排水瀝青混合料滲透特性研究

張 建

(福州市規(guī)劃設(shè)計研究院 福建福州 350000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，城市路網(wǎng)密度和汽車保有量得到快速的增加，這使得道路交通對人們的生活環(huán)境產(chǎn)生越來越大的影響。因此，向市民提供更安全、更舒適、更環(huán)保的城市道路已成為市政道路相關(guān)部門追求的新目標(biāo)。

實踐表明，排水瀝青路面是一種高品質(zhì)的路面結(jié)構(gòu)類型，體現(xiàn)了公路的人性化設(shè)計和“以人為本”的理念。該路面以排水瀝青混合料作為瀝青路面的上面層，雨水可迅速排入邊溝等排水構(gòu)造物中，具有減少雨天水霧、減輕夜間行車眩光、降低路面交通噪聲、提高路面抗滑性能和減輕熱導(dǎo)效應(yīng)等突出優(yōu)勢，是一種滿足安全、舒適、環(huán)保等新目標(biāo)典型路面結(jié)構(gòu)。

福建是一個高溫多雨的省份，近年來交通和市政建設(shè)發(fā)展迅速，人們對路面服務(wù)性能的要求也在不斷提高，該路面結(jié)構(gòu)可為福建城市道路的路面性能改善提供重要途徑，且擁有十分廣闊的應(yīng)用前景。但目前該排水瀝青路面在福建的實際應(yīng)用卻非常少，其因在于：排水瀝青路面在建設(shè)中仍存在諸多技術(shù)難點，同時對于排水瀝青混合料滲透特性與空隙率以及孔結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系存在未知，嚴(yán)重阻礙了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

鑒于此，本文將通過自制的滲透系數(shù)測試儀，對排水瀝青混合料的豎向以及橫向滲透系數(shù)進(jìn)行相關(guān)測試，進(jìn)而探究豎向和橫向滲透系數(shù)與空隙率以及孔結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，以期為排水瀝青路面的相關(guān)理論研究和推廣應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 排水瀝青混合料滲透系數(shù)測試方法

1.1 滲透系數(shù)測試原理

滲透系數(shù)用于表征排水瀝青路面的透水能力，是排水瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵性指標(biāo)。目前，滲透系數(shù)的測試方法都是基于Darcy定律進(jìn)行，該定律可表示為：

v=k·i

(1)

q=k·i·A

(2)

式中：v——滲透速度，cm/s；

k——滲透系數(shù)，cm/s；

i——水力坡度，%；

q——單位時間的流量，cm/s；

A——水流通過斷面的面積，cm2。

滲透系數(shù)的測試方法按照測試水頭的狀況可分為常水頭法和變水頭法兩種。常水頭法是通過測試恒定水頭差下產(chǎn)生的滲透量，進(jìn)而求得滲透系數(shù)，通常用于測量滲透系數(shù)大于0.01cm/s的材料；變水頭法是通過測試一定量水通過試件所需的時間，進(jìn)而求得滲透系數(shù)，通常用于測量滲透系數(shù)小于0.001cm/s的材料。由于排水瀝青混合料具有大空隙，滲透系數(shù)往往大于0.01cm/s，因此，本文采用常水頭法測試其滲透系數(shù)。

1.2 滲透系數(shù)測試方法

我國《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011)[1]規(guī)定采用路面滲水儀來評價瀝青路面的滲水性能。但相關(guān)研究結(jié)果表明，路面滲水儀測試方法和滲透系數(shù)計算方法不適用于大孔隙結(jié)構(gòu)的排水瀝青混合料。為了能更好地反映出排水瀝青路面的滲透特性，本文重新設(shè)計適用于該材料的滲透系數(shù)測試儀及計算方法。

1.2.1豎向滲透系數(shù)測試儀及方法

本文依據(jù)Darcy定律和諸永寧[2]的研究成果，自行設(shè)計了一種適用于測試排水瀝青混合料豎向滲透系數(shù)的儀器，如圖1所示。

圖1 排水瀝青豎向滲透系數(shù)測試儀

在常水頭滲透試驗中，根據(jù)式(2)可得到排水瀝青混合料豎向滲透系數(shù)Ky，如式(3)所示。

(3)

