透水瀝青路面的濕物理性能研究

楊秋俠，嚴(yán)苗瑜

(西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

0 引言

透水瀝青路面相比較于傳統(tǒng)不透水路面，由于其多孔的物理結(jié)構(gòu)，使其對(duì)雨水具有特殊的保存、滲透和蒸發(fā)等特性。這些和水有關(guān)的濕物理性能使得透水瀝青路面在改善城市雨水排水方式和室外熱環(huán)境等方面發(fā)揮重要的作用。

透水瀝青路面的滲透性能，不但考慮透水路面自身資料構(gòu)成，也需要考慮不同降雨強(qiáng)度對(duì)其的影響。已有的研究，主要利用路面滲透速度、孔隙率、結(jié)構(gòu)層厚度等參數(shù)，建立透水瀝青路面的儲(chǔ)水-滲透模型，并對(duì)其儲(chǔ)水、滲透功能進(jìn)行預(yù)估和評(píng)價(jià)[1-2]。這些研究將透水路面滲透性能的評(píng)價(jià)重點(diǎn)都集中在透水路面自身資料構(gòu)成的單一維度。但是，路面雨水滲透是路面與降雨水相配合的滲透系統(tǒng)。滲透能力不僅受路面材料和路面結(jié)構(gòu)層的影響，還受到降雨強(qiáng)度的影響。不同降雨強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生不同的滲透效果。所以，現(xiàn)階段對(duì)透水瀝青路面滲透性能的評(píng)價(jià)缺乏第二維度考慮，即不同降雨強(qiáng)度對(duì)其滲透性能的影響。

透水瀝青路面的濕物理性能研究應(yīng)該是多角度的連續(xù)過(guò)程性研究。現(xiàn)階段研究除了透水瀝青路面對(duì)雨水滲透功能以外，研究者研究了透水性能和保水性能之間的關(guān)系，結(jié)果表明透水路面不僅具有足夠的透水能力，還有較高的保水能力來(lái)滿足海綿城市蓄水方面的要求[3]。透水瀝青路面因?yàn)橛斜Ｋ阅埽浔Ａ舻挠晁谡舭l(fā)作用下對(duì)熱環(huán)境的影響也有一些研究。研究發(fā)現(xiàn)透水瀝青路面可以利用水分蒸發(fā)降溫，降低人工下墊面溫度，進(jìn)而降低城市熱島效應(yīng)[4-7]。同時(shí)也有學(xué)者探討了孔隙率、材質(zhì)對(duì)透水地磚蒸發(fā)強(qiáng)度及表面溫度的影響[8]。而對(duì)于透水瀝青路面的保水及蒸發(fā)失水過(guò)程的研究?jī)H為階段研究，缺乏保水與蒸發(fā)失水這一過(guò)程研究。同時(shí)，在研究透水路面蒸發(fā)失水對(duì)室外熱環(huán)境的影響時(shí)，僅用路面溫度等單一指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)蒸發(fā)效果。實(shí)際上，透水路面的保水和蒸發(fā)效果是一個(gè)連續(xù)不間斷發(fā)生的過(guò)程。尤其是透水路面在蒸發(fā)過(guò)程中對(duì)于熱環(huán)境的影響是持續(xù)動(dòng)態(tài)變化的。同時(shí)，其對(duì)室外熱環(huán)境的影響評(píng)價(jià)不但要觀察溫度變化，還需要觀察相對(duì)濕度的變化。

現(xiàn)有對(duì)透水路面的研究多為室外實(shí)測(cè)研究，試驗(yàn)結(jié)果受外部氣候變化的影響較大。另外,透水路面滲透性能的研究為點(diǎn)的研究，試驗(yàn)僅選取某幾個(gè)時(shí)間點(diǎn)來(lái)觀測(cè)透水路面的滲透量，不能實(shí)時(shí)觀測(cè)到降雨過(guò)程中透水路面的透水量變化。透水路面蒸發(fā)降溫的研究?jī)H觀測(cè)不同材質(zhì)、不同孔隙率的透水路面蒸發(fā)過(guò)程中溫度的變化，沒(méi)有對(duì)透水路面蒸發(fā)降溫時(shí)路面的含水量變化、溫度以及相對(duì)濕度的變化進(jìn)行全方面研究。

