多孔瀝青混合料排水性能研究與空隙率確定

張建紅,張少恒,董富坤,禹昊文

(西藏天路股份有限公司,拉薩 850010)

強(qiáng)降雨時(shí),傳統(tǒng)瀝青道路的表面會(huì)形成水膜,車(chē)輛行駛時(shí)極易發(fā)生水漂或水滑,嚴(yán)重影響駕乘人員的安全[1]。多孔瀝青路面對(duì)提高行駛安全性具有重要作用,多孔瀝青混合料的目標(biāo)空隙率通常為18%～25%,在降雨時(shí)或路面有積水的情況下,路表水可通過(guò)多孔瀝青混合料的連通空隙滲入路面內(nèi)部,再沿著道路橫坡流至排水渠,或者繼續(xù)下滲至路基內(nèi)部,以保證道路表面的防滑性[2-6]。然而,降雨條件下多孔瀝青道路中的排水滲流過(guò)程較為復(fù)雜,目前對(duì)多孔瀝青混合料的排水規(guī)律與排水性能方面的研究多通過(guò)橫向、縱向滲透試驗(yàn),以滲透系數(shù)來(lái)表示[7-8],而實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中水流路徑復(fù)雜多變,不能僅從單一維度進(jìn)行評(píng)價(jià)。不同空隙率的多孔瀝青混合料具有不同的排水性能,不同降雨強(qiáng)度對(duì)多孔瀝青路面空隙率的要求目前尚未明確[9-10]。本文通過(guò)模擬降雨試驗(yàn),研究多孔瀝青路面的極限排水強(qiáng)度及其與目標(biāo)空隙率和連通空隙率之間的關(guān)系;通過(guò)測(cè)量排水表層的最大瞬時(shí)降雨強(qiáng)度,更全面地了解多孔瀝青混合料的性能。

1 試件制備

1.1 空隙率確定

多孔瀝青混合料是一種多孔介質(zhì),其空隙結(jié)構(gòu)如圖1 所示,可分為連通空隙、半連通空隙和閉口空隙[11]。空隙結(jié)構(gòu)會(huì)影響瀝青混合料的滲透和排水能力,空隙率的數(shù)值與制備瀝青混合料所使用的級(jí)配、顆粒形狀和壓實(shí)度有關(guān)。

圖1 多孔瀝青混合料空隙結(jié)構(gòu)

當(dāng)路面的入水速率大于出水速率時(shí),水將聚積在路面內(nèi)部,形成滯留水。滯留水會(huì)影響路面強(qiáng)度、縮短路面的使用壽命[2,12],因此應(yīng)避免路面內(nèi)部出現(xiàn)滯留水。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中試件的表面出現(xiàn)滯留水時(shí)所對(duì)應(yīng)的模擬降雨的強(qiáng)度,可以計(jì)算此多孔瀝青混合料試件的極限排水強(qiáng)度。

試驗(yàn)共制備了8 個(gè)多孔瀝青混合料試件,尺寸為30 cm×30 cm×5 cm,空隙率分別為18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%,研究不同空隙率下多孔瀝青混合料的排水速率。

1.2 原材料

根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》 (JTG F40—2004)(后文簡(jiǎn)稱(chēng)“規(guī)范”),制備出具有多孔結(jié)構(gòu)的瀝青混合料。根據(jù)規(guī)范,所使用的粗集料應(yīng)具備潔凈、干燥、表面粗糙等特性,以確保一定的硬度和耐磨性。粗集料選用反擊式破碎機(jī)軋制的玄武巖,符合規(guī)范要求。采用SBS 改性瀝青,用量為5%。根據(jù)規(guī)范,SBS 改性瀝青部分技術(shù)指標(biāo)如表1 所示。

表1 SBS 改性瀝青部分技術(shù)指標(biāo)

1.3 配合比設(shè)計(jì)

