大粒徑瀝青混凝土的滲透性能研究

王海濱

(中犇檢測認證有限公司，河南 鄭州 450000)

0 引 言

瀝青混合料作為一種顆粒和膠結物共同作用的路面材料，具有優良的路用性能，這種混合料以一定的空隙率擊實成型。以往對于瀝青混凝土的設計都是以防滲為主，盡量控制空隙率在3%～6%之間，但大量工程實踐發現松散和坑槽是瀝青路面運營過程中常見的病害，主要原因來自水和車輪的影響，在雨天車輪碾壓在路面上會將輪胎前部和中部附著在路面上的雨水以極大的壓力隨著混合料空隙或路面裂縫壓入路面結構內部，當車輪離開時又產生真空吸力將已經壓入的雨水泵吸出來，每經過一次碾壓都要進行一次壓入-泵吸循環，這樣對瀝青路面的穩定性、耐久性產生了很大的影響。

大粒徑透水瀝青混凝土多用于半剛性基層瀝青路面的下面層或柔性基層，粗集料多，設計空隙大，與透水上面層OGFC配合使用可以極大地減緩路表的水膜厚度，但結構的密實程度有所減弱。目前的研究多集中在評價其路用性能方面，特別是高溫穩定性、水穩定性和耐久性以及施工質量控制，本文根據大粒徑透水瀝青混凝土的性能特點針對其滲透性功能及影響因素，通過室內試驗進行研究分析。

1 滲透性試驗方法及控制條件

1.1 混合料配合比設計

大粒徑透水瀝青混凝土作為路面結構層，需要承擔交通荷載和透水兩大功能，根據其常用的層位可知處于剪應力和彎拉應力區，其對抗車轍穩定性和抗疲勞性能要求比較高，因此在進行混合料設計時需要妥善選取空隙率設計范圍，兼顧路用性能和滲透性。從級配設計的角度，大粒徑透水瀝青混凝土是一種半開級配的混合料，相比于同樣具有顯著排水效果但基本沒有細集料，僅靠粗集料形成骨架的大粒徑瀝青穩定碎石混合料ATPB，其仍然具有一定數量的細集料填充。因此，經過嚴格級配設計的大粒徑透水瀝青混凝土可以形成單一粒徑的嵌擠和適當細集料的填充，這樣能明顯提升混合料耐久性和抗壓模量，使其作為下面層或柔性基層時的適應性比傳統的ATPB更強。根據材料和功能的匹配，設計空隙率一般采用半開級配區間13%～18%進行試件的制備。現選用兩種級配類型進行試驗，如表1所示。

表1 試驗用兩種級配組成

根據工程實際情況，選取2.8%、3.2%和3.5%三種瀝青用量分別對級配1和級配2采用大型馬歇爾擊實儀成型和旋轉壓實成型制備三組試件，并進行飛散損失和析漏損失試驗，最后再結合毛體積密度、空隙率、礦料間隙率、瀝青膜厚度等與瀝青用量的關系確定最佳瀝青用量均為3.3%，計算得到壓實后空隙率為14.5%和16.2%。

1.2 滲透性試驗條件及方法

通過滲水性試驗可以評價所制備的大粒徑瀝青混凝土的滲透性能，評價指標為滲透系數，試驗方法根據《JTG E20-2011公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中相關的常水頭滲透性試驗進行。根據所在層位面臨的約束、溫度狀況等條件設定試驗的控制條件，如選用的試驗溫度恒定在20 ℃、40 ℃和60 ℃，考慮重載的影響及沿層厚擴散的效應，選取軸壓為0.8 MPa，同時考慮結構層內部水不能外滲，圍壓設定為從0.3～0.75 MPa之間變化，每級變化為0.05 MPa。試驗時應嚴格按照相應的步驟操作，首先將制備好的試件分組編號，并飽水后涂抹防水材料，然后逐漸施加圍壓并隨時檢查試桶的氣密性一直達到試驗控制條件，最后啟動加載裝置至軸壓的設定值。

2 滲透試驗結果及影響因素

2.1 滲透系數及成型方式的影響

若假定雨水在大孔隙瀝青混凝土內部連通空隙中流動時呈層流狀態，故可采用達西定律反推出滲透系數值，由單位時間內流過結構斷面的水量與過水斷面和水頭差成正比，與滲流路徑成反比，從而確定滲透系數的影響因素。計算時可以水面從100 ml下降至500 ml所需的時間為標準，也可以采用滲流出的水總質量為標準。