所以，本研究自主設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)來(lái)收集穩(wěn)定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。主要目的是研究透水瀝青路面在不同降雨強(qiáng)度下雨水滲透隨時(shí)間的變化，通過(guò)最早下滲時(shí)間及雨水滲透率等參數(shù)綜合評(píng)價(jià)不同降雨強(qiáng)度下透水瀝青路面雨水滲透的能力。同時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)?zāi)M透水瀝青路面保水與蒸發(fā)這一連續(xù)過(guò)程。記錄了路面溫度、路面上方的溫度與濕度等數(shù)據(jù)，并計(jì)算保水率等參數(shù)，研究蒸發(fā)過(guò)程中路面溫度、路面上方的溫度與濕度的變化規(guī)律。研究了路面含水量與路面上方溫度、濕度的關(guān)系，分析了透水瀝青路面降溫與增濕的最佳時(shí)間段，為透水瀝青路面的熱濕傳遞及其蒸發(fā)降溫效果的量化評(píng)價(jià)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 透水路面試件

1.1 透水路面試件的材料

本研究主要研究全透型透水瀝青路面的濕物理性能，即材料的熱濕性能，分析了透水瀝青路面的透水性、保水性及蒸發(fā)失水性能。

根據(jù)《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》可知，全透型瀝青路面面層由上層磨耗層和底層組成，上層磨耗層遵循標(biāo)準(zhǔn)OGFC-10，底層遵循標(biāo)準(zhǔn)ATPB-25?；谏鲜鰳?biāo)準(zhǔn)制作本次試驗(yàn)的透水瀝青試件，選取空隙率為20%的透水瀝青混合料級(jí)配，透水瀝青混合料的各項(xiàng)參數(shù)，如表1、表2所示。

表1 透水瀝青上層磨耗層材料參數(shù)Tab.1 Parameters of materials for upper wear layer of permeable asphalt

表2 透水瀝青底層材料參數(shù)Tab.2 Parameters of materials of bottom layer of permeable asphalt

本研究試驗(yàn)采用的透水瀝青試件由振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)。透水瀝青面層碾壓成型時(shí)共有初壓、復(fù)壓和終壓3個(gè)階段。初壓是壓實(shí)路面的基礎(chǔ)，主要是為了整平和穩(wěn)定瀝青混合料，給復(fù)壓創(chuàng)造良好的壓實(shí)條件，壓實(shí)的平整性主要取決于這一工序；復(fù)壓時(shí)采用重型以上的壓路機(jī)使混合料密實(shí)、穩(wěn)定、成型，混合料的密實(shí)程度主要取決于這一工序；終壓時(shí)不宜采用過(guò)重的壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，這是為了消除輪跡，最后形成平整的壓實(shí)面[9]。在碾壓成型的過(guò)程中，瀝青路面碾壓要按照高頻、低幅、勻速的原則進(jìn)行碾壓作業(yè)，各個(gè)壓實(shí)階段采用規(guī)定的碾壓速度進(jìn)行碾壓，碾壓過(guò)程中壓路機(jī)的檔位不能發(fā)生改變且壓路機(jī)的油門在碾壓過(guò)程中也不能發(fā)生變化。

1.2 透水瀝青路面試件的尺寸

雙面層的透水瀝青路面更有利于排水，這類透水瀝青路面適用于市政道路。透水路面面層設(shè)計(jì)為雙層透水時(shí)，其結(jié)構(gòu)是由上、下兩層大空隙透水瀝青混合料鋪筑而成，且上層的厚度應(yīng)小于下層的厚度，本研究全透型瀝青路面面層的濕物理性能，根據(jù)《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》可知，上層磨耗層采用OGFC-10的結(jié)構(gòu)形式，其厚度為40 mm，下層采用ATPB-25的結(jié)構(gòu)形式，其厚度為60～80 mm。本試驗(yàn)下層厚度取中間值70 mm，故該試驗(yàn)所用的透水瀝青試件為11 cm厚。

