瀝青混合料空隙率與滲透系數(shù)相關(guān)性試驗(yàn)研究

楊大田，周 乾

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)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(shí)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(kāi)裂、推移、車轍等緊密相關(guān)[1]，小的空隙率導(dǎo)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(rèn)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(biāo)；G. W. MAUPIN[3]建議將滲透系數(shù)作為瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)的指標(biāo)之一。

COOLEY L A, Jr等[4-6]連續(xù)三年對(duì)Superpave瀝青混合料的滲透系數(shù)和空隙率進(jìn)行了試驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)它們具有較強(qiáng)的相關(guān)性，他們利用指數(shù)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到了Superpave瀝青混合料的臨界滲透系數(shù)和臨界空隙率，并建議在Superpave瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)中加以控制；R. A. TAREFDER等[7]認(rèn)為瀝青混合料水損壞與其滲透系數(shù)有關(guān)；M. AWADALLA等[8]發(fā)現(xiàn)隨著滲透系數(shù)的增大，瀝青混合料的密度和間接拉伸強(qiáng)度變小。

我國(guó)JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對(duì)瀝青混合料試件的滲水系數(shù)提出了具體的技術(shù)要求，JTG E 20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的試驗(yàn)方法對(duì)密級(jí)配瀝青混合料試件測(cè)試效果比較理想，但對(duì)空隙率較大的瀝青混合料試件測(cè)試效果較差，而且，在測(cè)試時(shí)，水會(huì)從車轍試樣周邊滲出，影響測(cè)試結(jié)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(duì)粗、細(xì)級(jí)配Superpave、SMA、OGFC等4種級(jí)配瀝青混合料試樣，及高、中和低壓實(shí)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(jìn)行了空隙率測(cè)試，發(fā)現(xiàn)真空密封法能獲得最好的結(jié)果，其他方法測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性受瀝青混合料類型、壓實(shí)狀態(tài)和試樣形態(tài)影響；E. R. BROWN等[10]用表干法(AASHTO T166)和真空密封法(Corelok)測(cè)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(fā)現(xiàn)這兩種方法得到的空隙率具有較強(qiáng)的相關(guān)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(tǒng)計(jì)分析了真空密封法、表干法測(cè)得的空隙率以及有效空隙率的相關(guān)關(guān)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(guān)系數(shù)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(guān)系數(shù)R2=0.93。以上研究說(shuō)明，真空密封法適合各類瀝青混合料，能夠準(zhǔn)確測(cè)試瀝青混合料真實(shí)空隙率及有效空隙率。

筆者基于國(guó)內(nèi)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(jìn)行試驗(yàn)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(yàn)分析Vssd與Vvac，Ve與Vvac的統(tǒng)計(jì)性質(zhì)，研究它們間相關(guān)性；然后，采用自制的柔性壁變水頭滲透儀試驗(yàn)測(cè)定瀝青混合料試件的滲透系數(shù)k，并用單因素方差法分析空隙率V與滲透系數(shù)k之間的相關(guān)性；最后，數(shù)據(jù)擬合空隙率與滲透系數(shù)，得到臨界空隙率Vcrit和臨界滲透系數(shù)kcrit，這2個(gè)參數(shù)可作為瀝青混合料組成設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量控制及耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1 原材料及試件制備

1.1 原材料

1.1.1 瀝 青

試驗(yàn)采用的瀝青包括SBS改性瀝青及中石油AH-70基質(zhì)瀝青 ，其技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

1.1.2 集 料

采用玄武巖、石灰?guī)r粗集料，其技術(shù)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 粗集料技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)Table 2 Technical properties for aggregates

1.1.3 填 料

填料采用石灰?guī)r磨制礦粉，其技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)及篩分結(jié)果見(jiàn)表3。

1.1.4 纖 維

木質(zhì)素纖維的技術(shù)性質(zhì)見(jiàn)表4。

1.2 瀝青混合料配比設(shè)計(jì)

筆者選擇SMA-13、AC-13、AC-16及AC-20等4種瀝青混合料進(jìn)行滲透系數(shù)試驗(yàn)。

表3 礦粉技術(shù)性質(zhì)指標(biāo)及粒度范圍Table 3 Technical properties and size range for filler

表4 木質(zhì)素纖維技術(shù)性質(zhì)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?guī)r細(xì)集料。SMA-13瀝青混合料還需摻加0.3%(按礦料質(zhì)量計(jì))木質(zhì)素纖維。

2)AC-16、AC-20

采用中石油AH-70基質(zhì)瀝青 ，0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm和10～20 mm的石灰?guī)r集料。

4種瀝青混合料礦料級(jí)配，見(jiàn)表5。

1.3 試件制備

根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)得到瀝青混合料的最佳油石比，見(jiàn)表5。依據(jù)最佳油石比及對(duì)應(yīng)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(shù)，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(shù)測(cè)試。

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

2 試 驗(yàn)

2.1 空隙率試驗(yàn)

