙率的關(guān)系Fig. 3 Relationship between temperature and void ratio

由圖3得到3種不同級配類型瀝青混合料具有相似變化規(guī)律。同類級配材料，空隙率隨壓實溫度的升高而降低，且相關(guān)性良好；粒徑較大的級配在相同壓實溫度下空隙率更大，變化幅度也略大于粒徑較小的級配，壓實溫度每降低10 ℃空隙率約增大1.3%；3種不同級配類型壓實溫度與空隙率的關(guān)系式可歸納為表6。

表6 壓實溫度與空隙率關(guān)系Table 6 Relationship between compaction temperature and void ratio

2.2 溫度離析對滲透系數(shù)的影響

利用自制變水頭滲透儀對混合料試件滲透系數(shù)進行測定，得到各級配類型試件滲透系數(shù)隨壓實溫度離析的試驗結(jié)果，如表7。并根據(jù)表7壓實溫度離析試驗結(jié)果得到壓實溫度、空隙率與滲透系數(shù)的關(guān)系，如圖4。

圖4為壓實溫度與滲透系數(shù)的關(guān)系曲線，滲透系數(shù)取值為對應(yīng)壓實溫度的滲透系數(shù)均值。結(jié)果表明：壓實溫度和空隙率均與滲透系數(shù)有良好的相關(guān)性，3種不同類型混合料的滲透系數(shù)隨著壓實溫度的降低而增大，且增加幅度越來越大。3條曲線均在120 ℃左右處有明顯拐點，壓實溫度大于120 ℃時，滲透系數(shù)很??；壓實溫度小于120 ℃后，滲透系數(shù)明顯增加，特別是當溫度低于100 ℃時，滲透系數(shù)增長速率迅速提高。此外，最大粒徑較大的混合料滲透系數(shù)在溫度較高時略大于最大粒徑較小的混合料；隨著壓實溫度降低，粒徑較大的瀝青混合料滲透系數(shù)增幅要大于粒徑較小混合料，空隙率與滲透系數(shù)關(guān)系和壓實溫度與滲透系數(shù)關(guān)系相似。

表7 壓實溫度離析試驗結(jié)果Table 7 The test result of compaction temperature segregation analysis

(續(xù)表7)

圖4 壓實溫度、空隙率與滲透系數(shù)關(guān)系Fig. 4 Relationship among compaction temperature, void ratio and permeability coefficient

3 級配離析

3.1 級配與空隙率關(guān)系

試件空隙率測定采用表干法，得到各級配混合料試件離析程度與空隙率的關(guān)系，如圖5。

圖5 級配離析程度與空隙率關(guān)系Fig. 5 Relationship between degree of gradation segregation and void ratio

由圖5可知：AC-13、AC-20和ATB-25這3種級配未離析時空隙率均值分別為：4.81%、4.74%、5.1%；輕度離析時均值空隙率為：7.37%、7.78%、8.35%；中度離析時均值空隙率為：9.99%、10.71%、12.32%；重度離析時均值空隙率為：14.14%、15.35%、16.60%。結(jié)果表明：瀝青混合料隨著離析程度增大，空隙率也逐漸增大；相同級配離析程度下，粒徑較大級配混合料空隙率大于粒徑較小的級配混合料；輕度離析(n=0.30)混合料空隙率較未離析混合料增大數(shù)值約為3.01%，增加幅度約為61.51%；中度離析(n=0.50)混合料空隙率較未離析混合料增大數(shù)值約為6.12%，增加幅度約為125.51%；重度離析(n=0.75)混合料空隙率較未離析混合料增大數(shù)值約為10.48%，增加幅度約為214.72%。

3.2 級配離析對滲透系數(shù)的影響

利用自制變水頭滲透儀對混合料試件滲透系數(shù)進行測定，得到各級配類型試件滲透系數(shù)隨級配離析的試驗結(jié)果(表8)。由表8的級配離析試驗結(jié)果得到級配、空隙率與滲透系數(shù)的關(guān)系，如圖6。

由表8可得知：AC-13、AC-20、ATB-25這3種級配在離析狀態(tài)下空隙率范圍分別為：4.55%～15.54%、4.44%～16.07%、4.77%～17.21%；滲透系數(shù)范圍分別為：8.01E-05～0.145、9.91E-05～0.351、6.77E-05～0.633 cm/s。滲透系數(shù)隨級配離析程度的增加而增大：在輕度離析(n≤0.4)范圍以內(nèi)，混合料滲透系數(shù)增加較緩慢；達到中度離析(0.4

表8 級配離析試驗結(jié)果Table 8 Test results of gradation segregation

圖6 級配離析程度、空隙率與滲透系數(shù)關(guān)系Fig. 6 Relationship amongdegree of gradation segregation, void ratio and permeability coefficient

4 分析與小結(jié)

