透水式磨耗層混合料的優(yōu)化設(shè)計(jì)及其在國(guó)省道公路上的應(yīng)用

潘艷珠, 王振忠, 曾衛(wèi)平

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510650)

0 概述

透水式磨耗層混合料(Permeable Friction Course或Porous Friction Courses，PFC)被認(rèn)為是升級(jí)版的OGFC，歐洲稱之為多空隙瀝青混合料(Porous Asphalt Mixture，PAM)，是一種特殊類型的熱拌瀝青混合料(HMA)。與密級(jí)配HMA相比，PFC具有較高的空隙率(AV)，一般為18%～25%[1]。為了獲得較高的空隙含量，需要降低細(xì)集料的摻量，通過(guò)粗集料顆粒間的石-石接觸形成混合料的骨架，保證混合料的穩(wěn)定性。這些特征使PFC混合料具備了良好的使用功能：高滲透性(抗滑和安全)和降噪效果，以及抵抗永久變形能力，并作為路面耐磨層，廣泛應(yīng)用于高速公路和城市干線道路。 一些研究還顯示，PFC還具有過(guò)濾雨水和降低路面夜間眩光等效果[2-3]。隨著我國(guó)海綿城市概念的提出，以及人們安全和環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，透水(或排水)式路面有不斷增加的趨勢(shì)。然而，目前PFC還有一些技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有得到很好解決，其中最為突出的是使用壽命和造價(jià)的問(wèn)題。為了獲得路面排水需要的空隙，人們?cè)赑FC材料設(shè)計(jì)時(shí)降低了細(xì)集料的摻量，使得瀝青混合料的強(qiáng)度形成原理由密實(shí)型變成嵌擠型，降低了集料顆粒的表面粘接或裹覆面積，增加了集料顆粒脫粒的風(fēng)險(xiǎn)。為了規(guī)避脫粒風(fēng)險(xiǎn)，一些規(guī)范規(guī)定PFC要采用高粘改性瀝青和硬質(zhì)中或堿性集料，但以脫粒為主要表現(xiàn)形式的早期損壞依然不能有效抑制。同時(shí)，使用高粘改性瀝青和遠(yuǎn)運(yùn)硬質(zhì)集料大幅度提高了PFC的造價(jià)，限制了這種安全環(huán)保型瀝青混合料的大范圍推廣應(yīng)用(國(guó)省公路或一般城市道路)。

近年來(lái)，由于X-ray CT掃描手段的引進(jìn)，人們借助數(shù)字圖像分析和試件重構(gòu)等技術(shù)對(duì)瀝青混合料的很多微細(xì)觀結(jié)構(gòu)有了新的認(rèn)識(shí)，使得瀝青混合料更加精準(zhǔn)的和優(yōu)化的設(shè)計(jì)成為可能。Kutay(2007)和吳文亮等(2012)分別基于室內(nèi)外試件和X-ray CT掃描研究了瀝青混合料空隙的分布，及其對(duì)滲透的影響[4-5]。其主要結(jié)論為，瀝青混合料中空隙沿厚度方向的分布是不均勻的，混合料試件中上部分的空隙率大于試件中下部分的空隙率，并進(jìn)而導(dǎo)致瀝青混合料橫向滲透系數(shù)(Kxx或Kyy)大于豎向滲透系數(shù)(Kzz)，一般Kxx或Kyy=2～3Kzz。潘艷珠等(2018)對(duì)大空隙瀝青混合料室內(nèi)外試件的孔隙分布和滲透性進(jìn)行了試驗(yàn)檢測(cè)和評(píng)價(jià)，基本得出了類似的結(jié)論。據(jù)此可以認(rèn)為，用試件的平均空隙率和試件的豎向滲透系數(shù)(Kzz)設(shè)計(jì)排水路面的瀝青混合料是不合理的(橫向排水)，會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料上部空隙率偏大，增加脫粒的風(fēng)險(xiǎn)。例如，試件的平均空隙率為22%～25%時(shí)(這也是PFC通常的空隙率設(shè)計(jì)范圍)，試件上部的空隙率可能會(huì)大于29%～33%。顯然，過(guò)大的表面空隙率瀝青混合料是極易損壞的(脫粒和老化)。

