多孔瀝青路面路用功能性能的衰變特性研究

陳健俠，朱晟澤，梁彥龍，黃曉明

（1.深圳市市政工程設計院，廣東 深圳 518035；2.東南大學交通學院，江蘇 南京 210096）

多孔瀝青路面路用功能性能的衰變特性研究

陳健俠1，朱晟澤2，梁彥龍2，黃曉明2

（1.深圳市市政工程設計院，廣東 深圳 518035；2.東南大學交通學院，江蘇 南京 210096）

多孔瀝青路面是一種大空隙骨架結構的路面，具有顯著的路面構造深度，有利于提高抗滑性能，并具有降溫和降噪功能。依托上海五洲大道的實體工程對多孔瀝青路面的功能性能進行分析，使用空隙率作為路面功能性能衰變的特征變量。以不同空隙率（18%～22%）的混合料為研究對象，通過室內試驗分析多孔瀝青路面在使用過程中的功能性能衰變，包括排水性能、抗滑性能和抗堵塞性能。

多孔瀝青路面；空隙率；配合比設計；路用功能性能衰變

0　引　言

多孔瀝青路面是使用空隙率較大的瀝青混合料用于路面表層作為排水層，在其下鋪設密級配混合料作為不透水層，并在排水層和不透水層之間設置防水黏結層的路面結構。這種路面結構使用的多孔瀝青混合料的空隙率一般在18%～25%，采用間斷級配，混合料中形成較大的空隙率和較多的有效空隙，使路面雨水可以迅速排出，提高路面的排水性能，同時大空隙的存在可以起到降溫和降噪的作用[1]。但是隨著多孔瀝青路面的鋪筑使用，空隙阻塞這一多孔瀝青路面特有的問題引起了國內外學者的關注，多孔瀝青路面表層空隙較大，容易被異物覆蓋，形成空隙阻塞，使得有效空隙不斷縮小，時間越久，路面的排水性能越差[2]。

國外學者的研究表明，多孔瀝青路面在使用過程中，其空隙一方面受到荷載作用擠壓變形縮小，另一方面受到雜物堵塞而損失[3-4]。當不考慮沖刷等因素時，小于6 μm的細料是造成空隙阻塞的關鍵顆粒[5]。多孔瀝青路面空隙被逐漸堵塞后，其有效空隙率會大幅下降[6]，造成排水性能的損失。Li等的研究發現，多孔瀝青路面的阻塞情況與多孔瀝青路面的材料無關[7],而和路面層設計以及氣候情況有關，并由總積累體積和滲流速率共同決定[8]。Erdem等對多孔瀝青路面在雨水滲透條件下的阻塞進行了分析，發現在雨水和車輪荷載共同作用下，多孔瀝青路面下層空隙率下降最嚴重，同時整個面層的滲透性能下降了40%～90%[9]。蔣瑋等對多孔瀝青混合料進行了室內阻塞試驗和滲水試驗，指出盡可能采用粗級配可以減少空隙阻塞。此外，堵塞受到雜物顆粒粒徑的影響[10]。

1　多孔瀝青路面配合比設計

多孔瀝青路面的級配設計依據是由C.A. Gweymouth提出的開級配粒子干涉理論 (Theory of Interference)，該理論認為對于骨架型結構的混合料，其集料顆粒間的空隙應該由次一級的集料顆粒填充，用于填充的顆粒粒徑不可以超過空隙的間距，以免發生粒子干涉[11]。

1.1多孔瀝青混合料的級配設計

本文依托上海五洲大道的實體工程，其設計空隙率為22%，為了研究其路用性能的變化，在上述級配設計的基礎上，選擇了22%、20%、18%三個空隙率為特征值進行研究。隨后使用經驗公式初試瀝青用量，再用馬歇爾試件驗證空隙率，并進行馬歇爾試驗、肯特堡飛散試驗、謝倫堡析漏試驗等驗證各項指標是否符合規范要求，同時保證空隙率與期望值的差值不超過±1%，完成配合比設計。級配設計流程如圖1所示。

