排水瀝青路面空隙堵塞試驗研究

周 韡， 黃曉明， 李英濤

（1.江蘇高速公路工程養(yǎng)護技術有限公司, 江蘇 南京 211106； 2.東南大學交通學院, 江蘇 南京 211189）

引 言

排水瀝青路面采用18%～25%空隙率、骨架-空隙結構的瀝青混合料做上面層或上中面層，與普通路面相比，排水路面的空隙結構將水流通道遷移到路面內(nèi)部。減少了路表水膜的形成和水漂、濺水現(xiàn)象的發(fā)生，改善了路面抗滑性能，提高了路面行車的安全性，并具有一定的降噪功能［1-6］。

排水瀝青路面空隙結構被堵塞是造成排水性能衰變的重要原因，目前對于排水瀝青路面排水性能及其衰變規(guī)律國內(nèi)外也進行了相關研究。蔣甫通過對實體工程的現(xiàn)場長期監(jiān)測以及室內(nèi)試驗提出排水瀝青路面的滲水性能隨通車運營時間的增加呈線性降低趨勢［7］。Moriyoshi等［8］對排水瀝青路面進行了14年的長期觀測表明通車后滲透系數(shù)逐漸下降，2年后達到穩(wěn)定的殘留滲透系數(shù)。

對于排水瀝青路面堵塞發(fā)生的位置與機理，Brown［9］研究表明顆粒在排水瀝青混合料內(nèi)部堵塞主要是由于篩分作用，堵塞不僅出現(xiàn)在混合料表面，還可能出現(xiàn)在混合料內(nèi)部。Balades等［10］研究描述了排水瀝青路面結構堵塞的過程：首先是粗顆粒堵塞在結構表面；然后較細的顆粒逐漸在由空隙結構與粗顆組成的孔喉處被俘獲；最終形成不可滲透的密實結構。James［11］研究表明排水瀝青路面堵塞的位置主要出現(xiàn)在上表面幾厘米范圍內(nèi)，是排水性能衰變的主要原因。Coleri等［12］通過模擬降雨以及CT成像技術研究表明，堵塞主要出現(xiàn)在混合料底部，混合料厚度較小時，其出現(xiàn)堵塞的幾率更高。國外研究結論之間存在一定的矛盾，主要是由于不同研究過程中，排水瀝青混合料的空隙結構以及模擬雨水的顆粒粒徑與顆粒含量有較大的差別。本文根據(jù)國內(nèi)排水瀝青路面結構與路面粉塵顆粒情況，通過室內(nèi)模擬試驗，研究排水瀝青路面排水性能衰減與空隙堵塞規(guī)律，對于制定排水瀝青路面養(yǎng)護決策方案以及養(yǎng)護裝備的研發(fā)具有指導意義。

1 混合料堵塞試驗

1.1 粉塵顆粒堵塞

由于自然以及人為原因，粉塵顆粒會逐漸散布在排水瀝青路表構造結構中；在降雨條件下，粒徑較小的顆粒被水流帶動隨雨水在空隙結構中流動，有可能被空隙結構中的某些部位俘獲而沉積下來；由于水流情況的變化，某些被俘獲的粉塵顆粒也可能被重新釋放到水流中，最終流出排水瀝青路面，或在其他位置被俘獲。

排水材料被顆粒堵塞主要與空隙結構的分布、顆粒的尺寸、濃度、空隙結構表面與顆粒間的相互作用、顆粒與流體間的相互作用、含顆粒流體在空隙結構中的流動規(guī)律等有關。

1.2 試驗步驟

為了研究排水瀝青路面的空隙堵塞規(guī)律，在室內(nèi)進行排水瀝青混合料顆粒堵塞試驗。研究表明剖面空隙中孔徑小于6 mm的空隙占剖面總空隙數(shù)量的80%以上［13］，由于排水瀝青路面實際的孔喉結構與堵塞顆粒形狀復雜，在排水瀝青混合料內(nèi)部孔喉出堵塞的顆粒粒徑應小于孔喉的等效直徑，因此選取的堵塞顆粒為粒徑小于4.75 mm的集料顆粒。具體的試驗步驟為：

（1） 成型14塊排水瀝青混合料標準馬歇爾試件，混合料級配如表1所示，集料為玄武巖，瀝青為70#基質(zhì)瀝青添加12%TPS的高粘瀝青，分為2組。為了模擬排水瀝青路面實際使用情況，將試件的下面層蠟封，保證其下側(cè)不透水。

表1 混合料堵塞試驗排水瀝青混合料級配

（2） 稱取粒徑小于4.75 mm的各檔烘干集料作為堵塞材料。

（3） 將試件放在支架上并放入大燒杯內(nèi)，在試件表面分別撒布單檔堵塞隔離，使其均勻覆蓋在試件表面，適當震蕩后，均勻灑水1000 mL，收集流出試件的混合液，放入烘箱中烘干，稱量烘干物的質(zhì)量，待試件表面干燥后，輕輕掃下表面殘留的集料，烘干后稱量其質(zhì)量。

