大空隙瀝青混凝土空隙堵塞特性研究

顧盛 陳滿(mǎn)軍 林莉 王炯月 馬翔

摘 要：為研究排水性瀝青混凝土在使用過(guò)程中的堵塞特性，采用自行開(kāi)發(fā)的大空隙瀝青混凝土滲透系數(shù)測(cè)試裝置，研究2種不同堵塞方式對(duì)大空隙瀝青混凝土滲透系數(shù)的影響，并通過(guò)CT掃描其內(nèi)部細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)。研究表明：滲流方向的滲透系數(shù)受堵塞劑影響嚴(yán)重;堵塞劑質(zhì)量相同時(shí)，堵塞物含量小的堵塞劑對(duì)大空隙瀝青混合料的堵塞更嚴(yán)重;多次堵塞及一次性堵塞的試件，其豎向及橫向掃描出的長(zhǎng)軸與短軸值均小于基準(zhǔn)試件;堵塞過(guò)程中空隙率的減小主要是大孔數(shù)量及大孔比在減小，在細(xì)料堵塞后，大孔逐漸演變?yōu)橹锌?，?dǎo)致中孔比增加。堵塞物沿著滲流方向在空隙中的滯留導(dǎo)致排水性路面滲透系數(shù)減小、排水功能衰減。

關(guān)鍵詞：大空隙瀝青混合料;CT掃描;堵塞行為;細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)：TU528.42 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：1006-8023（2021）03-0126-05

Abstract：In order to study the clogging characterization of the porous asphalt concrete during the service period， the influence of two different plugging methods on the permeability coefficient of largevoid asphalt concrete was studied by using the selfdeveloped largevoid asphalt concrete permeability coefficient test device， and CT scanning was used to study the mesoscopic void structure of the plugged specimen. The results showed that the plugging agent mainly affected the permeability coefficient of the seepage direction. When the quality of the plugging agent was the same， the plugging agent with small plugging material content would be more serious to the large void asphalt mixture. For the specimens with multiple blockages and onetime blockage， the long axis and short axis values scanned vertically and horizontally were smaller than the reference specimen. The decrease of the void ratio during the blockage process was mainly due to the decrease in the number of large voids and the large void ratio. After the clogging of the fine material was added， the large void gradually evolved into medium void， resulting in an increase in the medium void ratio. The retention of the clogs in the void along the seepage direction lead to the decrease of the permeability coefficient and the attenuation of drainage function of the drainage pavement.

Keywords：Large void asphalt mixture; CT scanning; clogging behavior; mesoscopic void structure

0 引言

大空隙瀝青混凝土的空隙率一般為18%～25%，由于其大空隙特性使其路面具有良好的表面功能，尤其是雨天減低路面積水，提高行車(chē)的安全性[1-2]。在實(shí)際使用過(guò)程中，隨著空隙率受堵塞而衰減，大空隙瀝青混凝土各向滲透行為均有不同程度的衰減[3]。馬翔等[4]研究成果表明，降雨過(guò)程中懸浮顆粒的沉淀是排水路面空隙堵塞的主要原因，深截面堵塞比淺截面堵塞嚴(yán)重，沿著水流方向，越往外，空隙堵塞越嚴(yán)重。Deo等[5]認(rèn)為細(xì)土、砂石及碎的有機(jī)材料是大空隙路面的主要堵塞物質(zhì)。Chopra等[6]研究表明，透水路面的堵塞物以0.075 mm以下沙子含量最大。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者[7-9]在設(shè)計(jì)堵塞試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過(guò)大空隙瀝青混凝土滲透特性的變化研究其堵塞特性，對(duì)其內(nèi)部堵塞行為缺乏深入研究，CT掃描技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于瀝青混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究[10-15]，Gong等[16]就基于CT掃描技術(shù)從微觀角度對(duì)凍融循環(huán)下瀝青混合料孔隙形狀及變化特征進(jìn)行了研究。

本研究采用自制的滲水儀測(cè)試2種不同濃度堵塞物對(duì)大空隙瀝青混合料滲透系數(shù)影響，利用工業(yè)CT掃描其內(nèi)部細(xì)觀空隙結(jié)構(gòu)后采用圖像處理技術(shù)進(jìn)行分析，基于分析結(jié)果研究大空隙瀝青混凝土的堵塞行為。