式中：Q——時間t內(nèi)滲出的水量，cm3；

L——滲流長度，cm；

A——試件的橫斷面積，cm2；

t——滲透時間，s；

Δh——測壓管水頭差，cm。

1.2.2橫向滲透系數(shù)測試儀及方法

經(jīng)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的排水瀝青混合料橫向滲透系數(shù)測試儀存在一定的局限性，如：諸永寧[2]等人設(shè)計的測試儀雖然簡單，但測量的是無壓狀態(tài)下的滲透系數(shù)，該儀器難以準(zhǔn)確地測量出其橫向滲透系數(shù)。馬翔[3]等人設(shè)計的測試儀雖然過于復(fù)雜且對試件尺寸有特殊要求，但可以得到較為可靠的結(jié)果。本文在諸永寧和馬翔等人研究的基礎(chǔ)上，充分考慮試驗的方便性和簡單性，選用車轍板試件并設(shè)計出適用于測試排水瀝青混合料橫向滲透系數(shù)的儀器，如圖2所示。同時，利用該儀器的測試結(jié)果，計算出橫向滲透系數(shù)的方法與求解豎向滲透系數(shù)的方法相同，如式(3)所示。

圖2 排水瀝青橫向滲透系數(shù)測試儀

2 排水瀝青混合料的滲透特性

2.1 豎向滲透特性

2.1.1試驗過程

豎向滲透試驗采用成型且未脫模的馬歇爾試件。該試件能夠保持試件周圍的密封性，使水只能沿試件上下表面流動。具體步驟如下：

(1)在未脫模的馬歇爾試件兩端，分別裝上進(jìn)水口和出水口裝置。

(2)在接口處均勻地涂上玻璃膠，使其密封。

(3)待玻璃膠干后，用保鮮膜再一次進(jìn)行密封處理，保證水流只能從馬歇爾試件的上表面流向下表面。

(4)打開水龍頭，保證恒定的水流速度。觀察一段時間后，檢查密封處和接口處是否漏水。若漏水，則需重新進(jìn)行密封；若無漏水，則開始測試豎向滲透系數(shù)。

(5)在按下秒表的同時，用盆接流出的水，通過記錄一定時間內(nèi)透過試件的水量Q，并利用公式(3)計算出排水瀝青混合料的豎向滲透系數(shù)。為保證試驗結(jié)果的可比性，要求對同一個試件進(jìn)行3次平行試驗，且要求3次試驗結(jié)果的誤差在允許范圍內(nèi)。

2.1.2試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

本文選取3組不同空隙率(18%、20%、22%)的級配并制作馬歇爾試件，分別測試其豎向滲透系數(shù)。為保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，要求水位差盡量控制在5mm以內(nèi)。試驗結(jié)果如圖3所示。

由圖3可以看出，對于排水瀝青混合料，其豎向滲透系數(shù)隨空隙率的增大而逐漸增大?？障堵蕿?0%的豎向滲透系數(shù)是空隙率為18%的1.4倍，空隙率為22%的豎向滲透系數(shù)是空隙率為20%的2倍，該現(xiàn)象表明：隨著空隙率的增大，其增大趨勢逐漸明顯。

圖3 三種不同空隙率的豎向滲透系數(shù)

針對排水瀝青混合料的滲透系數(shù)，不同地區(qū)根據(jù)各自的排水需求，分別給出了滲透系數(shù)要求。日本要求采用路面滲水儀測試滲透系數(shù)，且要求滲水系數(shù)大于900ml/15s。我國也同樣要求采用路面滲水儀進(jìn)行測試，但只有個別省份給出了具體要求。如浙江省《城鎮(zhèn)道路特種瀝青路面工程施工與質(zhì)量驗收規(guī)范》要求滲透系數(shù)大于0.01cm/s。從圖3可以看出，滲透系數(shù)均大于0.01cm/s，說明該排水瀝青混合料能夠滿足雨水入滲要求，且空隙率越大，越不易形成水霧和水漂。