由不同的試件成型方式對其壓實后的空隙率有著明顯的影響，即可采用空隙率指標來代表不同成型方式，通過試驗可以清楚的看到對大型馬歇爾擊實成型得到的試件進行滲透試驗，其滲透系數比旋轉擊實成型要小約50%，并且在采用同種擊實方法下，集料更粗的級配1比級配2的滲透系數更大，增加幅度約10%，如圖1所示。由此可見，大的空隙率和更粗的級配曲線會使得混合料滲透性能提升，采用適宜的成型方式可以有效的控制空隙率的大小，但隨之而來的其他路用性能問題，特別是由于未形成足夠的粗集料相互嵌擠特性，抗剪能力基本由細集料之間的摩擦力形成，因此其抗車轍能力往往偏弱。

圖1 壓實方法對滲透系數的影響

2.2 水壓的影響

由變化水壓后的試驗數據可知，滲透系數隨著水壓的增加顯著增長，但當水壓增加到一定程度時，其滲透系數的增長幅度逐漸放緩，并且無論哪種級配類型在同樣的成型條件下均呈現這種規律，混合料級配本身影響較小，如圖2所示。這主要是因為在空隙率一定的情況下，水頭壓力可以促使空隙斷面的水量由不飽和逐漸變得飽和，單位時間內滲透的水量不斷增加，但當空隙全斷面均為過水斷面時，只能通過增加流速來增加滲透功能，此時水壓力對滲透系數的影響程度將減緩。

圖2 水壓對滲透系數的影響

2.3 溫度對滲透性能的影響

試驗采用20 ℃、40 ℃和60 ℃三種溫度進行試驗，結果表明不同的溫度環境下滲透系數出現差異，每增加一個溫度等級，滲透系數提升約5%。這種差別顯然沒有成型方式或水壓力這兩個因素那么明顯。通常溫度越高，滲透系數越大，但增長的曲線是一種逐漸趨于平緩的下彎曲線，這主要是因為水在帶空隙的材料中滲透時，液體和材料接觸面以及水本身都會形成一種粘滯阻力，這種阻力受溫度影響很大，當溫度越高，粘滯阻力越小，滲透性越強。但大粒徑透水瀝青混凝土的滲透性是一種宏觀功能，從整體角度來看，粘滯阻力的影響較小，在工程設計中可以不納入考慮。

3 確保滲透性能的基本措施

根據室內試驗分析可知，在大粒徑瀝青混凝土滲透性能的影響因素中，影響程度從大到小依次為成型方式、級配類型、溫度，其中溫度是由環境決定的，從材料設計的角度應考慮從成型方式和級配類型兩大方面來確保大粒徑瀝青混凝土的空隙率處于合適的范圍，從而維持設計年限中其滲透性能的穩定。具體做法可以在混合料配合比設計過程中適當增加粗細集料的分散程度，保證粗集料粒徑的均勻，控制較大粒徑分布范圍為26.5～52 mm之間，公稱最大粒徑不小于26.5 mm，含量在50%以上，礦質混合料配合比設計的關鍵是形成單粒徑骨架空隙結構。同時增強瀝青膠結料粘附性能和礦粉用量，通常選用SMA瀝青瑪蹄脂或其他高性能改性瀝青與礦粉混合形成足夠厚度的瀝青膠漿，最佳瀝青用量應根據設計空隙率并綜合飛散試驗和析漏試驗加以確定。另一方面，為了保證大粒徑透水瀝青混凝土的壓實性能，成型試件時應采用更適應于粗集料的大型馬歇爾成型試驗或旋轉壓實成型試驗。

4 結 語

面對雨水的影響，近些年公路工作者的設計思路逐漸由封水和表面橫坡排水導向為透水和內部結構排水，大粒徑透水瀝青混凝土采用單粒徑骨架空隙結構，與以往傳統的懸浮密實性密級配瀝青混凝土相比具有更大的空隙率，當空隙率足夠大時就可以讓降落在路表面的雨水快速滲透進入路面內部并通過一系列內部排水構造排出路面范圍，這樣不僅可以減少雨水在車輪高壓下對混合料粘結程度的沖擊，也可以降低路表面的水膜厚度，減少水霧帶，提升行車安全性，實現生態環保。研究為進一步理解大粒徑透水瀝青混凝土的滲透特點以及影響滲透性的因素提供了一定的室內試驗數據和分析依據。