本研究所有試驗(yàn)均采用11 cm厚，半徑為30 cm的圓形透水瀝青試件，如圖1所示。

圖1 透水瀝青試件Fig.1 Permeable asphalt specimen

2 透水瀝青路面透水試驗(yàn)

2.1 透水試驗(yàn)的目的

透水試驗(yàn)的目的是通過(guò)人工模擬降雨裝置，探究不同降雨強(qiáng)度下全透水瀝青試件透水量的變化[10]。

2.2 透水試驗(yàn)的裝置

自主的設(shè)計(jì)透水試驗(yàn)裝置由3個(gè)部分組成，如圖2所示。(1)人工模擬降雨裝置，主要由降雨盤(pán)、可伸縮支架、不銹鋼軟管以及水流量計(jì)等裝置組成。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)使用降雨盤(pán)來(lái)模擬降雨，試驗(yàn)選用的降雨盤(pán)是半徑為15 cm的圓形不銹鋼盤(pán)，且上面均勻分布有120個(gè)大小相同的硅膠出水口，這些出水口可保證落下均勻的雨滴，所以降雨盤(pán)可以用來(lái)模擬雨水的降落。降雨盤(pán)通過(guò)可伸縮支架固定在支架底座上，通過(guò)可伸縮支架里的不銹鋼軟管與入水開(kāi)關(guān)、水流量計(jì)連接。試驗(yàn)時(shí)通過(guò)水流量計(jì)控制入水量的大小來(lái)模擬不同強(qiáng)度的降雨量，保障降雨的均勻性和降雨強(qiáng)度切換的靈活性。

圖2 透水試驗(yàn)裝置Fig.2 Device for permeable experiment

(2)試件支撐裝置，由玻璃底座和玻璃保護(hù)罩組成，其材質(zhì)均為有機(jī)玻璃。玻璃底座是由尺寸為40 cm× 50 cm的透水隔板與半徑為30 cm、高為10 cm 的玻璃罩連接組成，透水隔板上有分布均勻的半徑為1 cm 的孔洞。玻璃保護(hù)罩的半徑為30 cm,高為20 cm，試驗(yàn)時(shí)放置在玻璃底座上。

(3)滲水稱量裝置，由電子秤和盛水容器組成。試驗(yàn)時(shí)在支架底座下方放置電子秤，電子秤上放置半徑為40 cm的盛水容器，電子秤可實(shí)時(shí)稱量降雨時(shí)透水瀝青試件滲出的水量。

2.3 透水試驗(yàn)的試驗(yàn)過(guò)程

透水試驗(yàn)的第1步是將干燥的透水瀝青試件的圓周側(cè)面用保鮮膜包裹。然后，用膠帶將保鮮膜的接口粘結(jié)來(lái)完成封面處理，試件的上下兩個(gè)面不需要包裹。第2步，將封面處理過(guò)的透水瀝青試件放入裝置的玻璃底座內(nèi)，套上玻璃保護(hù)罩。玻璃底座與玻璃保護(hù)罩連接處用生料帶封護(hù)。然后，用蠟油將透水瀝青試件與玻璃保護(hù)罩內(nèi)壁連接處封護(hù)，以此保證降雨時(shí)雨水不能通過(guò)試件與玻璃保護(hù)罩內(nèi)壁的縫隙流出。第3步是調(diào)節(jié)降雨盤(pán)的高度，使降雨盤(pán)與透水瀝青試件上表面距離達(dá)到1 m。最后，打開(kāi)入水閥門，通過(guò)水流量計(jì)調(diào)節(jié)入水量的大小來(lái)模擬不同降雨強(qiáng)度。試驗(yàn)時(shí)，以0.050 ，0.14，0.26 L/min 3種不同的雨量進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)量并記錄最早開(kāi)始下滲時(shí)間和每隔1 min透過(guò)試件的雨水的質(zhì)量。采用3個(gè)不同的透水瀝青樣品重復(fù)上述試驗(yàn)得到最終的數(shù)據(jù)。

2.4 透水試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果

2.4.1 透水瀝青試件在不同降雨強(qiáng)度下透水量的變化

采用3個(gè)試件試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均值繪制了透水瀝青試件在不同降雨強(qiáng)度下透水量的變化圖，如圖3所示。

