瀝青混合料空隙率與滲透系數相關性試驗研究

楊大田，周 乾

(1. 重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074； 2. 廣西交通設計集團有限公司，廣西 南寧 530001)

0 引 言

瀝青混合料的滲透性是指水或空氣在壓實瀝青混合料滲透能力，與瀝青路面的早期破壞如水損害、老化、開裂、推移、車轍等緊密相關[1]，小的空隙率導致瀝青混合料路面車轍和擁包，大的空隙率則造成水損壞和瀝青混合料的老化，從而影響其耐久性。A. KUMAR等[2]認為，與空隙率相比，瀝青混合料的滲透性是表征瀝青路面耐久性能更為合理的指標；G. W. MAUPIN[3]建議將滲透系數作為瀝青混合料配合比設計的指標之一。

COOLEY L A, Jr等[4-6]連續三年對Superpave瀝青混合料的滲透系數和空隙率進行了試驗研究，發現它們具有較強的相關性，他們利用指數函數進行數據擬合，得到了Superpave瀝青混合料的臨界滲透系數和臨界空隙率，并建議在Superpave瀝青混合料配合比設計中加以控制；R. A. TAREFDER等[7]認為瀝青混合料水損壞與其滲透系數有關；M. AWADALLA等[8]發現隨著滲透系數的增大，瀝青混合料的密度和間接拉伸強度變小。

我國JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》對瀝青混合料試件的滲水系數提出了具體的技術要求，JTG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》的試驗方法對密級配瀝青混合料試件測試效果比較理想，但對空隙率較大的瀝青混合料試件測試效果較差，而且，在測試時，水會從車轍試樣周邊滲出，影響測試結果。

M. S. BUCHANAN[9]分別用水中重法、體積法、蠟封法和真空密封法，對粗、細級配Superpave、SMA、OGFC等4種級配瀝青混合料試樣，及高、中和低壓實功成型的瀝青混合料試樣，石灰石、花崗巖瀝青混合料試樣進行了空隙率測試，發現真空密封法能獲得最好的結果，其他方法測試結果的準確性受瀝青混合料類型、壓實狀態和試樣形態影響；E. R. BROWN等[10]用表干法(AASHTO T166)和真空密封法(Corelok)測試不同公稱最大粒徑瀝青混合料試件的空隙率，采用線性回歸方法，發現這兩種方法得到的空隙率具有較強的相關性，T166 法獲得空隙率比Corelok法得到的約小0.4～3.3； L. N. MOHAMMAD等[11]統計分析了真空密封法、表干法測得的空隙率以及有效空隙率的相關關系，得到真空密封法空隙率Vvac與表干法空隙率Vssd的線性回歸方程Vvac=1.1Vssd+ 0.2，相關系數R2=0.97，Vvac與有效空隙率Ve的線性回歸方程Ve=1.1Vvac-1.0，相關系數R2=0.93。以上研究說明，真空密封法適合各類瀝青混合料，能夠準確測試瀝青混合料真實空隙率及有效空隙率。

筆者基于國內比較常用的SMA-13、AC-13、AC-16和AC-20，首先用表干法、真空密封法進行試驗得到瀝青混合料試件的表干法空隙率Vssd、真空密封法空隙率Vvac及有效空隙率Ve，采用t- 檢驗分析Vssd與Vvac，Ve與Vvac的統計性質，研究它們間相關性；然后，采用自制的柔性壁變水頭滲透儀試驗測定瀝青混合料試件的滲透系數k，并用單因素方差法分析空隙率V與滲透系數k之間的相關性；最后，數據擬合空隙率與滲透系數，得到臨界空隙率Vcrit和臨界滲透系數kcrit，這2個參數可作為瀝青混合料組成設計、施工質量控制及耐久性評價指標。

