瀝青混合料滲透性研究

■江 溹 桂 甜

(江西省天馳高速科技發展有限公司，南昌 330103)

1 引言

隨著我國十三五道路規劃的落實，國內各高速公路與國省道公路建設項目增多。 隨之瀝青路面病害也不斷發生， 瀝青路面災害已成為相關工作者的主要研究問題[1]。相關研究表明水侵害是瀝青路面主要病害， 瀝青混合料的滲透性能成為解決瀝青路面病害的決定性因素[2]。研究有哪些因素影響瀝青混合料滲透性能及影響機理可為瀝青路面病害防治提供指導。

本文為了研究各因素對瀝青混合料滲透性能的影響關系， 設計相應試驗。 選取瀝青針入度、 瀝青占比、2.36mm 篩孔通過百分比、0.075mm 篩孔通過百分比、級配最大粒徑與空隙百分比等6 個影響因素， 借助灰色關聯理論，計算各自的灰色關聯度。分析其影響程度并深度挖掘影響機理，力求指導工程實踐。

2 試驗設計

2.1 原材料介紹

試驗瀝青選擇AH-70 號(I)、AH-70 號(II)與SBS 改性瀝青，集料選擇石灰巖，填料選擇石灰巖礦粉，各原材料的各性能參數檢測值記錄在表1 與表2。

2.2 試驗方案設計

根據之前研究成果[3-4]，主要分析瀝青針入度、瀝青占比、2.36mm 篩孔通過百分比、0.075mm 篩孔通過百分比、級配最大粒徑與空隙百分比6 個變化因素的影響作用。其中瀝青針入度設置7.2mm、6.9mm、5.7mm3 種， 瀝青用量占比利用馬歇爾試驗標定。 礦料級配種類包括AC-13.0、AC-16.0、AC-20.0、SMA-13.0 等4 種。 單個種類級配選用2 條級配曲線，具體情況見圖1。 各級配曲線全部達到相應技術標準。空隙百分比通過表干法檢測獲得，基質瀝青混合料相對密度理論最大值通過真空密封法檢測獲得， 改性瀝青混合料相對密度理論最大值通過計算法檢測獲得。

表1 試驗所用瀝青各性能指標檢測值

表2 集料各相對密度的檢測值

圖1 各級配曲線對比圖

在本文研究中選擇自制變水頭滲透儀， 選用未脫模馬歇爾試件來進行試驗， 這樣可以有效減少材料用量和工作強度。 借助防水涂層與未脫模方式來降低側邊滲水現象的發生。

2.3 滲透試驗介紹

制備馬歇爾試驗樣品， 其規格為直徑64mm、 高為102mm 的圓柱體。 首先在模具內側涂抹均勻的一層防水涂層，然后利用自主研制的變水頭滲透儀(圖2)完成試驗。 最后對試驗數據進行標定，調節成20.0℃試驗條件下的數值，為了降低試驗數據的偏差，各組試驗數值選擇4組可重復性試驗的平均值。

圖2 自主研制的變水頭滲透儀構造示意圖

檢測時，安設好試驗儀器。 將2、6 號閥門開放，通過8 號管加水到1 號量筒中， 至指定高度后將2、6 號閥門關閉。開放2、6 號閥門，樣品構件下部多出的水經6 號閥門流凈后方可關閉。 開放2、6 號閥門時， 統計開始時刻t1，量筒內初始液面高度值h1，待結束后統計結束時刻t2與兩桶內液面最后高度值h2。

滲透系數的求解公式見公式1。

式中，K 代表滲透系數值，s 代表滲透試件的橫斷面面積值，h 代表滲透試件高度的平均值，S 代表量筒內部橫斷面面積值，t 代表滲透時長。

3 各影響因素影響關系分析

3.1 灰色關聯度計算

研究中選擇灰色關聯分析法完成瀝青混合料滲透性能因素的分析， 通過關聯度數值大小來表征自變量和因變量直接的緊密性，尤其擅長于分析多因素、非線性的因素間關系。

具體計算方法有下列4 步：

①給出分析數列。依據數列表征系統行為特點，設定數列Y={Y(k)|k=1,2,3L,n}，設定影響因素的數據序列的數列Xi={Xi(k)|k=1,2,3L,n}，i=1,2,L,m。