圖3 透水瀝青試件在不同降雨強(qiáng)度下透水量的變化Fig.3 Changes of permeable amount of permeable asphalt specimen under different rainfall intensities

2.4.2 透水瀝青試件的雨水滲透率和最早下滲時(shí)間

在持續(xù)降雨的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，透水瀝青路面的滲透性能可用雨水透過(guò)試件的最早時(shí)刻、雨水滲透率來(lái)評(píng)價(jià)。雨水滲透率是指每分鐘雨水透過(guò)透水瀝青路面的滲水量，用L/min表示。試件的最早下滲時(shí)間和雨水滲透率的數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 透水試驗(yàn)中雨水滲透率和最早下滲時(shí)間Tab.3 Rainwater permeability and earliest infiltration time in the permeation experiment

2.4.3 透水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析及結(jié)論

圖3表明，在降雨開(kāi)始3 min內(nèi)，降雨強(qiáng)度越大，滲透過(guò)試件的水量就越大。而且，降雨強(qiáng)度越大，水滲透的速度也越大。這說(shuō)明降雨強(qiáng)度越大，雨滴就越大，雨水降落的壓強(qiáng)越大，降落的速率越快，雨水透過(guò)試件的時(shí)間就越短[11-12]。在降雨開(kāi)始3 min后，從透水瀝青試件透過(guò)的水量就與降雨量相同，即降雨可全部透過(guò)透水瀝青試件。這是因?yàn)樵诮涤陝傞_(kāi)始的3 min內(nèi)，試件還處于干燥狀態(tài)，降落的雨水在透水瀝青材料和試件的半連通孔隙中儲(chǔ)存[13]。而3 min后，隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，透水瀝青試件的半連通孔隙逐漸被雨水占滿，此時(shí)其余的雨水就通過(guò)全連通孔隙滲透出去。

3 透水瀝青路面保水與蒸發(fā)試驗(yàn)

3.1 保水與蒸發(fā)試驗(yàn)的目的

本次試驗(yàn)的目的是探究全透水瀝青路面的含水量、路面表面和路面的上方溫度及濕度在透水瀝青保水和蒸發(fā)失水這一連續(xù)變化過(guò)程中的變化。

3.2 保水與蒸發(fā)試驗(yàn)的裝置

保水試驗(yàn)采用的裝置是尺寸為80 cm× 40 cm× 50 cm的玻璃水箱(如圖4所示)和量程為30 kg的電子秤。

圖4 玻璃水箱Fig.4 Glass water tank

蒸發(fā)試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置為自主設(shè)計(jì)的裝置，分為兩個(gè)部分，如圖5所示。第1部分是陽(yáng)光模擬裝置，用太陽(yáng)光模擬燈來(lái)模擬一定程度的太陽(yáng)輻射。該太陽(yáng)模擬燈功率為300 W,以石英放電管和鎢絲混合輻射，光譜分布與自然陽(yáng)光分布的擬合率可以達(dá)到70%。它的測(cè)試結(jié)果表明，輻射強(qiáng)度可以達(dá)到西安夏季室外晴天平均的輻射強(qiáng)度。第2部分為試驗(yàn)樣品支撐裝置，由玻璃底座和玻璃保護(hù)罩組成，其材質(zhì)均為有機(jī)玻璃。玻璃底座是由尺寸為40 cm× 50 cm的玻璃隔板與半徑為30 cm，高為10 cm的玻璃罩連接組成。玻璃保護(hù)罩的半徑為30 cm，高為20 cm，并放置在玻璃底座上。在玻璃保護(hù)罩上方15 cm處安裝一個(gè)平臺(tái)，用來(lái)放置測(cè)量試件上方的溫度和濕度的儀器，即溫度和濕度儀，將溫、濕度儀的探頭部分伸出平臺(tái)。同時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中使用紅外測(cè)溫槍來(lái)測(cè)量試件表面的溫度。

