級配對排水瀝青路面抗堵塞能力的影響研究

朱旭偉，李波，魏定邦,2，李昊 編譯

(1.蘭州交通大學(xué) 甘肅省道路橋梁與地下工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司)

排水瀝青混凝土多被應(yīng)用于城市雨水管理和高速公路磨耗層中。與常用的密級配瀝青混凝土相比，其具有抑制雨天行車水霧、降低交通噪聲、增加可視性、提高路面抗滑性能、補(bǔ)給地下水以及過濾徑流污染物等優(yōu)點(diǎn)。但是，排水瀝青路面在使用過程中，由于泥土、胎屑以及落葉等污染物在路面內(nèi)部空隙中的沉積，堵塞成為影響排水瀝青路面發(fā)展最主要的問題。Bishop、Nielsen、Isenring等均在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)排水瀝青路面在不養(yǎng)護(hù)的工況下，其使用壽命為1～5年。

除了堵塞顆粒能夠?qū)е屡潘疄r青路面堵塞外，由于混合料中瀝青的老化，瀝青與集料之間的黏聚力下降，瀝青脫落也會(huì)導(dǎo)致排水瀝青混凝土被堵塞，從而降低排水瀝青路面的滲透性。Fwa等采用堵塞材料對4種級配瀝青混合料進(jìn)行堵塞試驗(yàn)，然后測量其滲水系數(shù)。結(jié)果表明：在堵塞材料添加初期，滲水系數(shù)會(huì)迅速減小，隨著堵塞材料的增加，滲水系數(shù)逐漸減小。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，排水瀝青混凝土的堵塞存在一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，該狀態(tài)可以作為排水瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)耐久性指標(biāo)；Suresha等對不同級配、不同油石比以及不同堵塞材料下混合料堵塞行為進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：初始滲水系數(shù)大于100 m/d的排水瀝青混合料在達(dá)到穩(wěn)定堵塞狀態(tài)后表現(xiàn)出良好的排水能力；Hamzah等對單層和雙層排水瀝青混凝土系統(tǒng)進(jìn)行了堵塞和清除堵塞研究，結(jié)果表明：連續(xù)的堵塞和清除堵塞會(huì)破壞空隙結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，混合料更容易被堵塞。同時(shí)發(fā)現(xiàn)雙層排水瀝青路面比單層排水瀝青路面的抗堵塞能力更好。

該文采用10種不同級配的排水瀝青混合料試件進(jìn)行滲水試驗(yàn)，通過建立表征級配粗細(xì)的粒徑比參數(shù)R15和堵塞前后滲水系數(shù)、初始堵塞率以及二次堵塞率之間的相關(guān)關(guān)系，旨在研究級配對排水瀝青混合料抗堵塞特性的影響，為排水瀝青混合料的級配設(shè)計(jì)以及排水瀝青混凝土路面的后期養(yǎng)護(hù)提供參考。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

采用PG 76-22的SBS改性瀝青，集料均采用花崗巖礦料，填料采用石灰石礦粉，此外，加入1%的消石灰和纖維素分別作為抗剝落劑和穩(wěn)定劑。

1.2 試件制備

按照美國常用的10個(gè)OGFC級配，每種級配采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀制備直徑150 mm、高度(115±5)mm的排水瀝青混合料試件3個(gè)。各排水瀝青混合料試件的配合比見表1。

表1 各排水瀝青混合料試件配合比

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 空隙率試驗(yàn)方法

分別按照ASTM D7063的真空密封法和ASTM D2041測定計(jì)算每個(gè)試件的毛體積相對密度和理論最大相對密度，然后利用毛體積相對密度和理論最大相對密度計(jì)算試件的空隙率。

1.3.2 滲水系數(shù)試驗(yàn)方法

如圖1所示，采用變水頭滲水儀測定每個(gè)試樣的滲水系數(shù)。在測試之前，先用塑料薄膜包裹試件的側(cè)面積，塑料薄膜應(yīng)高出試件一定的高度，以保證水流在試件內(nèi)部流動(dòng)，使用油膩?zhàn)訉⒃嚰c立管、塑料薄膜之間密封，以防止水流流出。然后打開閥門，從試件下方的出水口加水，直到水位到達(dá)試樣頂部將空氣全部排出試件。然后關(guān)閉閥門，向立管中加水至高于試件頂面大約375 mm。排水瀝青混合料試件的滲水系數(shù)按式(1)計(jì)算，計(jì)算時(shí)以水面從300 mm(h1)下降到75 mm(h2)所需的時(shí)間t為標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 變水頭滲水儀

(1)

式中：K初始為路面滲水系數(shù)(mm/s)；a為立管的橫截面積(mm2)；L為試樣的高度(mm)；A為試樣的橫截面積(mm2)。

1.3.3 堵塞試驗(yàn)方法

(1)在測試完初始滲水系數(shù)之后，以0.15～0.3 mm細(xì)砂為堵塞材料，按照ASTM E965鋪砂法對混合料進(jìn)行初次堵塞，記錄堵塞每個(gè)試件的表面空隙所需的細(xì)砂質(zhì)量m，然后直接測量每個(gè)試件的滲水系數(shù)KTD。