粗集料的配合比在制備多孔瀝青混合料的過(guò)程中至關(guān)重要。為滿(mǎn)足排水瀝青混合料技術(shù)要求,粒徑在2.36～4.75 mm 的集料含量不應(yīng)超過(guò)6%,粒徑在9.5～16 mm 的集料與粒徑在4.75～9.5 mm 的集料含量之比應(yīng)大于0.74 且不超過(guò)1.25[13]。試驗(yàn)制備的8 種多孔瀝青混合料級(jí)配應(yīng)在設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上同時(shí)根據(jù)上述限制要求進(jìn)行設(shè)計(jì),級(jí)配篩分如圖2 所示。

圖2 級(jí)配篩分

2 排水試驗(yàn)

2.1 前期準(zhǔn)備

當(dāng)多孔瀝青混合料的排水強(qiáng)度處于臨界狀態(tài)時(shí),多孔瀝青混合料內(nèi)部的連通空隙和半連通空隙被水分完全填充,最大潛水面厚度與混合料排水層厚度相等。同時(shí),試件表面的滲透系數(shù)完全飽和,外部的進(jìn)水速率與多孔瀝青混合料的排水速率相同。如果此時(shí)外部水流速度增大,試件表面會(huì)出現(xiàn)徑流,形成水膜。

試驗(yàn)中設(shè)定降雨強(qiáng)度從0 開(kāi)始穩(wěn)定增大,定義多孔瀝青混合料所能承受的最大瞬時(shí)降雨強(qiáng)度為試件即將出現(xiàn)水膜的某一時(shí)刻的降雨強(qiáng)度,定義降雨強(qiáng)度與試件上表面積的乘積為極限排水強(qiáng)度[14-15],計(jì)算公式為

式中,Rmax為試件發(fā)生徑流時(shí)的降雨強(qiáng)度,cm·min-1;D為試件的極限排水強(qiáng)度,mL·min-1;S為試件的上表面積,cm2。

當(dāng)模擬降雨強(qiáng)度小于路面的極限排水強(qiáng)度時(shí),外部進(jìn)水能由多孔瀝青混合料充分排出;當(dāng)模擬降雨強(qiáng)度大于路面的極限排水強(qiáng)度時(shí),外界水分只有一部分能由混合料排出,其余水分將從試件表面沿著坡度方向排出,形成表面徑流。

為真實(shí)模擬路面排水狀態(tài),需將試件底面和3 個(gè)側(cè)面密封,使水僅從一側(cè)流出。通過(guò)調(diào)整試件高度H與排水長(zhǎng)度L的比值確定試件斜坡坡度i,本次試驗(yàn)將i設(shè)置為2%、3%和4%。試驗(yàn)過(guò)程中,逐漸增大模擬降雨強(qiáng)度,當(dāng)試件出現(xiàn)表面徑流時(shí),停止試驗(yàn)并記錄此時(shí)的模擬降雨強(qiáng)度。試驗(yàn)示意如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)示意

2.2 不同目標(biāo)空隙率和坡度條件下混合料的排水性能

多孔瀝青混合料的排水性能受多方面因素影響,如空隙率、橫坡度大小、排水長(zhǎng)度、試件厚度等?？刂破渌兞坎蛔?試驗(yàn)得到不同目標(biāo)空隙率和坡度條件下混合料的極限排水強(qiáng)度如表2 所示。

表2 不同目標(biāo)空隙率和坡度條件下混合料的極限排水強(qiáng)度

由表2 可知,隨著目標(biāo)空隙率增大,多孔瀝青試件的極限排水強(qiáng)度和可承受的最大降雨強(qiáng)度也相應(yīng)增大。當(dāng)目標(biāo)空隙率為18%、坡度設(shè)置為2%時(shí),極限排水強(qiáng)度為219.00 mL·min-1;坡度不變,目標(biāo)空隙率增大至25% 時(shí),極限排水強(qiáng)度為855.00 mL·min-1。目標(biāo)空隙率增加了7%,排水能力提高近3 倍。隨著坡度增大,試件的排水能力也提高。當(dāng)目標(biāo)空隙率為18%、坡度由2%增至4%時(shí),極限排水強(qiáng)度增加了129 mL·min-1,排水能力提高58%。由此可見(jiàn),多孔瀝青混合料的排水能力主要受目標(biāo)空隙率的影響,斜坡坡度大小對(duì)混合料排水能力的影響較小。目標(biāo)空隙率與極限排水強(qiáng)度的關(guān)系如圖4 所示。