由于操作簡(jiǎn)便，實(shí)際工程中越來(lái)越多地使用真空法檢測(cè)PFC材料的最大理論密度，使用真空密封法檢測(cè)PFC材料試件的毛體積相對(duì)密度。Alvarez等(2009～2010)認(rèn)為真空法和真空密封法不適用于PFC材料[6-7]，因?yàn)?，PFC材料大多使用改性瀝青作為膠結(jié)料，較大的粘度影響了真空法最大理論密度檢測(cè)的重復(fù)性與再現(xiàn)性；真空密封法毛體積密度忽略了試件表面開口空隙，且受塑料包裝袋材質(zhì)的影響較大。黎霞等(2008)采用真空密封法和體積法，比較了兩種方法大空隙瀝青混合料毛體積相對(duì)密度和空隙率以及連通空隙率的差異[8]。從檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，體積法空隙率和連通空隙率比真空密封法大3%。

從上面的分析和國(guó)內(nèi)外的研究可以看出，想要兼顧PFC材料的排水能力和耐久性(脫粒和老化)，做出平衡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是根據(jù)排水的需要精準(zhǔn)地控制空隙率。而精準(zhǔn)控制空隙率主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：預(yù)測(cè)空隙率的需求與空隙率的檢測(cè)和評(píng)價(jià)方法。潘艷珠等(2007)對(duì)PFC材料的空隙率需求預(yù)測(cè)和大空隙瀝青混合料設(shè)計(jì)，以及混合料骨架評(píng)估進(jìn)行了深入研究，并提出了相應(yīng)的方法[9]。因此，本研究在已有研究的基礎(chǔ)上擬主要開展的工作為：改進(jìn)PFC材料毛體積相對(duì)密度檢測(cè)和評(píng)價(jià)的體積法、開展PFC材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)、通過(guò)試驗(yàn)路的方式探索和考察國(guó)省道公路瀝青路面PFC(普通改性瀝青與普通集料)的可行性。

1 PFC材料設(shè)計(jì)

1.1 PFC原材料

本研究所用原材料取自廣東省某省道二級(jí)公路瀝青路面改造工程。從研究的目的考慮，以及工程造價(jià)的限制，本研究沒(méi)有在原改造工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對(duì)原材料提出更高的要求。粗細(xì)集料為廣東韶關(guān)石灰?guī)r軋制的碎石和石屑，礦粉采用廣東韶關(guān)產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉，瀝青為某品牌SBS改性瀝青。上述原材料均基本滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的相關(guān)技術(shù)要求。

1.2 PFC-13材料配合比設(shè)計(jì)

本研究采用逐級(jí)摻配的方法設(shè)計(jì)PFC-13材料的配合比[9]。對(duì)應(yīng)試件平均空隙率分別為15%、18%和21%的合成級(jí)配如表1所示，混合料設(shè)計(jì)結(jié)果如表2。從表2可以看出，體積參數(shù)對(duì)試件的強(qiáng)度(穩(wěn)定度)有很大的影響，密度越大或空隙率越小試件的強(qiáng)度越高，這一點(diǎn)和其它相關(guān)研究的結(jié)論是一致的。即使是大空隙或透(排)水瀝青混合料，在滿足透(排)水要求的前提下，也要盡可能做到密實(shí)。

表1 PFC-13大空隙瀝青混合料級(jí)配

表2 PFC-13大空隙瀝青混合料設(shè)計(jì)結(jié)果

1.3 體積法檢測(cè)試件毛體積相對(duì)密度的問(wèn)題和改進(jìn)

