排水瀝青路面滲透性與連通空隙率的關系研究

鄭鵬飛

近年來我國高速公路建設發展迅速，里程逐年增長，路網日趨完善。如何提高路面的使用品質，如何向社會提供更安全、更舒適、更快捷的公路交通，已成為我國交通部門追求的新目標，排水性路面則是實現這種目標的一種路面形式。排水性瀝青采用大空隙瀝青混合料作路表功能層，具有很好的排水功能，在雨天路表不積水，行車不會產生濺水和水霧現象，車輛行駛視線好，大大提高雨天行車的安全性。排水路面優良的排水能力與其連通空隙率(有效空隙率)相關[1-5］，因此如果能找出材料的連通空隙率與滲透系數之間的關系，那么就可以通過連通空隙率對材料的滲透系數進行設計，使其滿足排水性能的要求。大量研究表明，滲透系數可以綜合反映多孔介質透水性能，其一方面取決于孔隙介質的特性，同時與流體的物理性質如粘度和溫度有關[6］。在道路工程研究中，可以把滲透系數理解為孔隙介質特性對透水性影響的一個參數。本文就此開展研究，分析排水瀝青路面滲透性與連通空隙率的關系，為排水瀝青路面的推廣應用提供依據。

1 排水性瀝青混合料組成設計

1.1 原材料

1)瀝青。采用TAFPACK-Super改性劑(簡稱TPS)作為排水瀝青混合的改性劑，添加量為瀝青用量的15%。2)集料。采用玄武巖集料。3)礦粉。試驗采用石灰巖礦粉。礦粉質量符合JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術規范[8］的要求。

1.2 排水瀝青混合料組成設計及空隙率

排水性瀝青混合料組成設計過程如下:

1)檢驗原材料的技術指標;2)在推薦的級配范圍，根據期望的目標空隙率試配三種配比方案，使2.36 mm篩孔通過率在中值范圍±3%內;3)根據瀝青膜厚度和集料表面積預估瀝青用量;4)擊實成型馬歇爾試件，檢驗空隙率能否達到目標空隙率的要求;5)按±0.5%，±1%變化瀝青用量，進行析漏試驗、飛散試驗確定最佳瀝青用量;6)最后進行混合料性能試驗驗證。

設計了兩種空隙率的排水性瀝青混合料PAC-13，空隙率分別為25%和20%。另外為進行對比分析，按照相同的集料和SBS改性瀝青進行了普通密級配AC-13瀝青混合料的組成設計，其設計空隙率分別為10%和6%。

2 橫向滲透系數的測試

2.1 測試方法

滲透系數的水槽測定試驗裝置如圖1所示。試件采用30 cm×30 cm×5 cm的車轍板，水流從左側流向右側，控制左側水位高度為h1，右側水位高度為h2。試驗時首先讓出水口水流穩定(采取固定高度溢流的方式)，測定t時間內右側出水口的出水量Q。

其中，Kx為材料的橫向滲流系數，cm/s;Q為時間t秒內滲出的水量，cm3;h1，h2分別為進水口、出水口處的水位標高，cm;t為滲透時間，s。

橫向滲透系數的計算公式為:

2.2 測試結果

水力坡度控制在0.02以上，橫向滲透系數測試結果如表1所示。

表1 瀝青混合料橫向滲透系數

3 滲透性與連通空隙率的關系

3.1 連通空隙的測定

將試件從模筒中取出，風干或烘干至恒重，稱量一個空氣中重ma和試件的水中重mw，量取試件高度H，按下式計算連通空隙率:

3.2 測試結果

輪碾法成型車轍板試件，垂直于碾壓方向切割50 mm×50 mm×200 mm的試件，測定其體積指標，測試結果如表2所示。

表2 連通空隙率的測試結果 %

3.3 滲透系數與連通空隙率的關系

橫向滲透系數與連通空隙率之間的關系如圖2所示，由此可見橫向滲透系數隨連通空隙率增大而增大;當空隙率小于6%時，瀝青混合料基本上不透水;當空隙率超過20%，滲水系數基本上能達到300 m/d，能夠滿足我國排水設計規范的要求。因此，在排水混合料設計中設計空隙率不應小于20%。

瀝青混合料的滲水系數和空隙率的關系可表示為:

其中，Kx為材料的橫向滲流系數，cm/s;n為連通空隙率，%。

根據式(3)，選用不同連通空隙率標準即可得到相應的橫向滲透系數，從而實現對排水性能的設計。此外，還應考慮到材料性質、施工因素以及排水性能衰變特性，設計空隙率應有一定的富余。

4 結語

1)采用TPS改性瀝青制備了不同空隙率的排水瀝青混合，并實測其連通空隙率和橫向滲透系數。結果表明，瀝青混合料的滲水系數和空隙率有較好的相關性，隨著空隙率的增大而增大。

2)當空隙率小于6%時，瀝青混合料基本上不透水;當空隙率超過20%，滲水系數基本上能達到300 m/d，能夠滿足我國排水設計規范的要求，因此，在排水混合料設計中設計空隙率不應小于20%。

3)采用指數函數可以很好地反映橫向滲透系數與連通空隙率的關系，可根據回歸公式選用不同連通空隙率標準得到相應的橫向滲透系數值，從而對排水材料的排水性能進行設計。

[1]李闖民，王寧輝.不同方法測量的排水瀝青混合料試件空隙率關系[J］.公路，2007(1):138-141.

[2]諸永寧，陳榮生，倪富健.排水性瀝青路面排水性能評定方法研究[J］.公路交通科技，2004，21(8):9-11.

[3]邢明亮，陳拴發，陳華鑫，等.級配組成對排水性混合料空隙率影響研究[J］.武漢理工大學學報，2009，31(17):62-65.

[4]徐 皓，倪富健，陳榮生，等.排水性瀝青混合料耐久性[J］.交通運輸工程學報，2005，5(2):27-31.

[5]李立寒，李新軍，梅海峙，等.排水性瀝青混合料組成結構與性能的研究[J］.建筑材料學報，2003，6(1):40-44.

[6]張嘉林.多孔排水瀝青混合料空隙精細描述與分布特性研究[D］.西安:長安大學，2008.

[7]日本道路協會.排水性鋪裝技術指南[Z］.東京:丸善株式會社，1996.

[8]JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術規范[S］.