對比AC-20和ATB-25這兩種級配混合料在溫度離析和級配離析狀態(tài)下的測定結(jié)果，可得到溫度離析和級配離析對滲透性能不同的影響。

同一類型瀝青混合料、相同空隙率情況下〔圖7(a)〕，發(fā)生溫度離析和級配離析后的滲透系數(shù)有差異，尤其是當空隙率較大的時候，發(fā)生溫度離析混合料滲透系數(shù)要小于發(fā)生級配離析的滲透系數(shù)，且空隙率越大差異值越大。例如：AC-20混合料在溫度離析、空隙率均值為14%時，滲透系數(shù)均值為0.12 cm/s，而級配離析相同空隙率情況下，滲透系數(shù)均值為0.14 cm/s，級配離析滲透系數(shù)比溫度離析滲透系數(shù)約高16.7%；ATB-25混合料在溫度離析、空隙率均值為16%時，滲透系數(shù)均值為0.41 cm/s；而級配離析相同空隙率情況下，滲透系數(shù)均值為0.52 cm/s，級配離析的滲透系數(shù)比溫度離析滲透系數(shù)約高25%。

同一種類離析類型、相同離析程度情況下〔圖7(b)〕，粒徑較大的混合料滲透系數(shù)大于粒徑較小混合料滲透系數(shù)。例如：ATB-25混合料在壓實溫度為80 ℃狀態(tài)下滲透系數(shù)均值為0.077 cm/s；而相同溫度離析情況下，AC-20混合料滲透系數(shù)均值為0.053 cm/s，ATB-25混合料滲透系數(shù)比AC-20混合料約高45%；ATB-25混合料在重度級配離析狀態(tài)下滲透系數(shù)均值為0.53 cm/s；而相同離析程度情況下，AC-20混合料滲透系數(shù)均值為0.28 cm/s，ATB-25混合料滲透系數(shù)比AC-20混合料約高95%。

圖7 離析狀態(tài)下空隙率與滲透系數(shù)關(guān)系Fig. 7 Relationship between void ratio and permeability coefficient under segregation

結(jié)合溫度離析和級配離析混合料試件試驗結(jié)果以及試驗現(xiàn)象，筆者對密級配瀝青混合料滲透性能進行了總結(jié)(表9)，并發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對密級配瀝青混合料滲透性能規(guī)范要求值120 mL/min(參照文獻[21]中轉(zhuǎn)換公式〔式(3)〕可轉(zhuǎn)換為0.001 9 cm/s)偏高，上限值的滲透量仍十分可觀。

CW=62 373K+0.478 8

(3)

式中：CW為滲水系數(shù)，mL/min；K為滲透系數(shù)，cm/s。

表9 混合料滲透性能總結(jié)Table 9 Mixture permeability performance summary

因此，筆者認為需更為嚴格地控制密級配瀝青路面滲透性能，降低其最高要求值，建議將滲透系數(shù)上限定為0.001 cm/s，即85 mL/min。該指標數(shù)值也與美國瀝青技術(shù)研究中心推薦的細級配瀝青混合料臨界值不謀而合，其中0.001 cm/s的滲透系數(shù)在試驗中對應(yīng)的空隙率臨界值約為7%(圖8)。為保證路面在使用過程中有良好抗?jié)B透性能，建議將7%的現(xiàn)場空隙率作為滲透性質(zhì)量檢測指標，與滲透系數(shù)(85 mL/min)組成雙重標準用于路面設(shè)計與施工質(zhì)量控制。針對推薦的空隙率和滲透系數(shù)臨界值，對應(yīng)在瀝青混合料施工過程中，瀝青混合料壓實溫度應(yīng)不低于130 ℃，溫度變化應(yīng)控制在10 ℃以內(nèi)；級配離析臨界值n=0.21，施工過程應(yīng)控制在輕度離析范圍以內(nèi)。

圖8 空隙率臨界值Fig. 8 Critical value of void ratio

5 結(jié) 論

1)針對室內(nèi)滲透試驗，筆者自制未脫模變水頭滲透儀，利用馬歇爾試件不脫模和密封圈改善了試驗側(cè)邊沿漏水問題，使試驗更簡便，結(jié)果更精確。

2)溫度離析時，壓實溫度和空隙率均與滲透系數(shù)有良好的相關(guān)性，3種不同類型混合料的滲透系數(shù)隨著壓實溫度降低而增大，且增加幅度越來越大；級配離析時，瀝青混合料隨離析程度增加滲透性能增大。輕度離析時，瀝青混合料呈弱滲水性能；中度離析時，瀝青混合料呈一般滲水性能；重度離析時，瀝青混合料呈較好滲水性能。

3)密級配瀝青混合料在空隙率和最大粒徑相同時，發(fā)生級配離析較發(fā)生溫度離析，瀝青混合料滲透系數(shù)更大，滲透性能更好；在空隙率相同，對于最大粒徑不同的密級配混合料，發(fā)生級配離析較發(fā)生溫度離析時所造成的滲透性能差異更大。

4)根據(jù)試驗現(xiàn)象，筆者發(fā)現(xiàn)規(guī)范中對密級配瀝青混合料的滲透性能規(guī)范要求值偏高，建議滲透臨界值降低為85 mL/min(0.001cm/s)，并將對應(yīng)的7%現(xiàn)場空隙率與滲透系數(shù)組成雙重標準用于路面設(shè)計與施工質(zhì)量控制；針對推薦臨界值，得到密級配瀝青混合料壓實溫度應(yīng)不低于130 ℃，溫度變化應(yīng)控制在10 ℃以內(nèi)；級配離析臨界值為n=0.21，施工時應(yīng)控制在輕度離析范圍以內(nèi)。