圖4 目標(biāo)空隙率與極限排水強(qiáng)度的關(guān)系

經(jīng)計(jì)算,坡度為2%時(shí)線性擬合函數(shù)為y=92.07x-1 329.78,相關(guān)系數(shù)R2=0.98,可以認(rèn)為空隙率與極限排水強(qiáng)度呈線性相關(guān)關(guān)系。

2.3 連通空隙率與混合料排水性能的關(guān)系

在多孔瀝青混合料排水的過(guò)程中,水分僅通過(guò)其連通空隙排出,因此有必要在研究不同目標(biāo)空隙率的混合料排水性能的基礎(chǔ)上探究連通空隙率與混合料排水性能的關(guān)系。

測(cè)定連通空隙率的試驗(yàn)方法如下[16-17]:將干燥的試件放入干燥密封袋中,隨后,使用真空密度測(cè)試儀將密封袋抽至真空狀態(tài),用天平稱(chēng)量裝有試件的密封袋質(zhì)量,記作m1;將其放入25 ℃的水中,稱(chēng)量其水中質(zhì)量,記作md;取出試件,稱(chēng)其質(zhì)量,記作m2;最后將試件放入水中,稱(chēng)量其水中質(zhì)量,記作mw。

連通空隙率VV＇的計(jì)算公式為

式中,ρd為試驗(yàn)所用密封袋的密度。

采用上述試驗(yàn)和計(jì)算方法,得到8 組目標(biāo)空隙率不同的試件的連通空隙率測(cè)試結(jié)果,如表3所示。

表3 連通空隙率測(cè)試結(jié)果 (%)

將試件的連通空隙率與極限排水強(qiáng)度進(jìn)行關(guān)聯(lián),得到坡度為2%時(shí)試件的連通空隙率與極限排水強(qiáng)度之間的線性擬合關(guān)系,如圖5 所示。

圖5 連通空隙率與極限排水強(qiáng)度之間的線性擬合關(guān)系

經(jīng)計(jì)算,線性擬合函數(shù)為y=131.63x-1 688.07,相關(guān)系數(shù)R2=0.96,因此可以認(rèn)為連通空隙率與極限排水強(qiáng)度呈線性相關(guān)關(guān)系。該結(jié)果同時(shí)從側(cè)面反映了目標(biāo)空隙率與連通空隙率也呈線性相關(guān)關(guān)系。

3 混合料空隙率對(duì)路用性能的影響

3.1 高溫穩(wěn)定性

車(chē)轍試驗(yàn)常被用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性[18]。在溫度為60 ℃的條件下,采用碾壓車(chē)轍板進(jìn)行混合料的高溫車(chē)轍試驗(yàn),檢測(cè)8 種瀝青混合料車(chē)轍板的動(dòng)穩(wěn)定度。

動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果如圖6 所示。動(dòng)穩(wěn)定度隨著混合料空隙率的增加先增大后減小。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因是,空隙率較低的混合料含有較多的細(xì)集料,整體難以形成骨架結(jié)構(gòu),但當(dāng)空隙率增大時(shí),骨料之間的嵌擠作用減弱。因此,多孔瀝青混合料的高溫性能在空隙率為20% 時(shí)效果最佳,達(dá)到5 327 次·mm-1。當(dāng)空隙率在20%～23%時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度大于5 000 次·mm-1,符合《排水瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3350-03—2020,后文簡(jiǎn)稱(chēng)“施工規(guī)范”)[19]要求。

