排水瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)及排水特性研究

鄧 斌

（廣東華路交通科技有限公司,廣東 廣州 510420）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)水平的快速發(fā)展，公路工程的建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大，安全事故的數(shù)量也越來越多。相關(guān)事故調(diào)查報(bào)告表明，雨水引起的事故數(shù)量約占總交通事故數(shù)量的25%。傳統(tǒng)的公路工程路面結(jié)構(gòu)一般使用密級(jí)配瀝青混合料，滲水性差，在連續(xù)降雨天氣下，雨水以徑流在方式排向兩側(cè)邊溝，這樣容易在路面和輪胎間產(chǎn)生一層水膜。當(dāng)水膜厚度達(dá)到某一臨界值，路面抗滑能力會(huì)急劇下降，從而使車輛出現(xiàn)側(cè)向滑移，嚴(yán)重的可能會(huì)造成一定的人員傷亡。鑒于此，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者開始研究排水瀝青混合料路面，但是并未形成統(tǒng)一的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)來指導(dǎo)排水瀝青路面的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。同時(shí)，工程技術(shù)人員在開展排水瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)仍盲目套用鄰近項(xiàng)目的通用圖，對(duì)排水瀝青路面微觀特性了解甚少[1]。因此，從細(xì)觀角度進(jìn)一步研究排水瀝青混合料的空隙分布特征和排水特性具有十分重要的工程意義。

1 排水瀝青混合料滲流原理及空隙結(jié)構(gòu)特性

1.1 排水瀝青混合料滲流原理

1.1.1 產(chǎn)流機(jī)制

在連續(xù)降雨進(jìn)程中，雨水在排水瀝青路面的匯集大致包括三個(gè)階段[2]：第一，降雨初期，路面由干燥狀逐漸被雨水浸潤(rùn)；第二，當(dāng)路表含水量超過其最大持水量時(shí)，雨水在自身重力作用下向下逐漸滲透到混合料的空隙中，直至混合料達(dá)到飽和狀態(tài)；第三，當(dāng)路面滲流強(qiáng)度＞降雨強(qiáng)度，雨水全部向面層底部滲透，并沿著橫坡排出外側(cè)。當(dāng)路面滲流強(qiáng)度＜降雨強(qiáng)度，會(huì)有一部分雨水來不及下滲，而在路表形成徑流。地表徑流過大，不僅會(huì)干擾行車安全性和舒適度，還會(huì)侵蝕剝落路面混合料，加速路面破壞，降低路面運(yùn)營(yíng)壽命。

1.1.2 滲流分析

為了確保排水瀝青路面的合理性，必須確保排水瀝青路面滲流強(qiáng)度大于降雨強(qiáng)度。相關(guān)研究表明，路面滲流強(qiáng)度取決于排水瀝青混合料的滲透系數(shù)。因此，可通過建立降雨強(qiáng)度和排水瀝青混合料的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)《公路排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D33—2012），降雨強(qiáng)度q可按式（1）計(jì)算：

式中，qef——有效降雨強(qiáng)度；cp——降雨重現(xiàn)期轉(zhuǎn)換系數(shù)；ct——降雨歷時(shí)轉(zhuǎn)換系數(shù)；q5,10——降雨重現(xiàn)期為5年，降雨歷時(shí)10 min的標(biāo)準(zhǔn)降雨強(qiáng)度；a——降雨損失系數(shù)。

鑒于篇幅有限，不再詳細(xì)推導(dǎo)路面降雨滲透平衡方程，直接參考相關(guān)學(xué)者的研究成果，給出路面無明顯徑流的條件下，極限降雨強(qiáng)度W和排水瀝青混合料滲透系數(shù)間的函數(shù)關(guān)系，見式（2）：

式中，k——排水瀝青混合料滲透系數(shù)（cm/s）；h——排水瀝青路面厚度（m）；l—排水路徑長(zhǎng)度（m）；i——路面綜合坡度（%）。當(dāng)計(jì)算結(jié)果滿足上式，說明排水瀝青路面的設(shè)計(jì)方案合理[3]。