（4） 每檔粒徑的顆粒進行2組平行試驗，阻塞在排水瀝青混合料空隙內(nèi)部的顆粒質(zhì)量百分比通過下式計算：

式中a為堵塞材料質(zhì)量（g）；b為流出試件的混合液烘干物質(zhì)量（g）；c為流出試件試件表面殘留物烘干質(zhì)量（g）。

2 滲透性能衰變試驗

2.1 Wojtanowicz堵塞機理模型

Wojtanowicz等提出了單相含顆粒流體流動與堵塞機理模型，用于研究顆粒堵塞造成的地層滲透性損害［14］?？梢愿鶕?jù)試驗獲得的滲透系數(shù)衰變規(guī)律基于下列公式確定多孔材料的堵塞成因。

式中k0為初始滲透系數(shù)（cm/s）；k為t時刻的滲透系數(shù)（cm/s）；t為含顆粒流體流入多孔材料的時間（s）；C1，C2，C3表示不同堵塞機理系數(shù)。

2.2 試驗步驟

（1） 設計不同空隙率的排水瀝青混合料，混合料級配如表2所示；每個設計空隙率采用擊實法成型4塊標準馬歇爾試件，成型后通過體積法實測試件的空隙率，如表3所示。

表2 滲透性能衰變試驗排水瀝青混合料合成級配

表3 標準馬歇爾試件的實測空隙率

（2） 自制滲透系數(shù)測量裝置，如圖1所示。將馬歇爾試件用直徑為101 mm橡膠模套住，放入內(nèi)徑102 mm的塑料管底部，橡膠模長度大于塑料管高度，長出的橡膠模翻出套住塑料管，保證馬歇爾試件的側(cè)向防漏性。水箱中裝滿水，將封裝好的試件放在水箱中支架上。

圖1 滲透系數(shù)測量裝置示意

（3） 研究表明散布在瀝青路面表面的顆粒主要為粒徑0.25 mm以下的粉塵，路面粉塵顆粒中，小于0.075 mm的比例在50%左右［15-16］。因此選取0.3 mm以下的細集料作為堵塞顆粒，制備含顆粒流體，顆粒含量為500 mg/L，顆粒粒徑分別為0.3 mm以下，0.3～0.6 mm， 0.6～1.18 mm， 1.18～2.36 mm，其中0.3 mm以下粉塵顆粒的組成如表4所示。

表4 0.3 mm以下堵塞顆粒粒徑級配

（4） 將水注入塑料管內(nèi)，保證恒定流速Q(mào)，塑料管內(nèi)液面穩(wěn)定時，測量水箱水面到塑料管內(nèi)水面的高度，記為H0；排水瀝青混合料馬歇爾試件的高度與截面積，分別記為L與A，試件的初始滲透系數(shù)k0為：

（5）將粒徑為0.3 mm以下的含顆粒流體注入塑料管內(nèi)，同樣保證恒定流速Q(mào)，注入時間t后，測量水箱水面到塑料管內(nèi)水面的高度，記為H（t），此時試件的滲透系數(shù)k為：

結合式（5）與（6），可以得到：

（6）每20 min記錄一次水箱水面到塑料管內(nèi)水面的高度H（t），繪制k/k0與時間t的關系曲線。

（7）重復以上步驟，完成不同空隙率試件以及不同堵塞顆粒粒徑的試驗，并繪制曲線。

3 試驗數(shù)據(jù)與分析

3.1 阻塞顆粒分布

通過堵塞試驗獲得的不同粒徑顆粒阻塞在排水瀝青混合料內(nèi)部以及殘留在混合料表面的質(zhì)量百分比如圖2所示。

圖2 不同粒徑顆粒阻塞與表明殘留質(zhì)量百分比

從圖中可以看出0.6～1.18 mm和1.18～2.36 mm兩檔顆粒阻塞質(zhì)量百分比最大，表明0.6～2.36 mm的顆粒最容易阻塞在排水瀝青混合料內(nèi)部。當顆粒粒徑小于0.6 mm時，表面殘留顆粒質(zhì)量與堵塞顆粒質(zhì)量較小，而濾出液中顆粒質(zhì)量較大，表明粒徑小于0.6 mm的顆粒在水流的帶動下容易進入排水瀝青混合料內(nèi)部，但由于顆粒粒徑較小，不容易堵塞在空隙結構中，最終從混合料內(nèi)部流出；而粒徑大于2.36 mm的顆粒表面殘留質(zhì)量較大，表明粒徑大于2.36 mm的顆粒較難被水流帶動或者因為粒徑較大無法進入混合料空隙結構中，因此主要殘留在混合料表面。

3.2 顆粒堵塞規(guī)律

通過滲透性能衰變試驗，獲得的不同空隙率試件滲透系數(shù)殘留率隨時間變化規(guī)律如圖3所示，當滲透系數(shù)過小時，塑料管內(nèi)水溢出，因此部分試驗時間較短。