將上海五洲大道的空隙率22%級配作為級配1，在2.36 mm通過率上依次增加3%左右初選空隙率分別為20%和18%的級配2和級配3，保證每個級配不超過《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）[12]規定的級配范圍，初步設定的級配見表1和圖2。

圖2中可以看出，三種級配都在規范要求范圍內，并且4.75 mm和9.5 mm通過率相對更接近級配下限，說明此級配中粗集料含量較高，空隙率較大。

圖1　配合比設計流程

表1　多孔瀝青混合料級配

圖2　級配曲線

1.2最佳油石比確定

根據日本的研究結論，多孔瀝青混合料的瀝青膜厚度宜為14μm，根據表1中的數據計算的結果為：級配1油石比4.9%，級配2油石比5.0%，級配3油石比5.2%。對上述級配使用馬歇爾擊實儀雙面擊實50次，成型后的試件采用體積法測定的空隙率分別為21.9%、20.2%、17.8%，基本符合既定的空隙率指標。對上述三種級配的初始油石比，以0.5%為梯度變換油石比，從4.0%～6.0%這5組不同的油石比成型試件，分別進行謝倫堡析漏試驗和肯特堡飛散試驗，以此確定最佳瀝青用量。得到最佳油石比見表2。

表2　最佳油石比確定

根據上述油石比制成馬歇爾試件，用體積法測得三種級配的空隙率分別是21.9%、20.2%、18.4%，所以級配1為22%空隙率，級配2為20%空隙率，級配3為18%空隙率。其中，級配1的油石比和空隙率與五洲大道的設計一致。

2　空隙衰變

多孔瀝青路面的空隙結構在使用過程中受到車輛荷載和自然因素的共同作用而不斷下降，空隙結構的衰變主要分為荷載作用下的壓密變形和堵塞作用下的空隙結構損失。

2.1荷載對空隙的影響

2.1.1荷載作用次數

為了分析空隙衰變和荷載作用次數的關系，通過室內車轍試驗的方法，控制對多孔瀝青混合料車轍板的荷載作用次數，分析不同荷載作用次數后，車轍板的空隙衰變情況。車轍板的空隙變化通過計算車轍部分的試件空隙和初始空隙率對比得出。空隙率的采集通過切割車轍部分的混合料，采用體積法計算空隙率，使用水中重法測量有效空隙率。室內車轍試驗荷載的作用速率為42次/min。按照表2所示級配1成型車轍板，其初始空隙率為22%左右，試驗溫度為60℃，荷載大小為0.7 MPa，控制變量為車轍試驗的時間，其范圍是10～90 min，以10 min為間隔進行試驗。試驗結果見表3和圖3。

對圖3的試驗結果進行擬合，可以得出荷載作用次數和空隙衰變的關系為

式中：△VV為試件的空隙率損失，%；△VE為試件的有效空隙率損失，%；N為荷載作用次數，次。

表3　荷載作用次數與空隙率

圖3　荷載作用次數與空隙率

由試驗的數據和擬合結果可以看出，隨著荷載作用次數的增加，空隙結構不斷被壓縮，且在荷載作用初期空隙率下降的速率較大，隨后下降速率逐漸變小；空隙率和有效空隙率在荷載作用下表現出相近的衰變規律；隨著荷載作用次數持續增加，空隙結構在壓密過程中逐漸穩定，空隙率和有效空隙率分別維持在16%和11%左右。

2.1.2荷載作用溫度

通過控制室內車轍試驗的溫度，在30～60℃以10℃為間隔，統一以0.7 MPa的荷載作用60 min，依據車轍試驗分析不同溫度下空隙率的衰變。車轍試驗后空隙的變化結果見表4和圖4。

表4　荷載作用溫度與空隙率

圖4　荷載作用溫度與空隙率變化

擬合空隙率、有效空隙率衰變隨試驗溫度變化的關系式為

式中：VV為試件的空隙率，%；VE為試件的有效空隙率，%；T為荷載作用溫度，℃。

由式（3）和式（4）可以看出，多孔瀝青路面的空隙結構在不同溫度下的衰變呈指數關系，溫度越高，空隙衰變越嚴重，60℃時的空隙衰變損失是30℃時的4.5倍，但是有效空隙衰變是7.6倍。這說明，隨著溫度的增加，荷載對多孔瀝青路面的空隙結構破壞加劇，有效空隙率的損失要大于空隙率的整體下降。