圖5 蒸發(fā)試驗(yàn)裝置Fig.5 Device for evaporation experiment

3.3 保水與蒸發(fā)試驗(yàn)的試驗(yàn)過(guò)程

首先，進(jìn)行保水試驗(yàn)，第1步是將透水瀝青試件放置在干燥通風(fēng)的地方晾干水分。每隔20 min稱量透水瀝青試件的質(zhì)量。當(dāng)質(zhì)量不再變化時(shí)，表明試件已經(jīng)處于完全干燥狀態(tài)，記錄此時(shí)透水瀝青試件的質(zhì)量；第2步是往玻璃水箱內(nèi)加水，直至水面距玻璃容器底部35 cm，這是為了保證透水瀝青試件放入水中所有面均被浸泡；第3步把干燥的透水瀝青試件豎立起來(lái)快速放入盛好水的玻璃水箱內(nèi)。預(yù)試驗(yàn)的結(jié)果表明保水試驗(yàn)時(shí)透水瀝青試件質(zhì)量的增長(zhǎng)速率為先快后慢。為了觀察試件質(zhì)量的變化，所以試驗(yàn)的前5 min測(cè)量?jī)纱卧嚰|(zhì)量。然后，5～30 min這一時(shí)間段每隔5 min測(cè)量試件質(zhì)量，30 min 以后每隔10 min測(cè)量試件質(zhì)量，直至試件質(zhì)量不再發(fā)生變化時(shí)停止試驗(yàn)，此時(shí)透水瀝青試件達(dá)到飽和。測(cè)量保水試驗(yàn)時(shí)透水瀝青試件的質(zhì)量，應(yīng)先把試件從玻璃水箱內(nèi)快速打撈出來(lái)，靜置1 min后用濕抹布擦干試件表面的水分后再稱量試件的質(zhì)量。

然后進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)，蒸發(fā)試驗(yàn)的第1步是將保水試驗(yàn)中已經(jīng)飽和的透水瀝青試件放到圖5所示的玻璃底座內(nèi)，再將玻璃保護(hù)罩放在玻璃底座上，防止太陽(yáng)輻射向裝置周圍環(huán)境擴(kuò)散影響試驗(yàn)精度。第2步將太陽(yáng)光模擬燈懸掛在試驗(yàn)裝置的正上方且燈底部距離試件上表面的高度為30 cm，并測(cè)量此時(shí)透水瀝青試件表面的溫度與試件上表面上方15 cm處溫度及相對(duì)濕度。第3步打開(kāi)太陽(yáng)光模擬燈來(lái)模擬太陽(yáng)輻射進(jìn)行蒸發(fā)試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)20，40，60，80，100，120，140，160， 180，200，220，260，320，380，440，680 min分別測(cè)量試件表面中心溫度、試件表面周圍溫度、試件上表面上方15 cm處溫度、相對(duì)濕度，然后再稱量試件質(zhì)量，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。采用3個(gè)不同的透水瀝青試件重復(fù)上述的試驗(yàn)得到3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.4 保水與蒸發(fā)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析及結(jié)論

3.4.1 透水瀝青保水與蒸發(fā)試驗(yàn)中試件質(zhì)量的變化

采用3個(gè)試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了透水瀝青保水與蒸發(fā)試驗(yàn)中試件含水質(zhì)量變化的曲線圖，如圖6所示。

圖6 透水瀝青保水與蒸發(fā)試驗(yàn)中試件含水質(zhì)量的變化Fig. 6 Changes in water mass of permeable asphalt specimens in water retention and evaporation test

3.4.2 透水瀝青蒸發(fā)試驗(yàn)試件上表面上方15 cm處相對(duì)濕度的變化

采用3個(gè)試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了透水瀝青試件上表面上方15 cm處相對(duì)濕度變化的曲線圖，如圖7所示。

圖7 透水瀝青試件上表面上方15 cm處相對(duì)濕度變化Fig. 7 Changes of relative humidity at 15 cm above upper surface of permeable asphalt specimens

3.4.3 透水瀝青蒸發(fā)試驗(yàn)試件表面溫度、中心溫度、試件上表面上方15 cm處溫度的變化

采用3個(gè)試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制了透水瀝青蒸發(fā)試驗(yàn)表面溫度、中心溫度、試件上表面上方15 cm處溫度變化的曲線圖，如圖8所示。