2.1.1 表干法空隙率Vssd

按照J(rèn)TG E 20—2011《瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》的表干法進(jìn)行試驗(yàn)，由式(1)、式(2)計(jì)算瀝青混合料試件的毛體積相對(duì)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(zhì)量，g；mw為試件在水中質(zhì)量，g；mf為試件的表干質(zhì)量，g；ρ理論max為瀝青混合料試件的理論最大相對(duì)密度。

2.1.2 真空密封法空隙率Vvac

首先，采用真空包裝機(jī)用柔韌耐刺破的塑料膜將瀝青混合料試件包裹起來(lái)，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(jìn)行試驗(yàn)，由式(3)、式(4)計(jì)算瀝青混合料試件的毛體積相對(duì)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(zhì)量，g；mB為塑料袋密封的瀝青混合料試件在空氣中的質(zhì)量，g；mE為密封塑料袋在水中質(zhì)量，g；mF為密封塑料袋的相對(duì)密度；其他符號(hào)同前。

2.1.3 ASTM D7063有效空隙率Ve

根據(jù)ASTM介紹的試驗(yàn)法[12]真空密封法試驗(yàn)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(zhì)量，由式(5)、式(6)計(jì)算瀝青混合料試件的水中相對(duì)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(zhì)量，g；其他符號(hào)同前。

2.2 滲透系數(shù)試驗(yàn)

筆者自制了一臺(tái)柔性壁變水頭滲透儀，如圖2，該滲透儀可對(duì)直徑100 mm、高50 mm的圓柱形瀝青混合料試樣進(jìn)行滲透系數(shù)測(cè)試，測(cè)試步驟詳見(jiàn)文獻(xiàn)[13]。按式(7)計(jì)算滲透系數(shù)k[14]：

(7)

式中：k為瀝青混合料試件滲透系數(shù)，m/s；a為量筒的內(nèi)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(shí)間，s；tc為不同溫度下水的黏性修正系數(shù)。

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(yàn)結(jié)果分析

3.1 Vssd、Vvac及Ve相關(guān)性分析

3.1.1 線性擬合

分別對(duì)Vssd與Vvac、Vvac與Ve進(jìn)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(guān)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(duì)于所試驗(yàn)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(guān)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(duì)角線。在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：對(duì)于空隙率較大的瀝青混合料試樣，真空密封法的準(zhǔn)確性、精確性和重復(fù)性均比表干法的好。

2)對(duì)于所試驗(yàn)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(guān)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(duì)角線。

3)對(duì)于AC-13，Vssd>Vvac；而SMA-13、AC-16及AC-20，則Vssd

3.1.2t- 檢驗(yàn)

利用成對(duì)雙樣本均值分析方法[15]，分別對(duì)Vssd-Vvac、Vvac-Ve進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 瀝青混合料試件Vssd - Vvac和Ve- Vvac的成對(duì)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(jiàn)，對(duì)于Vssd-Vvac和Vvac-Ve，P值(T

3.2 滲透系數(shù)k與空隙率V的相關(guān)性分析

采用最小二乘法，按指數(shù)形式對(duì)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(shù)關(guān)系進(jìn)行回歸，并用單因素方差分析[12]，發(fā)現(xiàn)4種瀝青混合料的空隙率與滲透系數(shù)具有較強(qiáng)相關(guān)性。

為了得到臨界空隙率Vcrit和臨界滲透系數(shù)kcrit，按圖4(a)作擬合曲線的切線，兩切線形成一個(gè)夾角φ，通過(guò)夾角的頂點(diǎn)A引一條直線，平分夾角φ，平分線與擬合曲線相交，有一個(gè)交點(diǎn)B，稱之為擬合曲線的拐點(diǎn)；通過(guò)拐點(diǎn)，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(shù)kcrit。按此法得到4種瀝青混合料的Vcrit及kcrit，見(jiàn)表7。

圖4 SMA-13、AC-13、AC-16及AC-20的空隙率與滲透系數(shù)關(guān)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(shù)Ve,crit/%ke,crit/(m·s-1)表干法參數(shù)Vssd,crit/%kssd,crit/(m·s-1)真空密封法參數(shù)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(jié) 論

1)采用表干法和真空密封法分別對(duì)SMA-13、AC-13、AC-16和AC-20 等4種瀝青混合料試件進(jìn)行試驗(yàn)，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(guò)線性擬合和t-檢驗(yàn)得出：Vssd與Vvac具有較強(qiáng)的相關(guān)性和顯著性差異，空隙率越大，兩者的差值也越大，數(shù)據(jù)擬合直線越偏離對(duì)角線；Vvac-Ve也具有相同的規(guī)律。

2)利用自制的柔性壁滲透儀分別對(duì)SMA-13、AC-13、AC-16和AC-20等4種瀝青混合料進(jìn)行了的滲透系數(shù)試驗(yàn)。用單因素方差進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)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(shù)k之間具有顯著相關(guān)性；用指數(shù)函數(shù)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shù)kcrit這兩個(gè)參數(shù)，參數(shù)可作為瀝青混合料組成設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量控制及瀝青混合料耐久性評(píng)價(jià)的指標(biāo)。