2.2堵塞對空隙的影響

多孔瀝青路面在使用過程中易受到雜物堵塞，造成空隙率下降，排水功能受到破壞。然而，堵塞后的空隙率不易直接測量而路面結構中的有效空隙率直接決定路面的滲水系數，而空隙率和有效空隙率又具有良好的對應關系。因此，可以通過測量堵塞后滲水系數的變化間接評價堵塞對空隙的影響。

本實驗采用東南大學開發的多孔瀝青滲水性能測試儀，該儀器由儲水箱、水泵、噴頭、流速表、流速控制閥門、試件密封夾具、支架等組成。流速表可以讀取瞬時流速與累積流速，所用的試件為大馬歇爾試件，為了模擬多孔瀝青路面實際的厚度，制作的馬歇爾試件的高度為5cm左右。通過流速表讀取瞬時流速作為多孔瀝青混合料的滲水系數C。

試驗采用的堵塞顆粒，結合蔣瑋等的研究結果[10]，大于4.75 mm的顆粒不容易進入多孔瀝青混合料的空隙當中，所以針對小于4.75 mm的顆粒進行堵塞研究。由于道路實際表面的顆粒組成比較復雜，而且不同地區的環境條件也不相同，這里簡化為把堵塞的顆粒使用同一種成分的集料來代替，以篩孔孔徑（2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm、0.075 mm）劃分4.75 mm檔以下的集料為7檔，每檔都稱取同樣質量的集料混合均勻，以10 g分組作為堵塞顆粒。

試驗的步驟是成型大馬歇爾試件后，將堵塞顆粒每10 g為一組攤鋪于馬歇爾試件表面，記錄不同顆粒加入后馬歇爾試件的滲水系數。試驗結果見表5和圖5。

表5　堵塞條件下滲水系數的變化

圖5　堵塞與滲水

根據試驗的結果，擬合得滲水系數和堵塞的關系式為

式中：C為滲水系數，ml/min；m為堵塞顆粒質量，g。

根據上述試驗結果，可以得出滲水系數和堵塞顆粒質量呈線性相關，堵塞顆粒攤鋪越多，滲水系數下降越嚴重。根據式（5）計算，當堵塞物質量大于34 g時，多孔瀝青混合料的滲水系數將不滿足《公路瀝青路面施工技術規范》要求的3 600 ml/min標準。滲水系數的下降說明，多孔瀝青混合料結構中的空隙被不斷加入的堵塞物堵塞，滲水功能出現損失。據此滲水系數的衰變可以等效為空隙率的衰變，通過計算滲水系數的殘留百分數可以得到空隙率的殘留百分數，根據表5的數據計算出堵塞條件下空隙率衰變的結果見表6。

表6　空隙率殘留百分數

對比荷載作用對空隙的影響結果，在標準輪載作用下，初始空隙率為22%的多孔瀝青路面在荷載作用后空隙衰變逐漸變慢，最終達到相對穩定的壓實狀態，空隙率為16%，空隙率損失為30%，此后空隙率在荷載作用下基本保持不變，路面結構達到一個相對穩定的壓密狀態。然而，空隙在受到堵塞時，空隙率損失較大，達到了60%以上，且空隙受堵塞而減小的速率沒有明顯的下降，根據式（5）的計算，當堵塞物質量達到105 g時，滲水系數將接近零，空隙基本完全損失。因此，相對于荷載壓密來說，堵塞對空隙衰變的影響更大。

3　排水性能

對于路面的排水性能，一般使用滲水系數來表征。根據《公路路基路面現場測試規程》（JTG E60—2008）[13]要求，瀝青路面的滲水系數采用變水頭的儀器測量路面的滲水系數。滲水系數的測量具體步驟是通過記錄量筒內水面由500 ml下降至100 ml時的時間長度，根據下面的公式計算滲水系數。