圖8 透水瀝青蒸發(fā)試驗(yàn)相關(guān)溫度的變化Fig.8 Changes of relevant temperature of permeable asphalt during evaporation experiment

3.4.4 保水與蒸發(fā)試驗(yàn)的分析及結(jié)論

圖6可知，保水試驗(yàn)開(kāi)始的2 min內(nèi)，試件大量吸水，2～15 min內(nèi)試件含水質(zhì)量緩慢增加；15 min后，試件含水質(zhì)量小幅度減小直至試件達(dá)到飽和。這是由于材料的吸水性、透水瀝青試件中存在的半聯(lián)通孔隙。前2 min內(nèi)，透水瀝青試件接觸水時(shí)，水分子可以迅速擴(kuò)散到透水瀝青材料以及半聯(lián)通孔隙中去，這使得試件含水質(zhì)量迅速增大。但隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，在2～15 min時(shí)間段內(nèi)，透水瀝青試件中半連通孔隙幾乎被充滿，有一部分水分因毛細(xì)力的作用進(jìn)入毛細(xì)小孔中[14]。這個(gè)時(shí)間段里試件含水質(zhì)量緩慢增加。15 min后，隨著透水瀝青試件的半連通孔隙吸水飽和且連通孔隙表面附著的水分子的擴(kuò)散，試件含水質(zhì)量小幅度地減少，直至透水瀝青試件達(dá)到飽和。

圖6表明，在蒸發(fā)試驗(yàn)中，透水瀝青試件含水質(zhì)量會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而下降。但是，在試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到60～120 min時(shí)，試件含水質(zhì)量快速減?。辉囼?yàn)時(shí)間達(dá)到120～160 min內(nèi)試件含水質(zhì)量緩慢減??；160 min后試件含水質(zhì)量以較大的速度減小。這是因?yàn)?0～120 min內(nèi)屬于蒸發(fā)試驗(yàn)開(kāi)始階段。透水瀝青試件上部的半聯(lián)通孔隙與外部環(huán)境接觸緊密，這些孔隙被熱空氣所占據(jù)。它們內(nèi)部的水分會(huì)首先蒸發(fā)，變?yōu)樗羝懦?，使得試件含水質(zhì)量快速減小。試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到120～160 min時(shí)，由于試件內(nèi)部孔隙分布復(fù)雜，試件內(nèi)的熱空氣向試件下部分的半連通孔隙擴(kuò)散的速度較慢。這使得下部的半連通孔隙內(nèi)水分不能有效地蒸發(fā)成水蒸汽排出。故該時(shí)間段試件含水質(zhì)量緩慢減小。試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到160 min后，熱空氣可快速擴(kuò)散至試件內(nèi)的各個(gè)聯(lián)通和半聯(lián)通孔隙[15]。這使得材料內(nèi)的水分可以有效地蒸發(fā)形成水蒸汽從聯(lián)通孔隙中排出，此時(shí)，試件含水質(zhì)量以較快的速度減小。但是，試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到740 min后，試件內(nèi)還有一部分的水分沒(méi)有蒸發(fā)。這是因?yàn)樵谥亓Φ挠绊懴略嚰?nèi)的部分水通過(guò)聯(lián)通孔隙流到裝置的底部。由于裝置四周都為密封狀態(tài)，模擬的太陽(yáng)光不能照射到裝置底部，導(dǎo)致裝置底部溫度不夠高[16]。所以，裝置底部的水分不能蒸發(fā)排出。

