空隙率對透水瀝青混合料路用性能的影響

曾哲，劉星，羅蓉，劉帥，楊洋

(1.武漢理工大學 交通學院，湖北 武漢 430063；2.湖北省公路工程技術研究中心； 3.中交第二公路勘察設計研究院有限公司)

目前，中國大多數城市道路采用的都是對生態(tài)環(huán)境具有負面影響的密級配混凝土和石板材鋪裝結構。由于其密封導致的低滲透性和低降噪能力，城市熱島效應和噪聲污染日益嚴重。為了實現城市建設可持續(xù)發(fā)展的目標，透水瀝青路面建設成為“海綿城市”的熱點和新趨勢。

透水瀝青混凝土(Permeable Asphalt Concrete，簡稱PAC)需要將液態(tài)水引入結構內部以達到滲透目的，同時又必須保證自身在液態(tài)水和車輛荷載作用下的強度和耐久性，它的空隙率越大，滲透性能會更強，但是力學性能可能會隨之減弱，因此混合料必須同時具備優(yōu)良的滲透性能和力學性能。而CJJ/T 190-2012《透水瀝青路面技術規(guī)程》規(guī)定透水瀝青混合料的空隙率范圍為18%～25%，其范圍較大，實際工程中即便混合料的空隙率符合規(guī)范要求，其性能的差異性也可能較為明顯。另外，目前中國規(guī)范對透水瀝青混合料技術指標的規(guī)定不統(tǒng)一，多本規(guī)范都對透水瀝青混合料的性能指標作出了規(guī)定，但是指標數量和規(guī)定值大小均互不相同，依據不同規(guī)范標準時，混合料滿足性能要求的難度不同。因此，該文針對不同空隙率的PAC-13試件進行滲透性能、抗析漏和飛散性能、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性、抗滑性能和動態(tài)模量的測試與研究，并與規(guī)范值進行比較分析，以探究空隙率不同時混合料性能的變化情況。

1 試驗設計

透水瀝青混合料以高黏改性瀝青為原材料，其性質如表1所示。集料采用玄武巖，它的各項指標均滿足相應的規(guī)范技術要求?；诳障堵逝c2.36 mm篩孔通過率的關系，調試得到18%、20%、22%空隙率對應的PAC-13混合料級配曲線，同時利用瀝青膜厚度法計算相應的瀝青用量，通過謝倫堡瀝青析漏試驗和肯塔堡飛散試驗驗證計算結果，根據最終的級配和最佳瀝青用量成型PAC-13試件，合成級配曲線如圖1所示。

表1 高黏改性瀝青基本性能指標測試結果

圖1 PAC-13混合料級配曲線圖

2 空隙率對PAC-13滲透性能的影響

連通空隙率的大小在一定程度上能夠反映瀝青混合料的滲透能力，CJJ/T 190-2012《透水瀝青路面技術規(guī)程》中要求連通空隙率≥14%，該指標通常采用水中重法測試得到，該文采用3種不同目標空隙率對應的混合料連通空隙率(表2)。

表2 不同空隙率的PAC-13連通空隙率 %

由表2可以看出：它們均滿足規(guī)范指標的要求。并且隨著空隙率的增大，連通空隙率也逐漸增大，且兩者大致呈線性關系，說明當連通空隙率無法實測得到時，也可采用空隙率來初步表征混合料的透水性能。

滲水系數是反映PAC混合料滲透能力的一個重要指標，采用路面滲水儀對碾壓成型的混合料進行測試，試驗結果如表3所示，JTG D50-2006《公路瀝青路面設計規(guī)范》中對滲水系數的要求為≥900 mL/(15 s)，CJJ/T 190-2012《透水瀝青路面技術規(guī)程》中對滲水系數的要求為≥800 mL/(15 s)。將實測數據與規(guī)范的技術指標相比，發(fā)現3種空隙率對應的瀝青混合料均能滿足要求，說明當空隙率≥18%時，透水瀝青混合料能夠較容易地滿足滲透方面的功能需求。同時，可以看出滲水系數隨空隙率增大的增長幅度并不顯著，當空隙率由18%變化至22%時，滲水系數的增幅僅為322 mL/(15 s)，說明實際工程中無需過度追求空隙率，而應該保證路面在具有良好滲透性的同時，還應具備優(yōu)良的力學性能。

