功能性瀝青混合料排水特性的評價研究

于立澤，劉作強，張海濤，石振武，葛 琪

(1.東北林業(yè)大學 土木工程學院， 哈爾濱 150040; 2.黑龍江省公路勘察設計院， 哈爾濱 150080;3.黑龍江工程學院 土木與建筑工程學院， 哈爾濱 150000)

隨著綠色環(huán)保意識的增強以及海綿城市的提出，推動了排水功能性瀝青路面的發(fā)展。排水功能性瀝青路面是指具有較大的空隙率，粗集料多，能夠?qū)⒙繁砻娴乃皶r排出，以減緩地表蓄水的瀝青路面，通?？障堵蕿?0%左右。傳統(tǒng)的密級配瀝青路面基本不具備排水功能，噪聲大且容易產(chǎn)生雨后路面眩光[1-2]。排水功能性瀝青路面可以有效地排出路面積水，緩解路面徑流，減輕排水系統(tǒng)的壓力，改善城市水環(huán)境；由于排水功能性瀝青路面具有較大的空隙率，粗集料用量較多，會增大車輪和路面之間的摩擦力，從而增加行車安全性；排水功能性瀝青路面的大空隙率特征可以吸收消耗一部分行車噪音[3-6]。諸永寧等[7-9]研究路面兩端斷面的邊界條件，找出了斷面上的潛水層厚度與路面坡度及降雨強度之間的關系。馬翔等[10-12]分析了滲透系數(shù)與空隙率之間的關系，建立了橫向滲透系數(shù)、豎向滲透系數(shù)、空隙率、有效空隙率之間的關系。排水瀝青路面是一種綠色環(huán)保的功能性瀝青路面，隨著社會生態(tài)環(huán)保意識的加強以及海綿城市的提出，排水功能性瀝青路面將具有廣闊的應用前景。

綜上所述，目前對于排水功能性瀝青混合料的研究，主要針對于小粒徑、滲透系數(shù)、空隙率等方面的研究，對于較大粒徑的排水功能研究以及綜合其力學和結構性能的排水功能的系統(tǒng)研究較少。本文對5種級配瀝青混合料的力學和結構性能進行研究，并用自制的滲水儀對滲水特性進行分析研究，最后系統(tǒng)地對瀝青混合料的功能性排水特性進行評價研究。

1 試驗材料與瀝青混合料設計

1.1 試驗材料

1) 瀝青

采用90#基質(zhì)瀝青，其技術參數(shù)如表1所示。

表1 瀝青技術參數(shù)

2) 纖維穩(wěn)定劑

SMA瀝青混合料中摻加纖維穩(wěn)定劑可以增加低溫性能和疲勞性能。試驗采用木質(zhì)素纖維(如圖1所示)，其技術參數(shù)如表2所示。SMA的木質(zhì)素纖維摻量為0.32%。

表2 木質(zhì)素纖維技術參數(shù)

圖1 木質(zhì)素纖維

3) 集料

試驗所用的粗集料為石灰?guī)r，細集料為石灰?guī)r機制砂，填料為石灰?guī)r礦粉。為保證瀝青混合料均具有一定的排水功能，本研究將AC、SUP、SMA這3種級配集料最大公稱粒徑選定為20。由于OGFC結構類型粗集料較多，為與前3種級配類型形成更為科學的對比，其最大公稱粒徑選為16。因此，本研究采用5種不同級配的瀝青混合料AC-20、SUP-20、SMA-20、OGFC-13、OGFC-16進行分析研究，集料級配參數(shù)如表3所示。

表3 集料級配參數(shù)

1.2 瀝青混合料設計

采用以上5種集料級配的瀝青混合料(AC-20、SUP-20、SMA-20、OGFC-13、OGFC-16)進行組成設計[13]，通過Marshall配合比設計得到最佳瀝青用量分別為4.2%、4.4%、5.2%、4.3%、4.0%。

2 瀝青混合料力學性能試驗分析(結構性指標)

瀝青混合料的路用性能(高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性等結構性能)是研究瀝青混合料排水功能性指標的前提，因此對5種瀝青混合料的路用性能進行試驗分析。