式中：Cw為路面的滲水系數，ml/min；V2為第二次計時時的水量，ml，通常取100 ml；V1為第一次計時時的水量，ml，通常取500 ml；t1為第一次計時的時間，s；t2為第二次計時的時間，s。

按照上文所示的配合比分別制成空隙率22%、20%、18%的車轍板，試驗結果見表7和圖6。

表7　滲水性能試驗結果　ml/min

圖6　滲水性能結果

根據試驗結果，擬合滲水系數和空隙率的關系為

式中：Cw為滲水系數，ml/min；VV為空隙率，%。

空隙率的衰變和滲水系數的變化接近指數關系，這說明空隙率越大，滲水系數增長越快。隨著空隙率的下降，滲水系數下降的幅度在降低。分析上述數據，說明在空隙率18%以上時，多孔瀝青路面的滲水能力滿足規范要求。根據式（7）計算，若空隙率衰變到18%時，滲水系數將降到3 600 ml/min，空隙率繼續降低，滲水系數將不滿足規范要求。

4　抗堵塞性能

本節的主要研究內容為通過室內試驗的方法，對不同空隙率下的多孔瀝青混合料在模擬雨水滲入情況下的抗堵塞性能進行試驗，分析造成不同空隙率條件下堵塞的敏感粒徑。結合蔣瑋等的研究結果[10]，大于4.75 mm的顆粒不容易進入多孔瀝青混合料的空隙當中，所以針對小于4.75 mm的顆粒進行堵塞研究。由于道路實際表面的顆粒組成比較復雜，而且不同地區的環境條件也不相同，為了明確造成堵塞的敏感粒徑這一關鍵指標，試驗把堵塞的顆粒使用同一種成分的集料來代替，排除顆粒組成成分及來源的影響。使用分檔后玄武巖集料作為試驗用堵塞顆粒，分檔情況及每檔的用量見表8。

表8　堵塞顆粒的粒徑劃分

把表8中所示的7檔集料分別在試件表面攤鋪均勻，每塊試件上撒鋪的集料質量記為a。均勻緩慢地灑水，當表面顆粒數量不再有明顯變化，且透過試件的水質清澈，堵塞過程完成。收集透過試件的水，烘干后稱量顆粒質量記為b，待馬歇爾試件靜止自然晾干后，用毛刷清掃表面收集顆粒稱量質量記為c，攤鋪的顆粒總量減去透過的顆粒質量和表面殘留的質量即為堵塞的顆粒質量，記為d，根據上述試驗步驟對三種空隙率下的試件進行堵塞試驗，使用高精度電子稱稱量顆粒質量，試驗結果見表9和圖7。

可以得出當空隙率為22%時，0.6～2.36 mm顆粒阻塞質量占總阻塞質量的60%以上，且粒徑更大的1.18～2.36 mm顆粒在堵塞中的比重大于0.6～1.18 mm顆粒（堵塞比例為3∶2）。同時小于0.6 mm的顆粒基本可以完全通過空隙（通過率達到90%）。

圖7　堵塞試驗結果

對于空隙率20%的試件，引起其堵塞的顆粒粒徑是0.6～1.18 mm和1.18～2.36 mm兩檔集料，且兩檔顆粒阻塞質量基本一致。粒徑處于中間部分的0.6～2.36 mm顆粒占堵塞顆粒物總質量的60%以上，是造成20%左右的多孔瀝青混合料堵塞的關鍵粒徑。

對于空隙率18%的試件，粒徑在2.36 mm以上顆粒已經不能通過試件，大部分殘留在試件表面，并且0.6 mm以下的顆粒堵塞的質量相對于20%以上的多孔瀝青混合料明顯增多（通過率不足70%）。這說明當多孔瀝青路面空隙率衰變到18%時，其抗堵塞性能出現了大幅度的下降。

分析三種空隙率下的堵塞顆粒總質量的變化，可以得出隨著空隙率的下降，堵塞的總質量在加速增長，同時不能進入空隙結構的質量也在增加，通過有效空隙而隨著水流排出空隙結構的質量在逐漸降低。可以看出空隙率在20%以上時，大部分顆粒通過了多孔瀝青混合料，殘留在空隙結構中的顆粒較少；而空隙率18%時，通過多孔瀝青混合料的顆粒質量出現大幅的下降，殘留在多孔瀝青混合料表面和空隙結構內部的顆粒質量明顯增多，如圖8所示。