表2中的體積參數(shù)(試件的毛體積相對(duì)密度和空隙率)是直接量取馬歇爾試件的尺寸(直徑和高度)以及試件的空氣中重量，計(jì)算得出的。這樣的方法存在兩個(gè)問(wèn)題：(1)試件側(cè)面表面構(gòu)造產(chǎn)生的開口空隙影響，顯然這部分開口空隙是不應(yīng)該考慮的；(2)試件側(cè)面的表面狀況與實(shí)際工程路面取芯試件不一致，無(wú)法作為實(shí)際工程質(zhì)檢的參考值。為此，對(duì)馬歇爾試件做鉆芯取樣處理，干燥至恒重后再實(shí)施體積法檢測(cè)試件的體積參數(shù)。改進(jìn)前后的試件體積參數(shù)對(duì)比如表3所示。從表3可以看出，試件側(cè)面表面構(gòu)造產(chǎn)生的開口空隙的影響大致在1.7%左右。

表3 試件側(cè)面表面構(gòu)造(開口空隙)對(duì)體積參數(shù)的影響

2 PFC材料的性能評(píng)價(jià)

2.1 PFC材料排水性能評(píng)價(jià)

Masad等人(2006)提出的改進(jìn)版Kozeny-Carman方程[11]，用于預(yù)測(cè)熱瀝青混合料的滲透系數(shù)，如式(1)所示。Kutay等人[4]利用波茲曼格子模型和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)公式(1)進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果顯示：(1)公式是可用的，其精度可以滿足工程的要求；(2)公式不僅可以用于密實(shí)型瀝青混合料滲透性評(píng)價(jià)，也可以用于大空隙瀝青混合料的滲透性評(píng)價(jià)。

(1)

式中：k—中等飽和狀態(tài)的滲透系數(shù)(m/s)；C—回歸常數(shù)；n—空隙率(%)；μ=10-3kg/ms，流體的粘度(水)；γ=9.79kN/m3，流體單位重量(水@20℃)；Ds—集料的平均粒徑；Gb—膠結(jié)料比重；Pba—被吸收的膠結(jié)料占集料重量的百分比；Pb—瀝青含量(瀝青用量占混合料總重量的百分比)；Gsb—集料的毛體積比重。

潘艷珠(2018)利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)公式(1)進(jìn)行了擬合分析[6]，擬合分析的結(jié)果顯示，公式(1)中的回歸常數(shù)C=0.002。同時(shí)，從圖1還可以看出，公式(1)具有較高的精度。

圖1 計(jì)算滲透系數(shù)與測(cè)量滲透系數(shù)的比較

為了分析空隙分布的不均勻性對(duì)大空隙瀝青混合料滲透性能的影響，按試件空隙分布的特征，將試件分成上下兩個(gè)部分(對(duì)于較厚的試件可以分成上、中、下三部分)，分別計(jì)算了試件上下部和試件整體的滲透系數(shù)，如表4所示。表4計(jì)算結(jié)果與張璠(2010)的測(cè)試結(jié)果基本一致[11]。從表4計(jì)算結(jié)果可以看出，水分的橫向遷移或流動(dòng)主要發(fā)生在試件的上部，這是因?yàn)樵谶@部分區(qū)域存在較大的空隙或連通空隙。然而，試件的豎向滲透性由試樣中下部的滲透特性來(lái)決定，其滲透系數(shù)僅僅是上部或整體平均滲透系數(shù)的1/2。從這個(gè)意義上講，壓實(shí)的PFC材料的滲透性是有方向性的，透水路面和排水路面應(yīng)該采用不同的滲透系數(shù)。Kandhal(2002)認(rèn)為，PFC材料可以接受的最小滲透系數(shù)為：k=0.116cm/s[12]。比較表4的數(shù)據(jù)可以看出，如果不考慮空隙率分布的不均勻性，則瀝青混合料的最小空隙率為18%，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行規(guī)范的要求是一致的。但如果考慮空隙率分布的不均勻性，則瀝青混合料的最小空隙率為15%。顯然，降低瀝青混合料的空隙率水平，對(duì)于改善路用性能、延長(zhǎng)使用壽命和降低造價(jià)是有益的。