1 原材料及試件制備

1.1 原材料

1.1.1 瀝 青

試驗采用的瀝青包括SBS改性瀝青及中石油AH-70基質瀝青 ，其技術指標見表1。

1.1.2 集 料

采用玄武巖、石灰巖粗集料，其技術性質試驗結果見表2。

表2 粗集料技術性質指標Table 2 Technical properties for aggregates

1.1.3 填 料

填料采用石灰巖磨制礦粉，其技術性質指標及篩分結果見表3。

1.1.4 纖 維

木質素纖維的技術性質見表4。

1.2 瀝青混合料配比設計

筆者選擇SMA-13、AC-13、AC-16及AC-20等4種瀝青混合料進行滲透系數試驗。

表3 礦粉技術性質指標及粒度范圍Table 3 Technical properties and size range for filler

表4 木質素纖維技術性質Table 4 Technical properties for lignin fiber

1)SMA-13、AC-13

采用SBS改性瀝青， 3～5 mm、5～10 mm和10～15 mm的玄武巖粗集料， 0～3 mm石灰巖細集料。SMA-13瀝青混合料還需摻加0.3%(按礦料質量計)木質素纖維。

2)AC-16、AC-20

采用中石油AH-70基質瀝青 ，0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm和10～20 mm的石灰巖集料。

4種瀝青混合料礦料級配，見表5。

1.3 試件制備

根據馬歇爾試驗得到瀝青混合料的最佳油石比，見表5。依據最佳油石比及對應的毛體積密度，輪碾制備300 mm × 300 mm × 50 mm瀝青混合料試樣，不同的碾壓次數，可得到不同空隙率的試樣；再鉆芯，得到直徑為100 mm × 高50 mm的圓柱形試樣，用于毛體積密度和滲透系數測試。

表5 4種瀝青混合料的集料級配及最佳油石比Table 5 Aggregate gradation and optimal asphalt content for four types of asphalt mixture

2 試 驗

2.1 空隙率試驗

2.1.1 表干法空隙率Vssd

按照JTG E 20—2011《瀝青及瀝青混合料試驗規程》的表干法進行試驗，由式(1)、式(2)計算瀝青混合料試件的毛體積相對密度ρssd及表干法空隙率Vssd(%)：

(1)

(2)

式中：ma為干燥試件在空氣中的質量，g；mw為試件在水中質量，g；mf為試件的表干質量，g；ρ理論max為瀝青混合料試件的理論最大相對密度。

2.1.2 真空密封法空隙率Vvac

首先，采用真空包裝機用柔韌耐刺破的塑料膜將瀝青混合料試件包裹起來，塑料膜緊貼在試樣表面，就像一層薄蠟粘附在試樣表面上，如圖1。

圖1 塑料膜密封試件Fig. 1 Sealed specimen with plastic membrane

參照表干法的操作步驟進行試驗，由式(3)、式(4)計算瀝青混合料試件的毛體積相對密度ρvac及真空密封法空隙率Vvac(%)：

(3)

(4)

式中：mA為瀝青混合料試件在空氣中的質量，g；mB為塑料袋密封的瀝青混合料試件在空氣中的質量，g；mE為密封塑料袋在水中質量，g；mF為密封塑料袋的相對密度；其他符號同前。

2.1.3 ASTM D7063有效空隙率Ve

根據ASTM介紹的試驗法[12]真空密封法試驗后，在水中剪破試樣表面的塑料膜，并保持試樣在水中至少4 min，使水充分地滲透到瀝青混合料試件空隙中，然后稱取試件在水中的質量，由式(5)、式(6)計算瀝青混合料試件的水中相對密度ρ2及有效空隙率Ve(%)：

(5)

(6)

式中：mC為撕去塑料膜后瀝青混合料試件在水中的質量，g；其他符號同前。

2.2 滲透系數試驗

筆者自制了一臺柔性壁變水頭滲透儀，如圖2，該滲透儀可對直徑100 mm、高50 mm的圓柱形瀝青混合料試樣進行滲透系數測試，測試步驟詳見文獻[13]。按式(7)計算滲透系數k[14]：

(7)

式中：k為瀝青混合料試件滲透系數，m/s；a為量筒的內截面面積，m2；A為試件的橫截面積，m2；H、h分別為最高刻度線與最低刻度線至試件底部的高度，m；t為水頭由H降至h所耗時間，s；tc為不同溫度下水的黏性修正系數。

圖2 自制變水頭柔性壁滲透儀Fig. 2 Self-made variable head flexible sidewall permeameter

3 試驗結果分析

3.1 Vssd、Vvac及Ve相關性分析

3.1.1 線性擬合

分別對Vssd與Vvac、Vvac與Ve進行線性擬合，得到圖3擬合曲線。

圖3 4種瀝青混合料的Vssd-Vvac、Vvac-Ve的線性關系Fig. 3 Linear relationship between Vssd-Vvac and Vvac-Pe for four types of asphalt mixture