表3 不同空隙率的PAC-13滲水系數

3 空隙率對PAC-13抗析漏和抗飛散性能的影響

抗析漏和抗飛散性能都屬于混合料PAC-13的重要路用性能，JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》中對它們的要求分別為<0.3%和<20%，CJJ/T 190-2012《透水瀝青路面技術規(guī)程》中對它們的要求分別為<0.3%和<15%，該文對3種空隙率的PAC-13混合料分別進行了謝倫堡瀝青析漏試驗和肯塔堡飛散試驗，試驗結果如表4所示。

由表4可得：雖然3種目標空隙率的PAC-13析漏值始終滿足規(guī)范要求，但是它的數值還是隨著油石比的增加而明顯增大，當油石比為5.01%時，混合料的析漏損失已經十分接近規(guī)范值，說明進行透水瀝青混合料配合比設計時，瀝青用量不可過高。另外，可以觀察到3種瀝青混合料的飛散損失都比較小，雖然飛散損失隨著空隙率的增加而增大，但無論規(guī)范值為15%還是20%，混合料的測試結果都遠低于不同規(guī)范的技術要求，當目標空隙率為22%時，飛散損失也僅為6.67%。

表4 不同空隙率PAC-13的析漏損失與飛散損失

4 空隙率對PAC-13高溫穩(wěn)定性的影響

路面在高溫狀態(tài)時，受到車輛荷載作用易發(fā)生永久變形。高溫穩(wěn)定性是反映透水瀝青混合料路用性能的一個重要方面，一般利用車轍試驗來評價。該文對3種PAC-13試件的高溫穩(wěn)定性進行了檢測，不同目標空隙率對應的PAC-13動穩(wěn)定度測試結果如表5所示。

表5 不同空隙率的PAC-13車轍試驗結果

JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》中對透水瀝青混合料動穩(wěn)定度的要求為≥1 500次/mm(一般交通路段)和≥3 000次/mm(重交通路段)，CJJ/T 190-2012《透水瀝青路面技術規(guī)程》中對它的要求為≥3 500次/mm。由表5可以看出：3種不同空隙率的PAC-13混合料的動穩(wěn)定度均高于兩種規(guī)范列出的技術要求，且至少超出規(guī)范值1 000次/mm。從差值來看，空隙率的變化雖然影響了車轍試件的動穩(wěn)定度，但不同空隙率試件的動穩(wěn)定度差值并不顯著(<1 000次/mm)。

5 空隙率對PAC-13水穩(wěn)定性的影響

依據規(guī)范，進行了3種典型的混合料水穩(wěn)定性試驗，分別為浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗、凍融劈裂試驗和浸水飛散試驗，以此來探究不同空隙率條件下的PAC-13混合料的抗水損害能力。

5.1 浸水馬歇爾穩(wěn)定度

對3種不同空隙率的PAC-13混合料分別進行了浸水馬歇爾穩(wěn)定度試驗，測試結果如表6所示。

表6 不同空隙率的PAC-13殘留穩(wěn)定度測試結果

由表6可以看出：同一空隙率條件下，浸水后的試件馬歇爾穩(wěn)定度有所下降，說明浸水后試件內部產生了水損害現象。

在JTG D50-2006《公路瀝青路面設計規(guī)范》中，對浸水殘留穩(wěn)定度的技術要求為≥80%。由表6可看出：3種空隙率對應的PAC-13混合料均能滿足規(guī)范指標，且隨著空隙率的增大，浸水殘留穩(wěn)定度逐漸減小，當目標空隙率為22%時，混合料的浸水殘留穩(wěn)定度下降到81.2%。因此，透水瀝青混合料不能只追求空隙率和滲透性能，還應該考慮混合料的力學性質，空隙率過大可能會帶來路面強度方面的損失，從而導致早期路面病害。從試驗結果來看，18%空隙率對應的混合料測試結果最佳。