②變量無量綱化處理。對全部數據進行歸一化處理，以消除變量因量綱差異影響計算結果的弊端， 其計算公式見公式2。

③求出關聯系數值。代表數列第個元素的關聯系數，代表分辨系數值，其值大小與分辨率呈反比，一般情形設定值0.50，計算公式見公式3。

④求得關聯度值，把各關聯系數集中后構成關聯度，求解曲線上個點關聯系數的算術平均值得到關聯度值，計算公式見公式4。

3.2 滲透性影響因素探究

將滲透系數k 設定參考數列， 上述6 類影響因素設置成比較數列，整理成表3。 上述2 類數列參數完成無量綱化處置， 并設置分辨系數值0.50 后求解6 類因素的關聯系數值，整理成表4。 求出的6 個因素關聯度值見圖3柱形圖。

4 數值分析探討

從圖3 中柱形圖可以看出， 上述6 類影響因素關聯度值從高至低的次序為： 空隙百分比、2.36mm 通過百分比、級配粒徑最大、油石比例、0.075mm 通過百分比、針入度。 當分辨系數值設置0.50 時，關聯度值大于0.60 的因素很大程度上影響結果， 所以可看出空隙百分比對瀝青混合料的滲透性影響最大，2.36mm 通過百分比、 級配粒徑最大、油石比例、0.075mm 通過百分比全部顯著影響著瀝青混合料的滲透性能， 針入度此因素幾乎不影響滲透性。 充分考慮6 個因素的影響原理，深度挖掘灰色關聯度數值所含意義。

表3 滲透試驗各評價指標檢測值

表4 6 個因素關聯度的計算值匯總表

圖3 研究6 類影響因素灰色關聯度值對比

研究表明瀝青混合料空隙百分比與其滲透性能呈正相關關系[5-8]，8.0%作為分界點，低于8.0%時滲透性較小，超過8.0%滲透性較好，并且滲透性能增長隨空隙百分比增幅變大。 空隙百分比可作為表征瀝青混合料滲透性能力的指標。

2.36mm 通過百分比與0.075mm 通過百分比因為均具有混合料級配特征，2.36mm 可作為AC-13.0、AC-16.0、SMA-13.0 級配的關鍵篩孔，其數值大小可以直接反映空隙百分比的高低。 計算數據可看出，影響程度只小于空隙百分比。 大部分石灰巖礦粉組成粒徑可通過0.075mm 篩孔，僅有少量的可在混合料中充當填充，所以推出其基本不會影響混合料的滲透性。 關聯度值為0.64，位于顯著和非顯著的臨界點，僅大于針入度。

級配最大粒徑嚴重影響著混合料結構。 粒徑大的混合料骨架大，造成空隙通道大，從而混合料滲透性大。 在同等情形時AC-13.0 滲透系數低于AC-20.0 的滲透系數，在空隙百分比為8.0%，前者僅為后者的2/3。 分析其原因是AC-13.0 折算滲透通道的直徑遠小于AC-20.0。

油石比例通過連通空隙的大小變化來影響混合料的滲透性。 油石比例同連通空隙比例具有很好的線性關聯性。 油石比例過大會釋放大量自由瀝青，充斥在連通空隙內，從而造成混合料滲透性減小。 油石比例很小引起瀝青脫落，滲透性能上升。 所以適當的油石比例需要滿足無自由瀝青與滲透性的雙重要求。

經過對灰色關聯度比較能夠得出： 針入度基本不影響瀝青混合料的滲透性， 而結構特征很大程度上影響著混合料的滲透性。 由于針入度僅影響瀝青的軟硬性與抗剪切性，所以基本不影響混合料的結構。

5 結論

本文為了研究各因素對瀝青混合料滲透性能的影響關系，設計相應試驗。選取瀝青針入度、瀝青占比、2.36mm篩孔通過百分比、0.075mm 篩孔通過百分比、級配最大粒徑與空隙百分比等6 個主要因素，借助灰色關聯理論，計算各自的灰色關聯度。 分析其影響程度并深度挖掘影響機理。 最后得到如下3 個重要結論：

(1)灰色關聯度的計算能夠客觀反映6 個影響因素的影響程度， 可作為一項科學有效方法分析瀝青混合料滲透性能影響因素影響程度。

(2) 通過灰色關聯度的計算分析， 最后得到選用的6個影響因素的影響程度由高到低排序為： 空隙百分比、2.36mm 篩孔通過百分比、級配最大粒徑、油石比例、0.075 mm 篩孔通過百分比、針入度。 其中前5 個因素影響十分顯著，僅針入度因素基本不影響瀝青混合料滲透性。

(3)深度挖掘6 個影響因素的影響機理，全部通過改變混合料內部連通空隙來實現， 因此可推斷空隙比例是影響瀝青混合料滲透性能的決定因素。