2.1 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

采用高溫車轍試驗測定瀝青混合料的動穩(wěn)定度，試驗結果如表4所示。

表4 車轍試驗結果

從表4中可以看出，SMA-20的動穩(wěn)定度最高，AC-20的動穩(wěn)定度最低，這是因為連續(xù)型密級配瀝青混合料屬于密實-懸浮結構，粗集料含量較少，不能形成骨架結構，從而動穩(wěn)定度偏低。而SMA-20中粗集料含量高，形成嵌擠結構，所以其高溫性能最好。SUP-20粗集料含量相對有所增加，但其屬于連續(xù)級配，故其動穩(wěn)定度較AC-20稍有提高。OGFC結構類型雖然粗集料較多，但由于其具有大空隙率，集料間并未充分嵌擠，故其高溫穩(wěn)定性并不顯著。這說明空隙率是影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的重要因素。

2.2 瀝青混合料低溫性能試驗

采用小梁試件(300 mm×30 mm×35 mm)低溫彎曲試驗評價瀝青混合料的低溫彎曲性能，試驗溫度為-10 ℃，試驗結果如表5所示。

表5 瀝青混合料低溫彎曲試驗結果 MPa

從表5中可以看出，SMA-20的低溫性能最好，其次是AC-20和SUP-20，OGFC結構類型混合料的低溫性能均低于前三者。這是因為SMA-20混合料礦粉多，瀝青用量多，低溫時提供了很好的變形能力，AC-20和SUP-20瀝青用量相近，均低于SMA-20。OGFC結構類型混合料的大空隙率使其低溫性能降低，但滿足路用性能要求。結果表明，瀝青混合料的低溫性能與其低溫勁度模量成反比，空隙率的增加降低了瀝青混合料的低溫性能。

2.3 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗

通過瀝青混合料浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗分別測定殘留穩(wěn)定度和殘留強度比，據(jù)此對5種級配瀝青混合料的水穩(wěn)定性進行評價分析，試驗結果如表6所示。

從表6中可以看出，SUP-20瀝青混合料的水穩(wěn)定性最好，OGFC結構類型相對較差。這是因為OGFC結構類型瀝青混合料的空隙率較大，瀝青黏附性和填充效果不好，而且水分滯留在空隙中，冷凍時結冰，破壞了瀝青混合料的內(nèi)部結構，導致水穩(wěn)定性降低。這就說明，空隙率增大，水穩(wěn)定性相應降低。

表6 浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗結果 %

3 瀝青混合料排水特性試驗分析

通過以上基本路用性能的研究可以看出，5種級配的瀝青混合料的力學性能(結構性指標)均滿足規(guī)范要求。在此基礎上，進行5種級配的瀝青混合料排水特性分析研究。

3.1 試驗方案

1) 瀝青混合料滲水試驗

根據(jù)規(guī)范制作瀝青混合料試件，冷卻到規(guī)定的時間后脫模，并揭去成型試件時墊在表面的紙。每種級配制作3塊平行試件，在車轍板上，采用路面滲水儀(如圖2所示)進行試驗。

圖2 路面滲水試驗裝置

2) 瀝青混合料排水特性試驗

為了真實反映瀝青混合料試件的排水狀況，采用自制滲水儀(如圖3所示)進行測試。采用大馬歇爾試件，水量梯度采用50、100、150、200、250、300 mL，在試驗過程中，分別研究不同類型試件在5種水量下的橫向、豎向、整體滲水情況以及整體排水時的橫、豎向滲水時間差，綜合評價研究不同瀝青混合料的功能性排水特性。