(2)用自來水逆向沖洗試件，測量其滲水系數(shù)。

(3)在試件表面均勻地撒布15 g細(xì)砂，然后測量其滲水系數(shù)。

(4)重復(fù)步驟(3)，直至添加的細(xì)砂質(zhì)量大于步驟(1)中使用的細(xì)砂質(zhì)量m。

2 結(jié)果與討論

2.1 空隙率

圖2為不同級配排水瀝青混合料空隙率和有效空隙率的試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可知：10種不同級配混合料的空隙率分布范圍為10%～22.1%，級配最細(xì)的混合料H的空隙率最小(10%)，有效空隙率為8.4%；級配最粗的混合料C的空隙率最大(22.1%)，有效空隙率為20%。

圖2 級配對排水瀝青混合料空隙率的影響

排水瀝青混合料2.36 mm通過率和空隙率的關(guān)系曲線如圖3所示。由圖3可知：空隙率和2.36 mm通過率有良好的線性關(guān)系，2.36 mm篩孔的通過率越大，空隙率越小。粗細(xì)集料的分界篩孔為2.36 mm，2.36 mm篩孔的通過率越大說明細(xì)集料含量越多，混合料級配越偏細(xì)。因此級配粗細(xì)對混合料的空隙率和有效空隙率有著顯著性影響，隨著級配的變化，混合料的空隙率和有效空隙率顯著不同。

圖3 2.36 mm通過率與空隙率的關(guān)系

2.2 初始滲水系數(shù)

圖4為不同級配排水瀝青混合料初始滲水系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果。由圖4可以看出：不同級配試件的初始滲水系數(shù)和其空隙率有著相同的變化趨勢。級配最細(xì)的混合料H的滲水系數(shù)最??；級配最粗的混合料C的滲水系數(shù)最大。除E和H兩種混合料外，其他混合料的初始滲水系數(shù)均大于建議值100 m/d。

圖4 不同級配排水瀝青混合料的滲水系數(shù)

圖5為2.36 mm篩孔通過率與初始滲水系數(shù)之間的關(guān)系曲線。由圖5可以看出：排水瀝青混合料的初始滲水系數(shù)和2.36 mm通過率有很好的相關(guān)關(guān)系，隨著2.36 mm篩孔通過率的增加，初始滲水系數(shù)先迅速減小，然后逐漸趨于平緩，說明級配粗細(xì)對混合料的滲水系數(shù)有著顯著性影響，隨著級配的變化，混合料的滲水系數(shù)顯著不同。

圖5 2.36 mm通過率與初始滲水系數(shù)的關(guān)系

2.3 堵塞

2.3.1 初始堵塞

在初始堵塞之后，直接測量填充細(xì)砂后試件的滲水系數(shù)(KTD)，結(jié)果如圖4所示，由圖4可知：隨著堵塞物質(zhì)的加載，試件的滲水系數(shù)顯著降低，但是其并未減小至零。造成以上結(jié)果可能有兩個(gè)原因，一個(gè)是試件內(nèi)部的一部分空隙大于細(xì)砂的粒徑；另一個(gè)是細(xì)砂本身由于其粒徑和級配而具有一定的滲透性。初始堵塞率按照式(2)計(jì)算：

(2)

式中：CR初始為初始堵塞率；K初始為未堵塞時(shí)的滲水系數(shù)；KTD為添加細(xì)砂后試件的滲水系數(shù)；m為首次堵塞每個(gè)試件的表面空隙所需的細(xì)砂質(zhì)量。

圖6為初始滲水系數(shù)和清除堵塞后試件滲水系數(shù)之間的線性回歸曲線。

圖6 初始滲水系數(shù)對清除堵塞后試件滲水系數(shù)的影響

由圖6可以看出：清除堵塞后的滲水系數(shù)并未完全恢復(fù)到初始值，而是恢復(fù)到了初始滲水系數(shù)的69%。這可能是因?yàn)樯傲＿w移到了排水瀝青混合料試件內(nèi)部的空隙中，用水只能沖洗掉試件表層和淺層的砂粒，對于試件內(nèi)部空隙中的砂粒無法清除，所以滲水系數(shù)只能恢復(fù)一部分。

2.3.2 逐步堵塞

圖7為不同級配的排水瀝青混合料試件逐步堵塞時(shí)的滲水系數(shù)。

圖7 不同級配的排水瀝青混合料試件逐步堵塞時(shí)的平均滲水系數(shù)

由圖7可以看出：在逐步加載細(xì)砂時(shí)，每種級配的排水混合料試件的滲水系數(shù)以相對線性的趨勢逐漸減小。堵塞后試件內(nèi)部的滲流可以用達(dá)西定律來解釋，其滲流量與滲流路徑成反比關(guān)系。隨著堵塞物質(zhì)的積累，滲流路徑增大，滲流量減小，因此滲水系數(shù)呈線性趨勢減小。