2.2 橫向滲透特性

2.2.1試驗過程

橫向滲透試驗采用成型且脫模的車轍板試件，對其兩側(cè)和上下表面的密封性要求極高，同時要求其水頭差不超過9mm。具體步驟如下：

(1)制作成型車轍板試件，要求成型時模具底板和四周不鋪筑報紙，保證水流能夠橫向流動。成型車轍板靜置一天后進(jìn)行脫模，脫模時注意保證試件的完整性。

(2)將試件放入水平凹槽內(nèi)，左側(cè)為進(jìn)水口，右側(cè)為出水口。將試件的前后兩側(cè)以及上下兩側(cè)用油泥密封并蓋上玻璃板，使玻璃板緊貼試件的上表面。之后，在蓋上的玻璃板四周打上玻璃膠，以保證上表面不漏水。

(3)靜置1～2d，待玻璃膠凝固后，打開水龍頭并觀察是否漏水。如果出現(xiàn)水流從車轍板前后兩側(cè)壁或上下表面流出，則需要重新補上油泥或者玻璃膠，再次確認(rèn)是否會漏水；如果沒有漏水，則開始測試橫向滲透系數(shù)。

(4)打開水龍頭并保證恒定的水流，按下秒表的同時用盆接流出的水，通過記錄一定時間內(nèi)透過試件的水量Q，并利用式(3)計算出該排水瀝青混合料的橫向滲透系數(shù)。為了保證試驗結(jié)果的可比性，相關(guān)要求與豎向滲透試驗一致。

2.2.2試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)處理

本文選取3組不同空隙率(18%、20%、22%)的級配并制作車轍板試件，分別測試其橫向滲透系數(shù)，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 三種不同空隙率的橫向滲透系數(shù)

從圖4可以看出，對于排水瀝青混合料，其橫向滲透系數(shù)隨著空隙率的增大而逐漸增大?？障堵蕿?0%的橫向滲透系數(shù)是空隙率為18%的1.6倍，空隙率為22%的橫向滲透系數(shù)是空隙率為20%的1.8倍，說明隨著空隙率的增大，其增大趨勢逐漸明顯。

國內(nèi)外對于排水瀝青混合料橫向滲透系數(shù)的研究較少，且未給出滲透系數(shù)的相關(guān)要求。但橫向滲透系數(shù)對雨水的外排速度有很大影響，其值越大，雨水從空隙中排出的速度就越快。

2.3 豎向與橫向滲透系數(shù)關(guān)系

在排水設(shè)計中，滲透系數(shù)決定了雨水的入滲速度和外排速度。根據(jù)試驗結(jié)果，3種空隙率(18%、20%、22%)的豎向和橫向滲透系數(shù)之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 豎向與橫向滲透系數(shù)之間的關(guān)系

從圖5可以看出，豎向與橫向滲透系數(shù)之間的線性關(guān)系明顯。在相同空隙率下，橫向滲透系數(shù)大于豎向滲透系數(shù)。

3 孔結(jié)構(gòu)與滲透系數(shù)關(guān)系

為研究孔結(jié)構(gòu)與滲透系數(shù)之間的關(guān)系，本文將張建[4]研究得到的排水瀝青混合料豎向截面和橫向截面的孔結(jié)構(gòu)參數(shù)與橫向和豎向滲透系數(shù)做對比分析，如表1所示。

表1 孔結(jié)構(gòu)與滲透系數(shù)