表4 不同類型試件滲透系數(shù)分布

2.2 PFC材料路用性能的評(píng)價(jià)

PFC材料的路用性能試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 PFC材料的路用性能試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

從表5可以看出，三組試件的各項(xiàng)路用性能指標(biāo)均能滿足規(guī)范的要求，隨著油石比的增加和空隙率的降低，PFC材料的各項(xiàng)指標(biāo)略有改善。需指出的是，目前所采用的這些路用性能指標(biāo)和檢測(cè)方法還都是屬于現(xiàn)象學(xué)的范疇，還無(wú)法揭示PFC材料損壞的機(jī)理，以及指標(biāo)差異對(duì)使用性能和壽命的影響，更加深入的有關(guān)性能定量模型的研究還有待于進(jìn)一步開展。

3 PFC試驗(yàn)路及其效果觀測(cè)

3.1 PFC試驗(yàn)路結(jié)構(gòu)

本研究試驗(yàn)路結(jié)合省道S342線南雄分水坳至雄州段路面改造工程開展，長(zhǎng)度為全斷面500m，路面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)路路面結(jié)構(gòu)

3.2 試驗(yàn)路芯樣空隙率與滲透性評(píng)價(jià)

為了評(píng)價(jià)試驗(yàn)路效果，對(duì)試驗(yàn)路進(jìn)行了滲透試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)路芯樣進(jìn)行了CT掃描和空隙率分布特征分析，相關(guān)結(jié)果如表6。從表6可以看出，試驗(yàn)路空隙率和滲水系數(shù)均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。由于考慮了空隙率的不均勻分布，不存在上部空隙率偏大的問(wèn)題，這對(duì)于路面的耐久性是有益的，也為降低造價(jià)提供了操作空間。

表6 芯樣空隙特征與滲透性評(píng)價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

鑒于透水式瀝青混合料磨耗層造價(jià)高、壽命短，無(wú)法大面積推廣應(yīng)用等問(wèn)題，本研究嘗試通過(guò)改進(jìn)大空隙瀝青混合料試件毛體積密度的檢測(cè)方法，考慮瀝青混合料橫縱向排水性能的差異，對(duì)透水式瀝青混合料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)試驗(yàn)路驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用普通改性瀝青和普通石灰?guī)r集料修筑國(guó)省道公路瀝青路面低造價(jià)長(zhǎng)壽命排水式磨耗層的目標(biāo)。主要結(jié)論包括：

(1)應(yīng)用體積法檢測(cè)室內(nèi)成型的大空隙瀝青混合料試件毛體積密度時(shí)，需要先用取芯機(jī)鉆取試件的芯樣，并對(duì)芯樣實(shí)施毛體積密度檢測(cè)，以消除試件側(cè)面表面構(gòu)造產(chǎn)生的開口空隙的影響，這個(gè)影響的程度大致在1.7%左右。

(2)由于壓實(shí)的大空隙瀝青混合料空隙沿厚度方向的分布是不均勻的，導(dǎo)致壓實(shí)的PFC材料的滲透性具有方向性的，透水路面和排水路面應(yīng)該采用不同的滲透系數(shù)。

(3)考慮到壓實(shí)的大空隙瀝青混合料橫向滲透系數(shù)一般可以是豎向滲透系數(shù)的兩倍，在設(shè)計(jì)排水式瀝青磨耗層(橫向排水)時(shí)可以適當(dāng)降低瀝青混合料的空隙率，這對(duì)于延長(zhǎng)磨耗層的使用壽命是有益的。

(4)試驗(yàn)路效果顯示，考慮PFC材料滲透的方向性設(shè)計(jì)排水式路面是可以實(shí)現(xiàn)的，相關(guān)路用性能滿足規(guī)范要求，基本不增加國(guó)省道公路瀝青路面改造工程造價(jià)，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果良好。