1.2 排水瀝青混合料空隙類型

排水瀝青路面又叫多孔瀝青路面，大空隙率是排水瀝青路面實(shí)現(xiàn)排水降噪功能的關(guān)鍵，而國(guó)內(nèi)規(guī)范對(duì)排水瀝青混合料空隙率的要求比較含糊?！豆放潘O(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D33—2012）規(guī)定排水瀝青混合料的孔隙率宜取18%～25%，但未給出具體計(jì)算方法數(shù)值。要準(zhǔn)確計(jì)算出排水瀝青混合料的排水能力，必須先對(duì)其空隙類型進(jìn)行區(qū)分。

排水瀝青混合料的空隙包括連通空隙、半連通空隙、封閉空隙。不同空隙的具體排水特征為：①連通空隙從排水瀝青混合料內(nèi)部貫穿，雨水可利用孔道排至排水瀝青面層底部，再沿著橫坡從路面結(jié)構(gòu)兩側(cè)排入邊溝等，同時(shí)。連通空隙還具有儲(chǔ)水、降噪功能；②半連通孔隙是從排水瀝青混合料上表面或下表面向內(nèi)延伸，但未貫穿混合料，無排水功能。雨水滲入排水瀝青路面后會(huì)滯留其中，使得路表積水轉(zhuǎn)化為儲(chǔ)存在路面內(nèi)部的積水；③封閉孔隙完全位于排水瀝青混合料內(nèi)部，是瀝青混合料的固有屬性，不具備排水、儲(chǔ)水、降噪功能。綜合可知，連通空隙是影響排水瀝青混合料排水能力的關(guān)鍵。

1.3 空隙結(jié)構(gòu)基本特性

1.3.1 空隙率

排水瀝青混合料的空隙率指空隙體積與總體積的比值。可利用CT掃描成像技術(shù)得到多張圖像，分別計(jì)算不同圖像的空隙面積、圖像面積，再按式（3）計(jì)算出排水瀝青混合料的平均空隙率n：

式中，N——掃描圖像總張數(shù)；Avi——第i張圖像空隙面積；Ati——第i張圖像總面積。

1.3.2 彎曲度

排水瀝青混合料內(nèi)部空隙形狀復(fù)雜，水并不是沿直線流動(dòng)，而是迂回曲折地流動(dòng)。為了衡量這一現(xiàn)象，可引入彎曲度概念。彎曲度T為水的實(shí)際流動(dòng)長(zhǎng)度Le與該水流路徑出、入口直線長(zhǎng)度L0的比值。而實(shí)際中空隙彎曲度測(cè)量十分困難，可利用圖像切片簡(jiǎn)化計(jì)算。

2 基于CT技術(shù)的排水瀝青混合料空隙分布特征

相關(guān)研究表明，排水瀝青混合料空隙特征的微小變化都會(huì)對(duì)其排水能力產(chǎn)生明顯影響。鑒于無損數(shù)字圖像技術(shù)的日益成熟，可利用X-ray CT技術(shù)來研究排水瀝青混合料（以PAC-13為例）的細(xì)觀結(jié)構(gòu)分布特征。

2.1 混合料制備

瀝青：排水瀝青混合料屬于開級(jí)配，粗集料多，細(xì)集料少，不宜采用普通基質(zhì)瀝青，否則會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料黏結(jié)性不足、抗車轍水平差等問題。為了防止排水瀝青混合料在車輛荷載反復(fù)作用下表面骨料飛散，排水瀝青混合料采用改性高黏度瀝青（60 ℃的黏度＞ 20 000 Pa·s）。

集料：為了避免排水瀝青混合料路表石料在運(yùn)營(yíng)期間磨損嚴(yán)重，集料選擇磨光值大、磨耗值小的玄武巖，礦粉采用當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的石灰?guī)r。