從圖3可以看出：

1)對于所試驗的SMA-13、AC-13、AC-16及AC-20等4種瀝青混合料，Vssd與Vvac線性相關較好；Vssd與Vvac的差值范圍0.5～2.0，空隙率越大，差值越大，擬合的直線也越偏離對角線。在試驗過程中發現：對于空隙率較大的瀝青混合料試樣，真空密封法的準確性、精確性和重復性均比表干法的好。

2)對于所試驗的SMA-13、AC-13、AC-16及AC-20等4種瀝青混合料，Vvac與Ve具有較好的線性關系；Vvac與Ve的差值范圍1.0～5.0，空隙率越大，差值越大，擬合的直線越偏離對角線。

3)對于AC-13，Vssd>Vvac；而SMA-13、AC-16及AC-20，則Vssd

3.1.2t- 檢驗

利用成對雙樣本均值分析方法[15]，分別對Vssd-Vvac、Vvac-Ve進行統計分析，結果見表6。

表6 瀝青混合料試件Vssd - Vvac和Ve- Vvac的成對雙樣本均值分析Table 6 Paired two-sample mean analysis for Vssd - Vvac and Ve- Vvac for asphalt mixtures

由表6可見，對于Vssd-Vvac和Vvac-Ve，P值(T

3.2 滲透系數k與空隙率V的相關性分析

采用最小二乘法，按指數形式對SMA-13、AC-13、AC-16及AC-20等4種瀝青混合料試件的空隙率與滲透系數關系進行回歸，并用單因素方差分析[12]，發現4種瀝青混合料的空隙率與滲透系數具有較強相關性。

為了得到臨界空隙率Vcrit和臨界滲透系數kcrit，按圖4(a)作擬合曲線的切線，兩切線形成一個夾角φ，通過夾角的頂點A引一條直線，平分夾角φ，平分線與擬合曲線相交，有一個交點B，稱之為擬合曲線的拐點；通過拐點，作兩條垂直于x、y軸的直線，并與x、y軸相交，從而得到瀝青混合料的臨界空隙率Vcrit和臨界滲透系數kcrit。按此法得到4種瀝青混合料的Vcrit及kcrit，見表7。

圖4 SMA-13、AC-13、AC-16及AC-20的空隙率與滲透系數關系Fig. 4 Relationship between void ratio and permeability coefficient for SMA-13, AC-13, AC-16 and AC-20

瀝青混合料類型ASTM D7063參數Ve,crit/%ke,crit/(m·s-1)表干法參數Vssd,crit/%kssd,crit/(m·s-1)真空密封法參數Vvac,crit/%kvac,crit/(m·s-1)SMA-137.47.10×10-59.812.60×10-510.814.60×10-5AC-138.21.33×10-59.51.49×10-510.71.80×10-5AC-168.23.45×10-59.84.04×10-510.84.69×10-5AC-207.62.81×10-58.93.64×10-510.05.22×10-5

4 結 論

1)采用表干法和真空密封法分別對SMA-13、AC-13、AC-16和AC-20 等4種瀝青混合料試件進行試驗，得到表干法空隙率Vssd、真空密封法空隙率Vvac和有效空隙率Ve。通過線性擬合和t-檢驗得出：Vssd與Vvac具有較強的相關性和顯著性差異，空隙率越大，兩者的差值也越大，數據擬合直線越偏離對角線；Vvac-Ve也具有相同的規律。

2)利用自制的柔性壁滲透儀分別對SMA-13、AC-13、AC-16和AC-20等4種瀝青混合料進行了的滲透系數試驗。用單因素方差進行分析，發現4種瀝青混合料的表干法空隙率Vssd、真空密封法空隙率Vvac和有效空隙率Ve與滲透系數k之間具有顯著相關性；用指數函數對試驗數據進行擬合，分別得到了4種瀝青混合料的臨界空隙率Vcrit和臨界滲透系數kcrit這兩個參數，參數可作為瀝青混合料組成設計、施工質量控制及瀝青混合料耐久性評價的指標。