1 堵塞試驗(yàn)

本研究對(duì)大空隙瀝青混合料PAC-13開(kāi)展試驗(yàn)，其組成原材料包括：高黏瀝青、玄武巖集料、石灰?guī)r礦粉，試驗(yàn)之前對(duì)各種原材料的性質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，均滿(mǎn)足技術(shù)規(guī)范要求。為減小級(jí)配組成的差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，配料時(shí)按照單一粒徑逐一抓配[17]。按照規(guī)范要求[18]，改變2.36 mm篩孔的通過(guò)率，初選3種進(jìn)行對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上確定最優(yōu)級(jí)配作為本研究最終選用級(jí)配，此成型大空隙瀝青混凝土為基準(zhǔn)試件，此基準(zhǔn)試件記為試件Ⅰ。

堵塞劑的配比基于已有研究成果[19]，級(jí)配組成見(jiàn)表1，模擬分析不同堵塞情況對(duì)大空隙瀝青混合料滲透系數(shù)的影響，利用自制滲水儀器對(duì)堵塞后試件的豎向及橫向滲透系數(shù)進(jìn)行測(cè)試分析，具體滲透系數(shù)測(cè)試方法參照筆者前期研究成果[20]。

堵塞材料采用砂土和黏土的混配，0.075 mm以下的顆粒為黏土，0.075 mm以上的顆粒為砂石。實(shí)際路面堵塞時(shí)存在多次堵塞和污染物濃度的問(wèn)題，研究過(guò)程中考慮了2種堵塞方式對(duì)大空隙瀝青混合料滲透特性的影響，1種是在250 mL水中加入10 g堵塞料作為1份堵塞劑，堵塞試驗(yàn)時(shí)將4份此類(lèi)材料由試件頂面灌入大空隙瀝青混凝土，該試件記作Ⅱ;另1種在250 mL水中加入40 g堵塞料作為1份堵塞劑，堵塞試驗(yàn)時(shí)將1份此類(lèi)材料由試件頂面灌入大空隙瀝青混凝土，該試件記作Ⅲ。2種堵塞試驗(yàn)方式灌入大空隙瀝青混凝土中的堵塞料相等，均為40 g。堵塞試驗(yàn)后2種試件表面如圖1所示。

2 堵塞對(duì)滲透系數(shù)影響

在已有研究成果的基礎(chǔ)上[21]，利用自制滲水儀器測(cè)試經(jīng)過(guò)堵塞試驗(yàn)后的大空隙瀝青混合料試件的體積參數(shù)及滲透系數(shù)，為了滿(mǎn)足達(dá)西定律，試驗(yàn)時(shí)水頭差控制在4.5 mm以?xún)?nèi)，滲透試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2中的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出：

（1）堵塞后豎向滲透系數(shù)顯著減小，而橫向滲透系數(shù)變化不明顯，由此可見(jiàn)，堵塞試驗(yàn)中堵塞劑主要降低滲流方向的滲透系數(shù)。

（2）在固體顆粒質(zhì)量相同時(shí)，固體顆粒濃度小的堵塞劑對(duì)滲透系數(shù)的影響更顯著，試件Ⅱ的豎向滲透系數(shù)比試件Ⅲ降低嚴(yán)重。

3 空隙堵塞特征研究

3.1 CT圖像處理

X-ray CT掃描可在無(wú)損狀態(tài)下，對(duì)檢測(cè)物體進(jìn)行多方向的掃描，采集X射線在被檢物體中的衰減信息，將掃描斷面用灰度圖像展現(xiàn)。本研究對(duì)前述滲水試驗(yàn)后的15 cm立方體大空隙瀝青混凝土試件進(jìn)行鉆芯取樣，基于掃描精度的需要，在試件中心取出4.5 cm×5 cm圓柱體試件進(jìn)行CT掃描試驗(yàn)。分別從TOP、RIGHT 2個(gè)方向進(jìn)行掃描，以分別獲取試件豎向、橫向的圖像。