隨后通過馬歇爾試驗(yàn)、析漏試驗(yàn)、飛散試驗(yàn)確定最佳瀝青含量為4.2%，級(jí)配組合參考《公路瀝青施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40—2004）。同時(shí)，分析了排水瀝青混合料的路用性能。由試驗(yàn)結(jié)果表明，制備的排水瀝青混合料的高溫性能、抗滑性能、抗裂性能、水穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，可以用于細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究。

2.2 X-ray CT 成像技術(shù)原理

X-ray CT成像技術(shù)是利用X射線從各個(gè)方向穿透瀝青混合料，在X射線穿透材料的過程中能量不斷衰減（被吸收或分散），能量衰減規(guī)律見式（4）：

式中，I0、I——分別為X射線穿越瀝青混合料前后的能量；μ——瀝青混合料衰減系數(shù)，空隙率越小，衰減系數(shù)越大；t——瀝青混合料厚度。

X射線CT掃描設(shè)備由射線源、瞄準(zhǔn)儀、探測(cè)器等組成，其中瞄準(zhǔn)儀能夠控制X射線光束厚度和形狀。在掃描過程中，不斷旋轉(zhuǎn)瀝青混合料試件，可得到試件在三維空間的微觀視圖，如圖1所示。

圖1 排水瀝青混合料成像原理

理論上排水瀝青混合料灰度直方圖應(yīng)包括背景、空隙、膠漿和集料。但由于瀝青與集料、空隙等物質(zhì)交錯(cuò)分布，再加上噪聲等不良因素干擾，使得排水瀝青混合料成像邊界較為模糊，多呈三峰分布，瀝青膠漿與集料分布呈現(xiàn)“兩峰夾一谷”。為了解決這一問題，相關(guān)學(xué)者對(duì)大津算法（OTSU）進(jìn)行改進(jìn)，按照每個(gè)環(huán)區(qū)內(nèi)亮度相近的原則對(duì)CT掃描圖像進(jìn)行處理，具體處理流程為：①原始CT掃描圖像預(yù)處理；②預(yù)處理后圖像劃分為互相50%重疊的環(huán)狀子樣；③利用改進(jìn)的大津算法計(jì)算出各環(huán)狀子樣的灰度閾值；④分割圖像，提取出瀝青混合料中的空隙。

2.3 空隙分布特征

2.3.1 不同類型空隙占比

為了更好地從細(xì)觀層面認(rèn)識(shí)排水瀝青混合料的特征，利用X-ray CT掃描儀成像技術(shù)提出了連通空隙、半連通空隙、封閉空隙的數(shù)量及大?。ㄒ姳?），分析了排水瀝青混合料空隙特性。

表1 PAC-13排水瀝青混合料空隙測(cè)量結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，排水瀝青混合料中封閉空隙個(gè)數(shù)最多、體積最小，連通空隙個(gè)數(shù)最少、體積最大。封閉空隙和連通空隙個(gè)數(shù)分別占總空隙個(gè)數(shù)的68.4%、3.05%，體積分別占總空隙體積的25.4%、42.03%。同時(shí)，連通空隙單位體積遠(yuǎn)大于半連通空隙和封閉空隙。連通空隙單位體積是半連通空隙的12.2倍，是封閉空隙的36.8倍。上述結(jié)果表明：連通孔隙對(duì)排水瀝青路面的排水能力貢獻(xiàn)最大，且單位空隙體積越大，排水通道越寬，排水能力越強(qiáng)。

2.3.2 空隙率和連通空隙率關(guān)系

該文測(cè)定了不同級(jí)配排水瀝青混合料的空隙率和連通空隙率，由試驗(yàn)結(jié)果可知：排水瀝青混合料不同試件的空隙率均大于連通空隙率，且兩者基本呈線性正相關(guān)關(guān)系?？障堵蕿?9.2%、19.8%、20.5%、21.2%時(shí)，對(duì)應(yīng)的連通空隙率分別為13.3%、14.6%、15.2%、16.3%。

3 排水瀝青路面排水特性影響因素

3.1 滲透模型建立

目前室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定的排水瀝青混合料滲透系數(shù)都是單向的，不能真實(shí)反映其排水能力。該文選擇流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent進(jìn)行滲流計(jì)算，該軟件具有豐富的物理模型及強(qiáng)大的前后處理功能，計(jì)算速度快，能有效地模擬各種流體的流動(dòng)特性。