圖3 自制排水特性測試裝置示意圖

3.2 瀝青混合料滲水試驗結果分析

根據(jù)規(guī)范進行瀝青混合料滲水試驗，試驗結果如表7所示。

表7 不同級配類型的瀝青混合料滲水試驗結果

從表7可以看出，排水性能依次為：OGFC-16>OGFC-13>AC-20>SMA-20>SUP-20。AC-20、SUP-20、SMA-20三者相差不大，滲水系數(shù)均較小，且被測試件的底部均只有少量水滲出。AC-20、SUP-20、SMA-20的孔隙分布特征是上部較多而下部較少，由此可以得出，水分更多地從試件橫向滲出。OGFC結構類型的滲水系數(shù)遠大于其余三者。這說明OGFC結構類型所具有的大空隙率使其排水性能顯著增加。此外，OGFC-13和OGFC-16空隙率均為20%，而OGFC-16的排水性能比OGFC-13好，由此可見，空隙率相同的條件下，隨著瀝青混合料最大公稱粒徑的增大，其排水性能有所增強。這是因為瀝青混合料的最大公稱粒徑的增大導致粗集料增多，粗集料間相互嵌擠使試件內(nèi)部的連通空隙增多，增強了瀝青混合料的排水性能。由于最大公稱粒徑的增大，OGFC-16的空隙明顯比OGFC-13多，且OGFC-16的空隙長度比OGFC-13長。所以空隙率、集料的最大粒徑以及開口孔隙是影響混合料排水性能的重要因素。

3.3 瀝青混合料豎、橫向排水特性試驗結果對比分析

采用自制滲水儀進行瀝青混合料排水特性試驗，試驗結果如圖4所示。

圖4 試件滲水速度隨水量變化曲線

從圖4(a)可以看出，OGFC-13和OGFC-16這2種級配的豎向滲水速度明顯大于其余三者。AC-20、SUP-20、SMA-20三者相差不大，SUP-20的滲水速度最小。OGFC 結構類型當水量小于200 mL時，滲水速度及其增幅逐漸增大，當水量超過200 mL時，滲水速度增幅逐漸減小，且速度逐漸趨于穩(wěn)定。

對比圖4(a)(b)可以看出，瀝青混合料試件的橫向滲水速度普遍大于豎向滲水速度。研究認為，OGFC結構類型的瀝青混合料橫向與豎向滲水速度相差不大，是因為OGFC型瀝青混合料空隙率大且橫、縱向分布較均勻。AC-20、SUP-20、SMA-20三者橫向滲水速度都較OGFC結構類型低，但都高于其各自的豎向滲水速度，是因為分布于三者橫向的空隙多余豎向，故其橫向排水速度大于豎向。

3.4 瀝青混合料整體滲水試驗結果分析

試件整體滲水速度隨水量變化的情況如圖5所示。

從圖5可以看出，整體滲水速度隨水量的增加而增加，對于OGFC結構類型，當水量小于200 mL時，滲水速度及其增幅逐漸增大，當水量超過200 mL時，滲水速度增幅逐漸減小，且速度逐漸趨于穩(wěn)定。AC-20，SUP-20，SMA-20這3種結構類型基本呈現(xiàn)出來的規(guī)律是隨著水量的增加，滲水速度及其增幅逐漸增大。OGFC-13和OGFC-16的排水性能大于AC-20，SUP-20，SMA-20。

圖5 試件整體滲水速度隨水量變化曲線

3.5 瀝青混合料橫、豎向與整體滲水情況分析

瀝青混合料橫、豎向與整體滲水情況如圖6所示。

圖6 瀝青混合料試件橫豎向與整體滲水速度曲線

從圖6(a)(b)可以看出，OGFC-13和OGFC-16在水量較小時滲水速度的增幅較大，當水量較大時滲水速度的增幅減小。對于OGFC結構類型，橫向和豎向的滲水速度相差不大，在試件排水過程中起著同樣重要的作用，隨著最大公稱粒徑的增大，瀝青混合料試件橫、豎向以及整體滲水速度均有所增大。從圖6(c)可以看出，AC-20橫向滲水速度在整個滲水過程中始終大于豎向和整體滲水，說明AC-20結構類型的瀝青混合料排水主要依賴于橫向滲水。隨著水量的增加，豎向滲水速度也開始增加，表明在實際道路工程中，當雨量較大或者由于行車路面水壓力增大，都會增強豎向滲水能力。從圖6(d)(e)可以看出，SUP-20、SMA-20豎向滲水速度很小，橫向滲水速度相對于豎向較大，在SUP-20、SMA-20結構類型的瀝青混合料試件滲水過程中，橫向滲水起主要作用。

