瀝青混合料滲透性研究

■江 溹 桂 甜

(江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，南昌 330103)

1 引言

隨著我國十三五道路規(guī)劃的落實(shí)，國內(nèi)各高速公路與國省道公路建設(shè)項(xiàng)目增多。 隨之瀝青路面病害也不斷發(fā)生， 瀝青路面災(zāi)害已成為相關(guān)工作者的主要研究問題[1]。相關(guān)研究表明水侵害是瀝青路面主要病害， 瀝青混合料的滲透性能成為解決瀝青路面病害的決定性因素[2]。研究有哪些因素影響瀝青混合料滲透性能及影響機(jī)理可為瀝青路面病害防治提供指導(dǎo)。

本文為了研究各因素對瀝青混合料滲透性能的影響關(guān)系， 設(shè)計(jì)相應(yīng)試驗(yàn)。 選取瀝青針入度、 瀝青占比、2.36mm 篩孔通過百分比、0.075mm 篩孔通過百分比、級配最大粒徑與空隙百分比等6 個(gè)影響因素， 借助灰色關(guān)聯(lián)理論，計(jì)算各自的灰色關(guān)聯(lián)度。分析其影響程度并深度挖掘影響機(jī)理，力求指導(dǎo)工程實(shí)踐。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 原材料介紹

試驗(yàn)瀝青選擇AH-70 號(I)、AH-70 號(II)與SBS 改性瀝青，集料選擇石灰?guī)r，填料選擇石灰?guī)r礦粉，各原材料的各性能參數(shù)檢測值記錄在表1 與表2。

2.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)之前研究成果[3-4]，主要分析瀝青針入度、瀝青占比、2.36mm 篩孔通過百分比、0.075mm 篩孔通過百分比、級配最大粒徑與空隙百分比6 個(gè)變化因素的影響作用。其中瀝青針入度設(shè)置7.2mm、6.9mm、5.7mm3 種， 瀝青用量占比利用馬歇爾試驗(yàn)標(biāo)定。 礦料級配種類包括AC-13.0、AC-16.0、AC-20.0、SMA-13.0 等4 種。 單個(gè)種類級配選用2 條級配曲線，具體情況見圖1。 各級配曲線全部達(dá)到相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。空隙百分比通過表干法檢測獲得，基質(zhì)瀝青混合料相對密度理論最大值通過真空密封法檢測獲得， 改性瀝青混合料相對密度理論最大值通過計(jì)算法檢測獲得。

表1 試驗(yàn)所用瀝青各性能指標(biāo)檢測值

表2 集料各相對密度的檢測值

圖1 各級配曲線對比圖

在本文研究中選擇自制變水頭滲透儀， 選用未脫模馬歇爾試件來進(jìn)行試驗(yàn)， 這樣可以有效減少材料用量和工作強(qiáng)度。 借助防水涂層與未脫模方式來降低側(cè)邊滲水現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 滲透試驗(yàn)介紹

制備馬歇爾試驗(yàn)樣品， 其規(guī)格為直徑64mm、 高為102mm 的圓柱體。 首先在模具內(nèi)側(cè)涂抹均勻的一層防水涂層，然后利用自主研制的變水頭滲透儀(圖2)完成試驗(yàn)。 最后對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，調(diào)節(jié)成20.0℃試驗(yàn)條件下的數(shù)值，為了降低試驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差，各組試驗(yàn)數(shù)值選擇4組可重復(fù)性試驗(yàn)的平均值。

圖2 自主研制的變水頭滲透儀構(gòu)造示意圖

檢測時(shí)，安設(shè)好試驗(yàn)儀器。 將2、6 號閥門開放，通過8 號管加水到1 號量筒中， 至指定高度后將2、6 號閥門關(guān)閉。開放2、6 號閥門，樣品構(gòu)件下部多出的水經(jīng)6 號閥門流凈后方可關(guān)閉。 開放2、6 號閥門時(shí)， 統(tǒng)計(jì)開始時(shí)刻t1，量筒內(nèi)初始液面高度值h1，待結(jié)束后統(tǒng)計(jì)結(jié)束時(shí)刻t2與兩桶內(nèi)液面最后高度值h2。

滲透系數(shù)的求解公式見公式1。

式中，K 代表滲透系數(shù)值，s 代表滲透試件的橫斷面面積值，h 代表滲透試件高度的平均值，S 代表量筒內(nèi)部橫斷面面積值，t 代表滲透時(shí)長。

3 各影響因素影響關(guān)系分析

3.1 灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算

研究中選擇灰色關(guān)聯(lián)分析法完成瀝青混合料滲透性能因素的分析， 通過關(guān)聯(lián)度數(shù)值大小來表征自變量和因變量直接的緊密性，尤其擅長于分析多因素、非線性的因素間關(guān)系。

具體計(jì)算方法有下列4 步：

①給出分析數(shù)列。依據(jù)數(shù)列表征系統(tǒng)行為特點(diǎn)，設(shè)定數(shù)列Y={Y(k)|k=1,2,3L,n}，設(shè)定影響因素的數(shù)據(jù)序列的數(shù)列Xi={Xi(k)|k=1,2,3L,n}，i=1,2,L,m。

②變量無量綱化處理。對全部數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，以消除變量因量綱差異影響計(jì)算結(jié)果的弊端， 其計(jì)算公式見公式2。

③求出關(guān)聯(lián)系數(shù)值。代表數(shù)列第個(gè)元素的關(guān)聯(lián)系數(shù)，代表分辨系數(shù)值，其值大小與分辨率呈反比，一般情形設(shè)定值0.50，計(jì)算公式見公式3。