圖7表明，在整個(gè)蒸發(fā)試驗(yàn)階段，透水瀝青試件上表面上方15 cm處相對(duì)濕度會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而下降。但是，在160～200 min時(shí)間段內(nèi)相對(duì)濕度會(huì)出現(xiàn)小幅度上漲的情況，之后相對(duì)濕度持續(xù)下降。這是因?yàn)樵囼?yàn)開(kāi)始后，在太陽(yáng)光模擬燈的照射下，透水瀝青試件上方的溫度急劇升高。透水瀝青試件上部距離太陽(yáng)光模擬燈較近，其蒸發(fā)的水蒸汽經(jīng)過(guò)試件表面擴(kuò)散到空氣中。此時(shí)，試件內(nèi)水分的蒸發(fā)速度小于空氣中水蒸汽的擴(kuò)散速度，所以相對(duì)濕度會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而下降。但160～200 min這個(gè)時(shí)間段，隨著太陽(yáng)光模擬燈的持續(xù)照射，試件溫度也在持續(xù)升高。試件內(nèi)水分的蒸發(fā)速度顯著提高，大量的水蒸汽擴(kuò)散至試件外。此時(shí)，試件內(nèi)水分的蒸發(fā)速度大于空氣中水蒸汽的擴(kuò)散速度，所以，會(huì)出現(xiàn)相對(duì)濕度小幅度上升的情況。隨著蒸發(fā)試驗(yàn)的持續(xù)進(jìn)行，試件中大孔隙內(nèi)的水分已完全蒸發(fā)，而吸附在孔壁中水分的蒸發(fā)由于毛細(xì)效應(yīng)而需要更高的蒸發(fā)溫度[17]。此外，水蒸汽在小孔內(nèi)的擴(kuò)散速率也因?yàn)榭妆诘奈锢碜璧K作用而降低。此時(shí)，試件內(nèi)水分的蒸發(fā)速度又小于空氣中水蒸氣的擴(kuò)散速度。這使得透水瀝青試件上表面上方15 cm處相對(duì)濕度隨時(shí)間的增長(zhǎng)而降低。

圖8可知，在蒸發(fā)試驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程中，試件表面中心、試件表面周圍、試件上表面上方15 cm處溫度均在快速增長(zhǎng)。而且，試件表面中心的溫度一直高于試件表面周圍和試件上表面上方15 cm處溫度。這是因?yàn)檎舭l(fā)試驗(yàn)開(kāi)始后，模擬太陽(yáng)光向外輻射能量，并傳遞到透水瀝青試件表面。試件表面中心接受的是太陽(yáng)光的直射，其四周接受的是太陽(yáng)光斜射。所以，傳遞到試件表面中心的熱量高于試件表面周圍的熱量。由于模擬太陽(yáng)光的照射，空氣中形成一定的溫度差，這使得熱量向溫度低的方向傳遞，并且空氣的導(dǎo)熱系數(shù)小于透水瀝青的導(dǎo)熱系數(shù)，透水瀝青的導(dǎo)熱性能比空氣好[18]。所以，距試件15 cm 處的熱量低于試件表面中心吸收的熱量。因此，試件表面中心的溫度一直高于試件表面周圍和試件上表面上方15 cm處的溫度。試件表面周圍溫度和試件上表面上方15 cm處溫度變化關(guān)系如下。在蒸發(fā)試驗(yàn)的前半部分，試件上表面上方15 cm處溫度高于試件表面周圍溫度，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，在蒸發(fā)試驗(yàn)的后半部分，試件表面周圍溫度逐漸高于試件上表面上方15 cm處溫度。在蒸發(fā)試驗(yàn)的前半部分，由于試件上表面上方15 cm處的測(cè)試點(diǎn)距離太陽(yáng)光模擬燈很近，傳遞到該處的熱量大于傳遞到試件表面周圍的熱量。所以，試件上表面上方15 cm處溫度高于試件表面周圍溫度。在蒸發(fā)試驗(yàn)的后半部分，隨著試驗(yàn)的持續(xù)進(jìn)行，傳遞到試件表面周圍的熱量不斷增多。由于透水瀝青的導(dǎo)熱性能比空氣好，所以試件表面周圍溫度逐漸高于試件上表面上方15 cm處溫度。

3.4.5 透水瀝青試件的保水率的計(jì)算

保水試驗(yàn)是為了測(cè)得透水瀝青持有水的特性。首先，測(cè)量試件尺寸得到體積V。再將試件放在通風(fēng)處晾干，干燥的試件質(zhì)量記為m1。然后，將試件完全浸泡于水中。每隔規(guī)定的時(shí)間取出試件用濕抹布擦干試件表面的水分后進(jìn)行稱重。觀察保水試驗(yàn)中透水瀝青試件吸水的變化過(guò)程。當(dāng)試驗(yàn)時(shí)試件質(zhì)量不再變化時(shí)停止試驗(yàn)。此刻試件的質(zhì)量記為m2，計(jì)算出該試件的保水率。