由表1可知，豎向和橫向截面的空隙占有率、等效直徑相差不大，未表現(xiàn)出明顯的差別，但橫向與豎向滲透系數(shù)卻表現(xiàn)出較大的差別。

在試驗中出現(xiàn)橫向滲透系數(shù)大于豎向滲透系數(shù)，其主要原因是由于試驗所采用的測試方法存在區(qū)別造成，分析如下：測試橫向滲透系數(shù)采用車轍板試件，其滲流長度較長，水頭差較大，且無法真正做到試件完全的密封；測試豎向滲透系數(shù)采用馬歇爾試件，其滲流長度較短，水頭差較小，且測試結(jié)果存在較大的不穩(wěn)定性；這些原因使得豎向滲透系數(shù)與橫向滲透系數(shù)存在差別。相關(guān)研究指出，采用大馬歇爾試件測試得到的豎向滲透系數(shù)[5]與橫向滲透系數(shù)較為接近。對于排水瀝青混合料滲透特性的相關(guān)測試，國內(nèi)外還沒有形成較為統(tǒng)一的測試方法，通常由各研究單位根據(jù)滲透系數(shù)測試的原理自行設(shè)計滲透系數(shù)測試裝置。因此，對于排水瀝青混合料的滲透特性還有待進(jìn)一步研究，以形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

4 討論

當(dāng)前，國內(nèi)外在排水瀝青混合料豎向滲透系數(shù)方面的研究較多，本文總結(jié)了利用馬歇爾試件測試其豎向滲透系數(shù)的試驗結(jié)果[6]，如圖6所示。

由圖6可知，排水瀝青混合料的豎向滲透系數(shù)隨著空隙率的增大而增大，且滲透系數(shù)均大于0.01cm/s，范圍在0.01～0.04cm/s之間。其滲透系數(shù)受瀝青性質(zhì)的影響較小，采用不同的高粘瀝青，其滲透系數(shù)差別不大。不同單位采用馬歇爾試件測試排水瀝清混合料滲透系數(shù)的差別較小，具有一定的穩(wěn)定性，可作為豎向滲透系數(shù)的測試試件。綜合以上分析，本文建議福建省排水瀝青混合料的豎向滲透系數(shù)需大于0.01cm/s。

當(dāng)前，國內(nèi)外在排水瀝青混合料橫向滲透系數(shù)方面的研究較少，采用的試件標(biāo)準(zhǔn)和條件也各不相同。經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)主要采用車轍板試件[7-9]進(jìn)行測試，本文也總結(jié)了國內(nèi)關(guān)于橫向滲透系數(shù)的測試結(jié)果，如圖7所示。

圖7 排水瀝青混合料橫向滲透系數(shù)試驗結(jié)果

分析圖7可知，隨著空隙率的增大，排水瀝青混合料的橫向滲透系數(shù)也呈增大趨勢，范圍在0.4～1.7cm/s之間。采用車轍板試件測試的豎向與橫向滲透系數(shù)有明顯差別，這與豎向和橫向截面的空隙占有率相差不大相矛盾，分析認(rèn)為其主要原因是由于采用不同的測試儀器和試件進(jìn)行試驗造成。綜合以上分析，本文建議福建省排水瀝青混合料橫向滲透系數(shù)需大于0.01cm/s。

5 結(jié)論

本文通過自制的排水瀝青混合料滲透系數(shù)測試儀分別測試其豎向和橫向滲透系數(shù)并進(jìn)行相關(guān)的研究分析，得到以下結(jié)論：

(1)隨著空隙率的增大，排水瀝青混合料的豎向滲透系數(shù)和橫向滲透系數(shù)均增大。在相同空隙率條件下，橫向滲透系數(shù)大于豎向滲透系數(shù)。

(2)對于排水瀝青混合料豎向滲透試驗，由于采用馬歇爾試件，存在滲流長度較短、水位差小和不易控制水位差等問題，建議采用大馬歇爾試件。

(3)采用馬歇爾試件測試的排水瀝青混合料豎向滲透系數(shù)范圍在0.01～0.04cm/s之間，采用車轍板試件測試的橫向滲透系數(shù)則在0.4～1.7cm/s之間。該測試結(jié)果與豎向和橫向截面的空隙占有率無明顯差別相矛盾，分析認(rèn)為其主要原因是由于試驗時采用不同的測試儀器和試件造成。經(jīng)綜合分析，本文建議福建省排水瀝青混合料豎向和橫向滲透系數(shù)均需大于0.01cm/s。