將掃描獲取的圖像導(dǎo)出，并保存為256級(jí)灰度圖像，灰度圖像如圖2（a）所示。采用Image Pro-Plus（IPP）軟件對(duì)圖像進(jìn)行處理，處理過(guò)程中首先對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，結(jié)果如圖2（b）所示，圖中黑色部分代表空隙，白色部分代表集料和膠漿。

3.2 空隙細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析

3.2.1 空隙率空間分布

基準(zhǔn)試件與經(jīng)過(guò)堵塞試驗(yàn)后試件空隙率的空間分布如圖3所示，沿試件高度方向?yàn)樨Q向掃描，掃描圖片按間距1 mm選取，沿圓柱體直徑方向?yàn)闄M向掃描，橫向掃描圖片為長(zhǎng)度不等的矩形，靠近端部的圖片長(zhǎng)度很小，導(dǎo)致空隙率誤差較大，因此，分析橫向圖片時(shí)選擇中部的32張圖像進(jìn)行分析。

圖3為3種狀況下橫向、豎向的空隙率分布圖。豎向掃描結(jié)果顯示，分4次灌入堵塞物的試件Ⅲ上部和下部的空隙率分布曲線明顯均較未堵塞試件的曲線靠左，說(shuō)明在此范圍內(nèi)堵塞嚴(yán)重;1次性灌入堵塞物的試件Ⅲ在上部空隙率更小，堵塞嚴(yán)重，其余深度處空隙率在20%左右波動(dòng)，堵塞不顯著。由此可見(jiàn)，堵塞劑中固體物質(zhì)濃度高主要是堵塞大空

隙瀝青混凝土淺處的空隙，而濃度低時(shí)可堵塞更深處的空隙。

橫向掃描結(jié)果顯示，10 mm附近未堵塞試件空隙率偏差較大，局部空隙率小于15%，這是由于試件中空隙的不均勻所致?？傮w而言，堵塞后的試件較未堵塞試件空隙率偏左，其中分4次堵塞試件空隙率偏左更嚴(yán)重，由此可見(jiàn)堵塞后試件橫向掃描圖片的空隙率也減小，分4次堵塞后空隙率減小更顯著。

3.2.2 空隙形態(tài)特征

空隙形態(tài)分析是其細(xì)觀分析中不可或缺的一部分，可反映堵塞行為對(duì)空隙結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和變化趨勢(shì)的影響。本研究基于圖像處理技術(shù)獲得的空隙，根據(jù)典型的特征參數(shù)分析了堵塞試驗(yàn)后混合料試件與基準(zhǔn)試件的空隙形態(tài)，本研究采用的特征參數(shù)包括平均等效直徑、長(zhǎng)軸和短軸等，各參數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3的數(shù)據(jù)對(duì)比可看出，堵塞試驗(yàn)后空隙的平均等效直徑增大，無(wú)論是分4次堵塞后還是1次性堵塞后的試件，其豎向及橫向掃描出的長(zhǎng)軸與短軸值均小于基準(zhǔn)試件，且1次性堵塞后試件的長(zhǎng)軸與短軸值最小，1次性堵塞對(duì)試件內(nèi)部空隙形態(tài)分布影響更大，說(shuō)明堵塞物濃度越大，對(duì)混合料的空隙形態(tài)影響更大，2種不同堵塞方式下試件的長(zhǎng)短軸之比均小于基準(zhǔn)試件。

3.2.3 空隙分布特征

為了研究堵塞行為對(duì)空隙大小、數(shù)量特征的影響，定義空隙等效直徑在0～1 mm范圍內(nèi)的空隙稱(chēng)為小孔，≥1～5 mm的空隙稱(chēng)為中孔，>5 mm的空隙稱(chēng)為大孔，統(tǒng)計(jì)分析了各類(lèi)孔的分布規(guī)律，各參數(shù)分析結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4可以看出，2種堵塞試驗(yàn)后，試件內(nèi)部的總孔數(shù)均下降，主要是大孔數(shù)量的減少，大孔數(shù)量的減少導(dǎo)致大孔比例的減小;堵塞后2試件的中孔比顯著增大，1次堵塞試件的空隙變化幅度更明顯;與基準(zhǔn)試件相比，分4次堵塞后試件的小孔占比減小，1次性堵塞后試件的小孔占比增大。說(shuō)明堵塞過(guò)程中空隙率的減小主要是大孔數(shù)量及大孔占比在減小，由于細(xì)料的堵塞，大孔將會(huì)成為中孔或小孔，一個(gè)大孔可能變?yōu)槎鄠€(gè)中孔，導(dǎo)致中孔占比增加，小孔影響因素多，變化復(fù)雜，沒(méi)有固定的規(guī)律，多次堵塞時(shí)小孔占比減小，1次性堵塞濃度較高時(shí)小孔占比增大。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）堵塞劑主要影響滲流方向的滲透系數(shù)，固體顆粒在空隙中的殘留導(dǎo)致堵塞試驗(yàn)后大空隙瀝青混凝土豎向滲透系數(shù)顯著減小。