圖3 滲透系數(shù)殘留率隨時間變化規(guī)律

從圖中可以看出，含顆粒流體對于排水瀝青混合料的堵塞規(guī)律按時間基本分為三個階段：初期較快，中期逐漸放緩，后期穩(wěn)定。不同空隙率試件在不同粒徑的顆粒堵塞條件下的階段劃分如表5所示。

表5 堵塞階段劃分

對比不同空隙率排水瀝青混合料滲透系數(shù)隨時間衰變規(guī)律可以看出，空隙率越小，顆粒粒徑越大，第一階段的時間越短，第二階段與第三階段時長相差不大。其中第一階段滲透系數(shù)殘留率k/k0與注入時間t滿足2式，表明顆粒堵塞初期，顆粒在混合料內(nèi)部孔喉處的堵塞占主導地位。并且第一階段滲透系數(shù)的衰變量占總衰變量的比例明顯高于其他兩個階段。但對于不同空隙率的試件以及不同粒徑的顆粒，第一階段由2式擬合獲得的反應滲透系數(shù)衰變速率的滲透系數(shù)衰變斜率C1是不同的，C1越大表明顆粒堵塞效果越明顯。擬合獲得的第一階段衰變斜率如圖4所示。

圖4 滲透系數(shù)衰變

從圖4中可以看出，對于相同空隙率的排水瀝青混合料，不同粒徑顆粒的堵塞效果是不同的，粒徑越大的顆粒對于混合料的堵塞效果越明顯，其中小于0.3 mm粒徑的顆粒對于空隙的堵塞效果明顯低于粒徑0.3 mm以上的顆粒，而其他粒徑的顆粒的堵塞效果差距相對較??；對于相同粒徑的顆粒，對于不同空隙率的排水瀝青混合料的堵塞效果也是不同的，空隙率越小堵塞效果越明顯。

對于三種堵塞機理，空隙結構表面的顆粒吸附與沉降會導致空隙通道變窄，影響連通路徑的流體通行能力；孔喉被顆粒堵塞導致原本連通的路徑的流體通行能力瞬間降低，孔喉發(fā)生堵塞后，孔喉處的孔徑更小，更多的顆粒流經(jīng)此路段時堵塞在空隙通道內(nèi)，造成空隙結構中顆粒的大量堆積，流體通行能力進一步降低直至徹底堵塞，失去流通能力，此時含顆粒流體不會繼續(xù)流經(jīng)該通道，而是通過其他暢通的路徑流出排水瀝青混合料。從以上分析可知，同樣的堵塞顆粒量，孔喉堵塞對滲透系數(shù)的影響最大，空隙結構表面的顆粒吸附與沉降以及空隙結構中顆粒的大量堆積對滲透系數(shù)的影響相對較低。

第二階段的排水瀝青混合料滲透系數(shù)衰變規(guī)律并不符合Wojtanowicz模型的滲透性衰減機理方程，表明此時沒有占主導地位的堵塞成因，是三種堵塞情況共同作用的結果。由于此時衰變速率逐漸放緩，表明此時空隙結構表面顆粒吸附與沉降以及顆粒的大量堆積所占的比例逐漸提高。其中對于粒徑較小的顆粒，顆粒容易被流體帶動，比較難以在空隙結構表面顆粒吸附與沉降，空隙結構中顆粒大量堆積效果更明顯；對于粒徑較大的顆粒，空隙結構表面顆粒吸附與沉降以及顆粒大量堆積都對空隙結構有影響。

第三階段的排水瀝青混合料滲透系數(shù)逐漸穩(wěn)定，表明排水瀝青混合料內(nèi)部存在孔徑較大的連通路徑，在較多空隙結構堵塞后，含顆粒流體從這些路徑流出混合料，此時顆?；静辉俣氯谂潘疄r青混合料空隙內(nèi)部。

4 結 論

（1） 排水瀝青混合料堵塞試驗表明0.6～2.36 mm的顆粒最容易阻塞在排水瀝青混合料內(nèi)部。粒徑大于2.36 mm的顆粒主要殘留在混合料表面。

（2） 含顆粒流體對于排水瀝青混合料的堵塞基本分為三個階段：初期較快，中期放緩，后期穩(wěn)定。

（3） 排水瀝青混合料堵塞初期，顆粒在混合料內(nèi)部孔喉處的堵塞占主導地位。堵塞中期空隙結構表面顆粒吸附與沉降以及顆粒的大量堆積效果逐漸提升。

（4） 排水瀝青混合料內(nèi)部存在孔徑較大的連通路徑，在較多空隙結構堵塞后，含顆粒流體從這些路徑流出混合料，滲透系數(shù)趨于穩(wěn)定。

（5） 排水瀝青混合料的堵塞進入第三階段時，滲透系數(shù)出現(xiàn)明顯衰變，空隙結構中已堆積大量顆粒，不利于通過清洗恢復透水性能，建議在滲透系數(shù)下降到初始滲透系數(shù)60%前開展空隙清洗。