對比級配C和級配H試件的滲水系數(shù)變化曲線，可以發(fā)現(xiàn)粗型級配加載堵塞物質(zhì)的次數(shù)大于細(xì)型級配的加載次數(shù)，說明粗型級配的抗堵塞能力更好。這可能是因?yàn)榇中图壟渲写罅降募锨稊D構(gòu)建的空隙比細(xì)型級配中小粒徑的集料構(gòu)建的空隙大，更容易形成透水的路徑，所以不容易被堵塞。

二次堵塞率(CR二次)可以定義為第一次堵塞后，滲水系數(shù)隨著加載堵塞物質(zhì)量的變化率的平均值。圖8為每種級配的初始堵塞率和二次堵塞率的分布圖。

圖8 堵塞率分布圖

由圖8可知：初始堵塞率和二次堵塞率之間存在著顯著的差異，二次堵塞率相比于初始堵塞率，大約減小了50%。Suresha的研究指出當(dāng)堵塞材料首次加入排水瀝青混合料時(shí)，滲水系數(shù)急劇下降，隨著堵塞物質(zhì)加載量的增加，滲水系數(shù)逐漸減小，最后趨于一個(gè)穩(wěn)定值KC。當(dāng)用水沖洗試樣后，其滲水系數(shù)可以逐漸恢復(fù)到KR，如圖9所示。因此，二次堵塞率可以作為排水瀝青路面規(guī)劃和設(shè)計(jì)的一個(gè)重要參數(shù)，也可以為排水瀝青路面的清除堵塞周期提供參考。

圖9 堵塞材料加載量對滲透性的影響

2.4 初始滲透率對堵塞率的影響

圖10為初始滲水系數(shù)與初始堵塞率和二次堵塞率之間的線性回歸曲線。

圖10 初始滲水系數(shù)對堵塞率的影響

由圖10可知：初始堵塞率和二次堵塞率都與初始滲水系數(shù)之間具有良好的線性相關(guān)性，比較兩條曲線的斜率關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，二次堵塞率大約為初始堵塞率的一半。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證初始堵塞率與二次堵塞率的關(guān)系，建立二者之間的關(guān)系曲線如圖11所示(虛線表示二次堵速率是初始堵塞率的一半，實(shí)線表示二次堵速率和初始堵塞率之間的實(shí)際關(guān)系)。

由圖11可知：在初始堵塞率較小時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)大多落在虛線的上邊，這意味著二次堵塞率大于初始堵塞率的一半。這可能是由于初始堵塞率小的試件含有較小的空隙，限制了砂粒進(jìn)入較深的空隙中，用水沖洗時(shí)，表面的砂粒很容易被清除，試樣會(huì)恢復(fù)到近似初始狀態(tài)，再次進(jìn)行堵塞時(shí)，其二次堵塞率和初始堵塞率會(huì)近似相等。而在初始堵塞率較大時(shí)，數(shù)據(jù)點(diǎn)大多落在虛線的下邊，二次堵速率和初始堵塞率之間的關(guān)系小于1∶2。這是由于試件空隙較大，砂粒較容易進(jìn)入試件的內(nèi)部，而進(jìn)入試件內(nèi)部的砂粒不容易被清除。

圖11 初始堵塞率對二次堵塞率的影響

2.5 級配對滲透性和堵塞率的影響

(3)

圖12 R15對不同堵塞條件下的滲水系數(shù)和二次堵塞率的影響

3 結(jié)論

(1)排水瀝青混合料的滲水系數(shù)與級配有很強(qiáng)的相關(guān)性。可以用R15來描述排水瀝青混合料級配的粗細(xì)。隨著R15的增大，排水瀝青混合料的滲水系數(shù)也隨之增大。堵塞后的排水瀝青混合料的滲水系數(shù)也有相同的變化趨勢。

(2)在添加堵塞物質(zhì)初期，排水瀝青混合料的滲水系數(shù)會(huì)迅速減小，之后逐漸減小，最后趨于穩(wěn)定。用水沖洗完堵塞物后，排水瀝青混合料的滲水系數(shù)只恢復(fù)到初始滲水系數(shù)的69%。

(3)初始堵塞率較小時(shí)，二次堵塞率大于初始堵塞率的一半；初始堵塞率較大時(shí)，二次堵塞率小于初始堵塞率的一半；二次堵塞率和R15有很強(qiáng)的相關(guān)性，可以通過R15來估算二次堵塞率。

(4)建議排水瀝青路面在設(shè)計(jì)時(shí)使用R15較大的粗型級配以提高排水瀝青路面的抗堵塞能力。

——編譯自：William D.Martin,Bradley J.Putman,Andrew I.Neptune.Influence of Aggregate Gradation on Clogging Characteristics of Porous Asphalt Mixtures[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2014,26(7):1-7.