（2）固體顆粒質(zhì)量相同時(shí)，濃度高的堵塞劑主要?dú)埩粼诖罂障稙r青混凝土的上部，而濃度低的堵塞劑可堵塞更深處的空隙，導(dǎo)致滲透系數(shù)降低更顯著。

（3）堵塞試驗(yàn)后的大空隙瀝青混凝土內(nèi)部空隙的長(zhǎng)軸、短軸以及長(zhǎng)短軸之比均減小，堵塞物濃度越大，對(duì)其空隙形態(tài)參數(shù)影響越大。

（4）堵塞過(guò)程中大空隙瀝青混凝土空隙率的減小主要是大孔數(shù)量及大孔占比在減小，而大孔演變?yōu)橹锌?，?dǎo)致中孔占比增加。

【參 考 文 獻(xiàn)】

[1]孫紅亮，趙曜，朱宇杰，等.透水性瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)和路用性能研究[J].森林工程，2015，31（2）：130-134.

SUN H L， ZHAO Y， ZHU Y J， et al. Mix design and experiments on the road performance of porous asphalt mixture [J]. Forest Engineering， 2015， 31（2）：130-134.

[2]孫華.SMA瀝青面層構(gòu)造深度與擺值的關(guān)聯(lián)性研究[J].森林工程，2018，34（5）：96-100.

SUN H. Relation between structural depth and pendulum value of SMA asphalt layer [J]. Forest Engineering， 2018， 34（5）：96-100.

[3]張馨嵐.考慮堵塞效應(yīng)的排水瀝青路面滲流行為多尺度研究[D].南京：東南大學(xué)，2018.

ZHANG X L. Multi-scale study on the seepage behavior of porous asphalt pavement considering clogging effect[D]. Nanjing： Southeast University， 2018.

[4]馬翔，王炯月，袁則瑜，等.排水性瀝青路面的橫向空隙分布特性[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，39（6）：728-732.

MA X， WANG J Y， YUAN Z Y， et al. Horizontal voids distribution characteristics of porous asphalt pavement[J]. Journal of Jiangsu University （Natural Science Edition）， 2018， 39（6）： 728-732.

[5]DEO O， SUMANASOORIYA M， NEITHALATH N. Permeability reduction in pervious concretes due to clogging： experiments and modeling[J]. Journal of Materials in Civil Engineering， 2010， 22（7）： 741-751.

[6]CHOPRA M， KAKUTURU S， BALLOCK C， et al. Effect of rejuvenation methods on the infiltration rates of pervious concrete pavements[J]. Journal of Hydrologic Engineering， 2010， 15（6）： 426-433.

[7]蔣瑋，沙愛(ài)民，肖晶晶，等.多孔瀝青混合料的空隙堵塞試驗(yàn)研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2013，16（2）：271-275.

JIANG W， SHA A M， XIAO J J， et al. Experimental study on the clogging of porous asphalt concrete[J]. Journal of Building Materials， 2013， 16（2）： 271-275.

[8]周韡，黃曉明，梁彥龍，等.多孔瀝青路面滲水性能衰變規(guī)律[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，36（1）：21-27.

ZHOU W， HUANG X M， LIANG Y L， et al. Permeability performance decay law of porous asphalt pavement[J]. Journal of Changan University （Natural Science Edition）， 2016， 36（1）： 21-27.

[9]王宏暢，葛輝，周明剛.基于常水頭滲透試驗(yàn)的PAC排水和抗堵塞能力[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016，46（1）：209-214.