5.2 凍融劈裂試驗

JTG D50-2006《公路瀝青路面設計規(guī)范》對凍融劈裂強度比的技術要求為≥70%，CJJ/T 190-2012《透水瀝青路面技術規(guī)程》對它的技術要求為≥85%。3種不同空隙率的PAC-13混合料凍融劈裂試驗結果如表7所示。

表7 不同空隙率的PAC-13凍融劈裂試驗結果

由表7可以看出：相比于未凍融處理的試件，凍融循環(huán)后試件的劈裂抗拉強度會減小，說明凍融過程對PAC-13試件造成了內部結構的損傷和破壞。同時，分析凍融劈裂強度比可發(fā)現，隨著空隙率的增大，凍融劈裂強度比逐漸減小，其中18%～20%對應的變化幅度較小，僅為0.3%，而20%～22%對應的變化幅度較為明顯，為4.7%。

當依據CJJ/T 190-2012《透水瀝青路面技術規(guī)程》時，僅有18%和20%空隙率對應的試件滿足規(guī)范要求(≥85%)，當依據JTG D50-2006《公路瀝青路面設計規(guī)范》時，3種類型的試件均滿足規(guī)范要求，這一方面說明前者的規(guī)范要求相對較高，如果按照此規(guī)程進行透水瀝青混合料設計，需要著重考慮目標空隙率增大后混合料的強度損失；另一方面說明當空隙率達到22%時，PAC試件的水穩(wěn)定性相對較差，在服役過程中容易受液態(tài)水侵蝕進而發(fā)生水損害現象。

5.3 浸水飛散試驗

JTG D50-2006《公路瀝青路面設計規(guī)范》對浸水飛散損失的技術要求為≤30%。3種空隙率的PAC-13混合料浸水飛散試驗結果如表8所示。與規(guī)范值相比可發(fā)現，3種PAC-13試件的浸水飛散損失均遠小于規(guī)范中的技術指標。另外，隨著空隙率的增大，混合料的浸水飛散損失逐漸增大，這與前面兩種水穩(wěn)定性試驗反映出的規(guī)律相同，表明較大的空隙率(22%)不利于瀝青混合料的黏結性和強度。

表8 不同空隙率的PAC-13浸水飛散試驗結果

與前面現象不同的是，在浸水飛散試驗中，即使是空隙率為22%的PAC試件，其浸水飛散損失也遠小于規(guī)范要求值，說明在高黏改性瀝青的作用下，透水瀝青混合料整體的抗飛散能力能夠得到有效的保障，即使浸水條件較苛刻時，混合料也不易受荷載作用而分散和破碎。

6 空隙率對PAC-13抗滑性能的影響

透水瀝青混合料由于具有較多粗集料和大空隙的特點，它往往具有較好的抗滑性能，同時，抗滑性能也是透水瀝青路面必須著重考慮的路用性能，通常采用摩擦系數試驗和構造深度試驗來進行評價，如果配合比設計選擇的級配使道路不能具備足夠的抗滑能力，將對雨天行駛在瀝青路面上的交通車輛造成重大安全隱患。

6.1 摩擦系數試驗

JTG D50-2006《公路瀝青路面設計規(guī)范》對摩擦系數的技術要求為≥58。試驗測試結果如表9所示。

表9 不同空隙率的PAC-13抗滑性能試驗結果

由表9可以看出：3種空隙率條件下的摩擦系數測值均大于規(guī)范值(58)，且隨著空隙率的增大，擺式摩擦系數測定儀測試得到的摩擦系數也逐漸增大，但總體而言3種混合料試件的摩擦系數差值并不明顯，空隙率由18%變化至22%時，摩擦系數變化的幅值只有5.7，說明空隙率能夠提升PAC混合料的摩擦系數，但是實際工程應用時不可過度依賴空隙率來實現路面抗滑的效果。