圖6 動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

3.2 低溫穩(wěn)定性

為檢測(cè)多孔瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性,本試驗(yàn)制備了空隙率在18%～25%的車(chē)轍試件,并將其切成小梁試件,進(jìn)行-10 ℃條件下的低溫彎曲試驗(yàn)。混合料的低溫穩(wěn)定性用破壞應(yīng)變?cè)u(píng)價(jià),破壞應(yīng)變測(cè)試結(jié)果如圖7 所示。從圖7 可以看出,空隙率越大,多孔瀝青混合料的低溫穩(wěn)定性越差,這是因?yàn)榭障堵试酱?混合料中的集料接觸面積越小,在低溫彎曲時(shí)更容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而破裂。因此,試驗(yàn)中混合料的空隙率為18%時(shí),其低溫穩(wěn)定性最佳,破壞應(yīng)變達(dá)到3 203 με。根據(jù)施工規(guī)范要求,在冬冷區(qū)及冬溫區(qū),破壞應(yīng)變應(yīng)不小于2 500 με,空隙率18%～23%的混合料符合要求;在冬寒區(qū),破壞應(yīng)變應(yīng)不小于2 800 με,空隙率18%～21%的混合料符合要求。

圖7 破壞應(yīng)變測(cè)試結(jié)果

3.3 水穩(wěn)定性

采用凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)估多孔瀝青混合料的水穩(wěn)定性。將測(cè)試材料分為兩組,第一組不經(jīng)過(guò)凍融循環(huán),第二組經(jīng)過(guò)真空保水和-18 ℃低溫保溫16 h后,立即投入恒溫(60 ℃)水浴中保溫;最后,以50 mm·min-1的速率進(jìn)行劈裂試驗(yàn),確定測(cè)試材料的劈裂抗拉強(qiáng)度?？障堵逝c凍融劈裂強(qiáng)度比的關(guān)系如圖8 所示。

圖8 空隙率與凍融劈裂強(qiáng)度比的關(guān)系

由圖8 可知,多孔瀝青混合料的水穩(wěn)定性隨著空隙率的增大而下降?？障堵试?8%～22%的混合料的凍融劈裂強(qiáng)度符合施工規(guī)范要求。隨著空隙率增大,集料與瀝青的接觸面積減小,二者之間的黏聚力減小,混合料的凍融劈裂強(qiáng)度變小。

4 根據(jù)路用性能確定混合料的空隙率范圍

多孔瀝青混合料的空隙率既會(huì)影響排水強(qiáng)度,又會(huì)影響路用性能。根據(jù)對(duì)不同空隙率混合料的3 種路用性能測(cè)試結(jié)果,發(fā)現(xiàn)隨著空隙率增大,混合料的排水性能提高,但路用性能降低。因此,需要在保證路用性能的基礎(chǔ)上,確定混合料的空隙率。路用性能符合規(guī)范要求的空隙率范圍如圖9 所示。

圖9 路用性能符合規(guī)范要求的空隙率范圍

由圖9 可知,在冬冷區(qū)及冬溫區(qū),當(dāng)空隙率為20%～22%時(shí),混合料的路用性能符合施工規(guī)范要求;在冬寒區(qū),空隙率應(yīng)為20%～21%。

5 結(jié)論

(1) 斜坡坡度設(shè)置為2%,當(dāng)混合料目標(biāo)空隙率從18%增加至25%時(shí),排水能力提高了近3 倍。線性擬合結(jié)果顯示擬合程度較高,可以認(rèn)為目標(biāo)空隙率與極限排水強(qiáng)度呈線性相關(guān)。當(dāng)斜坡坡度由2%增至4%時(shí),混合料的排水能力提高58%。

(2) 測(cè)試混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性。隨著空隙率增大,高溫穩(wěn)定性先提高后降低,低溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性逐漸降低。

(3) 根據(jù)路用性能確定混合料的空隙率。在冬冷區(qū)及冬溫區(qū),空隙率應(yīng)為20%～22%;在冬寒區(qū),空隙率應(yīng)為20%～21%。