WANG H C， GE H， ZHOU M G. Drain and anti-clogging ability of porous asphalt concrete based on constant head permeability experiment[J]. Journal of Southeast University （Natural Science Edition）， 2016， 46（1）： 209-214.

[10]劉文昶.CT技術(shù)在瀝青混合料研究中的應(yīng)用[J].石油瀝青，2017，31（1）：51-58.

LIU W C. The application of CT technology in the study of asphalt aggregate[J]. Petroleum Asphalt， 2017， 31（1）： 51-58.

[11]ZHAO Y J， WANG X W， JIANG J W， et al. Characterization of interconnectivity， size distribution and uniformity of air voids in porous asphalt concrete using X-ray CT scanning images[J]. Construction and Building Materials， 2019， 213： 182-193.

[12]李強(qiáng)，張卓宇，羅桑，等.基于CT掃描技術(shù)的瀝青混合料虛擬劈裂試驗(yàn)[J].林業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，5（1）：164-170.

LI Q， ZHANG Z Y， LUO S， et al. Virtual splitting test of asphalt mixture based on computer tomography scanning technology[J]. Journal of Forestry Engineering， 2020， 5（1）： 164-170.

[13]彭蕾，程英偉，何曉鳴.基于CT圖像的AC-13C型瀝青混合料凍融損壞細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析[J].武漢輕工大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，38（6）：39-43.

PENG L， CHENG Y W， HE X M. Microstructure analysis of freeze-thaw damage of AC-13C asphalt mixture based on CT image[J]. Journal of Wuhan Polytechnic University， 2019， 38（6）： 39-43.

[14]高瓊，田軍.正交設(shè)計(jì)法在環(huán)保型橡膠瀝青試驗(yàn)配比中的應(yīng)用研究[J].公路工程，2019，44（6）：115-118.

GAO Q， TIAN J. Study on the application of orthogonal design method in the matching of environmental protection rubber asphalt test[J]. Highway Engineering， 2019， 44（6）：115-118.

[15]趙毅，楊旋，郝增恒，等.瀝青混合料均勻性數(shù)字圖像評(píng)價(jià)方法研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2020，34（23）：23088-23099.

ZHAO Y， YANG X， HAO Z H， et al. Research progress on digital image evaluation method of homogeneity of asphalt mixture[J]. Materials Review， 2020， 34（23）： 23088-23099.

[16]GONG Y F， BI H P， LIANG C Y， et al. Microstructure analysis of modified asphalt mixtures under freeze-thaw cycles based on CT scanning technology[J]. Applied Sciences， 2018， 8（11）： 2191.

[17]程成，馬翔，劉松玉.排水性瀝青混合料路用性能改善措施[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2013，16（1）：164-169.

CHENG C， MA X， LIU S Y. Measures to improve performance of porous asphalt mixture[J]. Journal of Building Materials， 2013， 16（1）： 164-169.

[18]中華人民共和國(guó)交通部.公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范：JTGF40—2004[S].北京：人民交通出版社，2005.

Ministry of Transport of the Peoples Republic of China. Technical specifications for construction of highway asphalt pavements. JTGF 40—2004[S]. Beijing： China Communications Press， 2005.

[19]王宏暢，周明剛.多空隙瀝青混合料排水及抗堵塞性能研究[J].建筑材料學(xué)報(bào)，2016，19（2）：413-416.

WANG H C， ZHOU M G. Drain ability and anti-clogging ability of porous asphalt mixture[J]. Journal of Building Materials， 2016， 19（2）： 413-416.

[20]馬翔，戎漢誠(chéng)，周培圣，等.大空隙瀝青混凝土空隙參數(shù)與滲透特性相關(guān)性[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，43（12）：1646-1651.

MA X， RONG H C， ZHOU P S， et al. Correlation between void parameters and permeability characteristics of porous asphalt concrete[J]. Journal of Hefei University of Technology （Natural Science）， 2020， 43（12）： 1646-1651.

[21]MA X， LI Q， CUI Y C， et al. Performance of porous asphalt mixture with various additives[J]. International Journal of Pavement Engineering， 2018， 19（4）： 355-361.