6.2 構造深度試驗

JTG D50-2006《公路瀝青路面設計規(guī)范》對構造深度的技術要求為≥0.55 mm。構造深度試驗結果如表9所示。由表9可以看出：3種PAC-13混合料均能滿足規(guī)范要求，且與規(guī)范值相差較大，說明規(guī)范的技術要求相對偏低。另外，從結果中可看出：雖然較大的空隙率有利于透水瀝青路面的抗滑性能，但是空隙率由18%變化至22%時，混合料的構造深度變化值僅為0.26 mm，再次說明空隙率對混合料抗滑性能的提升是有一定限度的。

7 空隙率對PAC-13動態(tài)模量的影響

在JTG D50-2017《公路瀝青路面設計規(guī)范》中，瀝青混合料動態(tài)壓縮模量直接用于路面結構設計及驗算。傳統(tǒng)方法采用15或20 ℃時的混合料回彈模量，不能夠反映混合料的溫度及頻率敏感性，因此，該文將探索透水瀝青混合料在不同溫度及頻率條件下的動態(tài)單軸壓縮模量，其中，溫度可反映不同氣候條件下的環(huán)境影響，加載時間可反映車輛速度及瀝青層厚度的影響。

為了探究不同溫度及頻率下PAC-13混合料的動態(tài)模量特征，分別對3種目標空隙率的試件進行了單軸壓縮動態(tài)模量試驗，試驗溫度分別為-10、5、20、35以及50 ℃，荷載頻率分別為0.1、0.5、1.0、5.0、10.0以及25.0 Hz，最終以20 ℃作為參考溫度，根據瀝青混合料的時溫等效疊加原理，利用移位因子將已得到的不同溫度對應頻率下的動態(tài)模量轉化到20 ℃條件下的動態(tài)模量，并采用西格摩德模型擬合數據點來繪制主曲線，如圖2所示。其中，移位因子和西格摩德模型的表達式分別如式(1)、(2)所示。

(1)

(2)

式中：C1和C2為與材料自身相關的常數；T為試驗溫度(℃)；TR為參考溫度(℃)；|E*(fr)|為縮減頻率下的動態(tài)模量(MPa)；δ和α為反映主曲線漸近線的值(MPa)；β和γ為形狀參數。

由圖2可以看出：3種空隙率對應的混合料動態(tài)模量都隨著頻率的增加而增大，且3條曲線的增幅和走勢也有類似之處。另外，在同一頻率條件下，當PAC-13混合料的空隙率由18%增加至22%時，隨著目標空隙率的增加，混合料的動態(tài)模量具有減小的趨勢，22%的瀝青混合料強度相對較低。由主曲線反映的動態(tài)模量范圍，可用于指導透水瀝青路面結構驗算時模量參數的選取。

圖2 PAC-13混合料動態(tài)模量主曲線

8 結論

(1) 由滲透性能試驗的結果可以看出：連通空隙率與空隙率呈現線性相關的關系，且連通空隙率和滲水系數均隨空隙率的增加而增大，3種不同目標空隙率的PAC-13試件均滿足滲透指標要求。

(2) 通過力學性能試驗可看出：PAC-13的析漏損失隨油石比的增加而顯著增大，飛散損失隨空隙率的增加而緩慢增大；在高溫穩(wěn)定性方面，空隙率為20%時混合料的動穩(wěn)定度最高，說明此時骨架空隙結構相對穩(wěn)定；在水穩(wěn)定性方面，空隙率與水穩(wěn)定性呈負相關關系，當目標空隙率為22%時，浸水殘留穩(wěn)定度接近規(guī)范值，凍融劈裂強度比則存在不滿足規(guī)范值的情況；因此，實際工程中PAC-13的空隙率最好控制為18%～20%。

(3) 通過抗滑性能試驗結果可看出：摩擦系數和構造深度均隨空隙率的增加而逐漸增大，但空隙率對混合料抗滑能力的提升效果具有限度，空隙率由18%變化至22%時，摩擦系數變化的幅值僅為5.7，構造深度的變化值僅為0.26 mm，說明實際工程中不可過度依賴空隙率來實現路面抗滑的效果。

(4) 通過動態(tài)模量試驗并繪制主曲線發(fā)現，3條主曲線的增幅和走勢類似，當對應同一縮減頻率時，空隙率為22%的混合料動態(tài)模量相對較小，說明其強度相對較低。