4 瀝青混合料排水特性的細觀結構機理分析

采用CDD工業(yè)相機拍攝不同級配瀝青混合料試件的斷面圖(如圖7所示)。分析斷面的細觀結構可以看出，之所以OGFC-13和OGFC-16的豎向滲水速度明顯大于AC-20、SUP-20、SMA-20，是因為OGFC-13和OGFC-16具有大空隙率(圖7(a)(b))，而其余三者空隙率均很小(圖7(c)(d)(e))。雖然OGFC-13和OGFC-16空隙率相同，但從圖中可以很明顯地發(fā)現(xiàn)OGFC-16的開口空隙以及連通空隙均比OGFC-13多，所以OGFC-16具有相對較好的豎向排水能力。AC-20和SMA-20具有較少的豎向空隙，其豎向滲水能力較弱。SUP-20的空隙最少，故其豎向滲水能力最弱，這是因為SUP-20采用旋轉(zhuǎn)壓實的方法，雖然粒徑較大，但壓實程度高，滲水速度最小。AC-20、SUP-20、SMA-20滲水速度及其增幅逐漸都呈現(xiàn)出隨水量的增加而增加的規(guī)律。

圖7 不同級配瀝青混合料試件斷面圖(圖與試件斷面比例1∶1)

5 瀝青混合料力學性能與排水性能的關系

通過對比分析可以得到瀝青混合料的力學性能與排水性能的關系(如圖8所示)，可以看出：瀝青混合料的力學性能隨著空隙率的增加而減少，而瀝青混合料的排水性能隨著空隙率的增加而增加。AC、SUP、SMA級配類型瀝青混合料的最大公稱粒徑提升至20時，其有效空隙明顯增加。選擇小粒徑時，幾乎不透水的AC、SUP、SMA級配類型瀝青混合料，最大公稱粒徑增大后開始滲水，可見集料最大公稱粒徑越大，則形成更多有效空隙；瀝青混合料的空隙率增大，其滲水系數(shù)也隨之增大；瀝青混合料空隙率增大，有效空隙率也隨之增大，二者具有一致性。通過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，提高瀝青混合料粗集料用量，選擇較大公稱粒徑，排水功能明顯提升的同時，力學和結構性能也有所改善，瀝青混合料表面的開口空隙也隨之增多，更加有利于排水。從5種瀝青混合料試件的斷面圖中也可以看出，大粒徑形成了較多的開口孔隙，開口空隙和有效空隙共同決定了排水性能。

圖8 瀝青混合料的力學性能與排水性能的關系直方圖

通過大空隙OGFC結構類型與小空隙率AC、SUP、SMA級配類型瀝青混合料對比得出，AC-20、SUP-20、SMA-20級配瀝青混合料具有相對穩(wěn)定的力學和結構性能，但其排水性能較差。OGFC-16和OGFC-13級配瀝青混合料具有相對較好的排水性能，但其力學性能、高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性較差。研究表明：適當增大集料粒徑后，其力學、結構性能以及排水功能都有明顯增加。在工程設計研究中，可適當增大集料粒徑并在滿足排水功能前提下合理控制空隙率，使排水功能性瀝青路面達到耐久且滿足排水要求的理想狀態(tài)。

6 結論

1) 自行研制的滲水儀測試方便，準確反映了瀝青混合料路面滲水情況，可用于瀝青混合料的滲水情況研究。

2) OGFC結構類型和SMA結構類型比SUP-20 和AC-20的高溫穩(wěn)定性好，但OGFC結構類型空隙率大，易受水流沖刷，低溫性能和水穩(wěn)定性較差，SMA-20高、低溫性能較好。SUP-20壓實緊密，抗水損壞的能力較強。

3) 在整體排水過程中，橫向排水性能均大于豎向排水，起主要排水作用。大空隙率以及適當增大最大公稱粒徑可以提升排水性能。適當增大粒徑可以形成更多的開口空隙、有效空隙和連通空隙，更加有利于路面排水，在力學、結構性能和排水功能之間呈現(xiàn)出此消彼長的規(guī)律性。

4) 在實際工程設計中，可適當增大集料粒徑，并根據(jù)當?shù)亟涤昵闆r確定合理的空隙率，使排水和路用性能達到均衡，即對常用的AC、SMA等結構類型進行優(yōu)化排水。研究結果可為排水功能性瀝青混合料的設計提供參考。