④求得關(guān)聯(lián)度值，把各關(guān)聯(lián)系數(shù)集中后構(gòu)成關(guān)聯(lián)度，求解曲線上個(gè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)系數(shù)的算術(shù)平均值得到關(guān)聯(lián)度值，計(jì)算公式見公式4。

3.2 滲透性影響因素探究

將滲透系數(shù)k 設(shè)定參考數(shù)列， 上述6 類影響因素設(shè)置成比較數(shù)列，整理成表3。 上述2 類數(shù)列參數(shù)完成無量綱化處置， 并設(shè)置分辨系數(shù)值0.50 后求解6 類因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)值，整理成表4。 求出的6 個(gè)因素關(guān)聯(lián)度值見圖3柱形圖。

4 數(shù)值分析探討

從圖3 中柱形圖可以看出， 上述6 類影響因素關(guān)聯(lián)度值從高至低的次序?yàn)椋?空隙百分比、2.36mm 通過百分比、級配粒徑最大、油石比例、0.075mm 通過百分比、針入度。 當(dāng)分辨系數(shù)值設(shè)置0.50 時(shí)，關(guān)聯(lián)度值大于0.60 的因素很大程度上影響結(jié)果， 所以可看出空隙百分比對瀝青混合料的滲透性影響最大，2.36mm 通過百分比、 級配粒徑最大、油石比例、0.075mm 通過百分比全部顯著影響著瀝青混合料的滲透性能， 針入度此因素幾乎不影響滲透性。 充分考慮6 個(gè)因素的影響原理，深度挖掘灰色關(guān)聯(lián)度數(shù)值所含意義。

表3 滲透試驗(yàn)各評價(jià)指標(biāo)檢測值

表4 6 個(gè)因素關(guān)聯(lián)度的計(jì)算值匯總表

圖3 研究6 類影響因素灰色關(guān)聯(lián)度值對比

研究表明瀝青混合料空隙百分比與其滲透性能呈正相關(guān)關(guān)系[5-8]，8.0%作為分界點(diǎn)，低于8.0%時(shí)滲透性較小，超過8.0%滲透性較好，并且滲透性能增長隨空隙百分比增幅變大。 空隙百分比可作為表征瀝青混合料滲透性能力的指標(biāo)。

2.36mm 通過百分比與0.075mm 通過百分比因?yàn)榫哂谢旌狭霞壟涮卣鳎?.36mm 可作為AC-13.0、AC-16.0、SMA-13.0 級配的關(guān)鍵篩孔，其數(shù)值大小可以直接反映空隙百分比的高低。 計(jì)算數(shù)據(jù)可看出，影響程度只小于空隙百分比。 大部分石灰?guī)r礦粉組成粒徑可通過0.075mm 篩孔，僅有少量的可在混合料中充當(dāng)填充，所以推出其基本不會影響混合料的滲透性。 關(guān)聯(lián)度值為0.64，位于顯著和非顯著的臨界點(diǎn)，僅大于針入度。

級配最大粒徑嚴(yán)重影響著混合料結(jié)構(gòu)。 粒徑大的混合料骨架大，造成空隙通道大，從而混合料滲透性大。 在同等情形時(shí)AC-13.0 滲透系數(shù)低于AC-20.0 的滲透系數(shù)，在空隙百分比為8.0%，前者僅為后者的2/3。 分析其原因是AC-13.0 折算滲透通道的直徑遠(yuǎn)小于AC-20.0。

油石比例通過連通空隙的大小變化來影響混合料的滲透性。 油石比例同連通空隙比例具有很好的線性關(guān)聯(lián)性。 油石比例過大會釋放大量自由瀝青，充斥在連通空隙內(nèi)，從而造成混合料滲透性減小。 油石比例很小引起瀝青脫落，滲透性能上升。 所以適當(dāng)?shù)挠褪壤枰獫M足無自由瀝青與滲透性的雙重要求。

經(jīng)過對灰色關(guān)聯(lián)度比較能夠得出： 針入度基本不影響瀝青混合料的滲透性， 而結(jié)構(gòu)特征很大程度上影響著混合料的滲透性。 由于針入度僅影響瀝青的軟硬性與抗剪切性，所以基本不影響混合料的結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

本文為了研究各因素對瀝青混合料滲透性能的影響關(guān)系，設(shè)計(jì)相應(yīng)試驗(yàn)。選取瀝青針入度、瀝青占比、2.36mm篩孔通過百分比、0.075mm 篩孔通過百分比、級配最大粒徑與空隙百分比等6 個(gè)主要因素，借助灰色關(guān)聯(lián)理論，計(jì)算各自的灰色關(guān)聯(lián)度。 分析其影響程度并深度挖掘影響機(jī)理。 最后得到如下3 個(gè)重要結(jié)論：

(1)灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算能夠客觀反映6 個(gè)影響因素的影響程度， 可作為一項(xiàng)科學(xué)有效方法分析瀝青混合料滲透性能影響因素影響程度。

(2) 通過灰色關(guān)聯(lián)度的計(jì)算分析， 最后得到選用的6個(gè)影響因素的影響程度由高到低排序?yàn)椋?空隙百分比、2.36mm 篩孔通過百分比、級配最大粒徑、油石比例、0.075 mm 篩孔通過百分比、針入度。 其中前5 個(gè)因素影響十分顯著，僅針入度因素基本不影響瀝青混合料滲透性。

(3)深度挖掘6 個(gè)影響因素的影響機(jī)理，全部通過改變混合料內(nèi)部連通空隙來實(shí)現(xiàn)， 因此可推斷空隙比例是影響瀝青混合料滲透性能的決定因素。