表9　多孔瀝青混合料的堵塞結果

圖8　空隙率與堵塞質量

空隙率和通過結構的顆粒質量擬合的關系為

式中：M為通過多孔瀝青混合料的顆粒質量，g；VV為多孔瀝青混合料的空隙率，%。

這說明多孔瀝青混合料的抗堵塞性能和空隙率具有較好的指數性關系，根據式（8）的計算，當空隙率為20%時，攤鋪的堵塞顆粒有一半可以通過空隙結構，說明空隙率20%以上的多孔瀝青混合料結構具有較好的抗堵塞性能。空隙率在20%以下時，通過的顆粒質量明顯下降，多孔瀝青混合料抗堵塞性能出現較大損失。且空隙率越小，堵塞質量增加的速率越快，根據公式預測，當空隙率降到14%時，顆粒將不能通過多孔瀝青混合料，而將殘留在多孔瀝青混合料表面或者結構當中，混合料的抗堵塞性能將完全喪失。

綜上所述，多孔瀝青混合料的抗堵塞性能隨空隙率的下降而下降。對于空隙率在18%～22%的多孔瀝青結構，大于2.36 mm的顆粒不易進入空隙結構中，因此對路面的堵塞影響不大。隨著空隙率的下降，造成多孔瀝青混合料堵塞的關鍵粒徑逐漸變小，主要是0.6～2.36 mm顆粒堵塞了空隙率在20%左右的多孔瀝青混合料結構。空隙率下降，堵塞在多孔瀝青混合料中的顆粒質量逐漸增加，通過結構中的有效空隙結構的顆粒質量明顯減小，表明路面的抗堵塞性能下降。為了保證多孔瀝青路面的使用品質，應定期清洗路面結構中的堵塞。

5　結　論

本文分析了多孔瀝青路面在荷載作用和堵塞作用下的空隙衰變情況，以及隨著空隙率的下降，多孔瀝青路面功能性能衰變的情況，得到的結論如下：

（1）在荷載作用下，多孔瀝青路面材料產生壓密變形，空隙率逐漸下降，空隙衰變的速率初始較大隨后減小，多孔瀝青混合料最終會達到一個相對穩定的狀態，空隙率基本不變。荷載作用的溫度越高，空隙衰變越嚴重。

（2）在堵塞作用下，多孔瀝青路面材料的滲水系數大幅下降，滲水系數和堵塞質量線性相關。堵塞造成的空隙率下降相對于荷載壓密造成的空隙下降更嚴重，隨著使用時間的增加，在多孔瀝青路面空隙衰變中，堵塞對空隙衰變的影響更大。

（3）多孔瀝青混合料的排水性能隨著空隙率的衰變而減小，排水性能與空隙率的變化具有指數關系。空隙率在18%以上的多孔瀝青路面可以保持較高的滲水系數，滿足規范對多孔瀝青路面的技術要求。

（4）多孔瀝青路面的抗滑性能隨空隙率的減小而衰退，其主要指標——構造深度和摩擦系數擺值隨著空隙率的減小而減小，兩個指標和空隙率呈現出較好的指數關系。空隙率在18%以上的多孔瀝青混合料具有較大的構造深度和較高的擺值，滿足規范對多孔瀝青路面的技術要求。

（5）根據多孔瀝青路面的空隙特點和路面使用情況，本文使用室內試驗的方法分析多孔瀝青路面不同空隙率下的堵塞規律。試驗結果表明，隨著空隙率的下降，多孔瀝青路面抗堵塞性能降低，空隙越小越容易被堵塞。不同空隙率下堵塞的顆粒分布不同，空隙率越小，堵塞的顆粒關鍵粒徑越小，堵塞的顆粒總質量越大。

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U416.217

A

1009-7716（2016）04-0151-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.048

2015-12-15

陳健俠（1963-），男，廣東省汕頭人，高級工程師，從事道路橋梁專業的工作。