(1)

式中，m1為干燥的試件質(zhì)量；m2為試件完全吸水飽和時(shí)的質(zhì)量；V為試件的體積。

采用3個(gè)試件保水率的平均值作為標(biāo)準(zhǔn)透水瀝青試件的保水率，透水瀝青保水試驗(yàn)保水率的相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。透水瀝青試件的保水率為45.036 kg/m3。

表4 透水瀝青試件的保水率Tab.4 Water retention rates of permeable asphalt specimens

3.4.6 透水瀝青試件含水量與試件上表面上方15 cm處溫度、相對(duì)濕度的關(guān)系

圖9 蒸發(fā)試驗(yàn)中試件含水量與試件上表面上方15 cm處溫度、相對(duì)濕度的關(guān)系Fig.9 Relationships of water content of specimen with temperature and relative humidity at 15 cm above upper surface of specimens

根據(jù)圖9可知，隨著試件含水量的逐漸降低，試件上表面上方15 cm處溫度逐漸升高，試件上表面上方15 cm處相對(duì)濕度逐漸降低。含水量為2.33%左右時(shí)，是溫度和相對(duì)濕度變化比較明顯的節(jié)點(diǎn)，即溫度在此節(jié)點(diǎn)之前快速上升，在此節(jié)點(diǎn)之后緩慢上升，而相對(duì)濕度在此節(jié)點(diǎn)之前處于快速下降階段，在此節(jié)點(diǎn)之后處于緩慢下降階段。

4 結(jié)論

(1)透水瀝青路面透水試驗(yàn)中，3種不同降雨強(qiáng)度下透水瀝青路面的透水穩(wěn)定時(shí)間約為5 min。在透水量穩(wěn)定的情況下，透水瀝青路面的平均透水率為98%。并且，降雨強(qiáng)度越大，透水瀝青路面的最早下滲時(shí)間就越短。

(2)透水瀝青路面保水與蒸發(fā)試驗(yàn)中，平均空隙率為20%的瀝青透水路面面層的飽和保水率為45.036 kg/m3。保水與蒸發(fā)試驗(yàn)中保水開(kāi)始2 min后，透水瀝青路面的水量達(dá)到飽和情況下的99.9%。透水瀝青路面在蒸發(fā)時(shí)，它的保水質(zhì)量是逐漸下降的。60～120 min這一時(shí)間段保水質(zhì)量下降速率最快，隨后保水質(zhì)量下降速率降低。

(3)在保水與蒸發(fā)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，透水瀝青路面的蒸發(fā)量約為飽和吸水量的21.57%。如果透水瀝青路面孔隙內(nèi)儲(chǔ)存的水分要被完全蒸發(fā)，需要大于上述試驗(yàn)很長(zhǎng)的時(shí)間。

(4)透水瀝青路面在整個(gè)蒸發(fā)試驗(yàn)期間，試件上表面上方15 cm處的相對(duì)濕度逐漸下降，但在160～200 min期間相對(duì)濕度會(huì)出現(xiàn)小幅度上漲。試件的3個(gè)部位溫度逐漸升高。試件表面中心溫度增長(zhǎng)速率大于試件表面周圍溫度的增長(zhǎng)速率，試件表面周圍溫度的增長(zhǎng)速率大于試件上表面上方15 cm處溫度的增長(zhǎng)速率。這表明透水瀝青路面蒸發(fā)對(duì)周圍熱環(huán)境的溫度和相對(duì)濕度有一定的改變作用。

(5)路面含水量為2.33%時(shí)，是透水瀝青路面上方溫度和相對(duì)濕度變化比較明顯的節(jié)點(diǎn)。

(6)由于透水瀝青路面試驗(yàn)面積比較小，為了減少實(shí)驗(yàn)室內(nèi)空氣溫度、濕度等對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，試件上方放置圓形保護(hù)罩阻止了試件表面及上方空氣的對(duì)流換熱，使得試驗(yàn)結(jié)果比實(shí)際情況略有不同。