排水瀝青混合料屬于多孔介質(zhì)，其建模關(guān)鍵是明確各種空隙的邊界條件。由于瀝青混合料的空隙形狀復(fù)雜，且分布具有明顯的隨機(jī)性，可簡(jiǎn)化為等高圓柱形毛細(xì)管（沿長(zhǎng)度L方向直徑D不變，見圖2）。同時(shí)，為了更準(zhǔn)確地描述瀝青混合料的水流特性，將圓管壁面設(shè)置為無滑移邊界。

圖2 排水瀝青混合料滲透簡(jiǎn)化模型

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 空隙率對(duì)排水瀝青混合料滲透性能的影響

利用軟件Fluent建立了6個(gè)空隙率不同的排水瀝青混合料圓柱試件（編號(hào)1#～6#）開展?jié)B流分析。試件尺寸與室內(nèi)常水頭試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缦嗤?，即直?0 cm、高度40 cm。不同試件的滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 排水瀝青混合料空隙率與滲透系數(shù)關(guān)系

由計(jì)算結(jié)果可知，排水瀝青混合料的滲透系數(shù)會(huì)隨著其空隙率增加而持續(xù)增加，且兩者之間基本呈線性正相關(guān)趨勢(shì)。同時(shí)，通過函數(shù)繪圖軟件origin2021內(nèi)置的一元一次方程進(jìn)行擬合，相關(guān)系數(shù)R2=0.996 4≈1，擬合精度滿足工程需求，最終得到了排水瀝青混合料空隙率和滲透系數(shù)的關(guān)系滿足：y=0.044 9x?0.068 2。

3.2.2 彎曲度對(duì)排水瀝青混合料流速的影響

利用軟件Fluent建立了彎曲度為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0的毛細(xì)管模型，計(jì)算了不同彎曲度下的排水速度，并利用origin2021內(nèi)置的指數(shù)函數(shù)進(jìn)行擬合，相關(guān)系數(shù)達(dá)到了0.999 4，滿足工程需求，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同彎曲度下瀝青混合料排水速度

由圖3的計(jì)算結(jié)果可知：隨著彎曲度的不斷增加，其排水速度逐漸降低，但是降低速率并不是固定的。即排水路徑的彎曲程度越大，排水瀝青混合料的排水能力越差。彎曲度為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0時(shí)，排水速度分別為 0.085 m/s、0.057 m/s、0.045 m/s、0.039 m/s、0.036 m/s，降低幅度分別為32.9%、21.1%、13.3%、7.7%。當(dāng)彎曲度＜2.0時(shí)，排水瀝青路面的排水速度驟降；當(dāng)彎曲度＞2.5時(shí)，排水瀝青路面的排水速度變化幅度不大。同時(shí)，不同模型的彎曲段流水壓力均有明顯增加，且呈內(nèi)側(cè)壁面壓力小，外側(cè)壁面壓力大。這是因?yàn)榱黧w流動(dòng)過程中在曲線段產(chǎn)生離心力，使得流體擠壓外側(cè)壁面。

4 結(jié)語

該文主要研究了排水瀝青混合料滲流原理、空隙類型及空隙分布特征，并利用軟件Fluent探討了空隙率和彎曲度對(duì)其排水特性的影響，主要得到以下結(jié)論：①排水瀝青路面的滲流強(qiáng)度大于有效降雨強(qiáng)度，才能確保路表無徑流；②空隙率是影響排水混合料的關(guān)鍵因素，空隙類型主要有連通空隙、半連通空隙、封閉空隙；③排水瀝青混合料中封閉空隙個(gè)數(shù)最多、連通空隙個(gè)數(shù)最少，且連通空隙單位體積遠(yuǎn)大于半連通空隙和封閉空隙；④排水瀝青混合料的排水能力會(huì)隨著空隙率增加、彎曲度的降低而降低。