高連通空隙特征的排水瀝青混合料技術研究

黃 豐，劉沛榮，王燦升，鄒 杰，農智雄

(1.廣西六賓高速公路建設發展有限公司，廣西 南寧 530400；2.中路交建(北京)工程材料技術有限公司，北京 100176)

0 引言

排水瀝青混合料屬于開級配，具有排水、降噪、抗滑的功能。在下雨天，雨水可通過路面內部連通空隙在橫坡的作用下排至路側排水溝中，從而減少傳統瀝青路面雨天積水產生雨水徑流的問題，有效提高路面雨天行駛安全性[1-2]。在瀝青混合料中空隙分開口空隙和閉口空隙兩種，只有開口空隙中的連通空隙才是降低行車噪音，排出路面積水的關鍵因素[3]。鄭幀等[4]研究了細集料級配對骨架瀝青混合料空隙率的影響，得出0.15～0.3 mm粒徑的集料填充對空隙率影響最大。肖晶晶等[5]以PAC-13為研究對象，研究了關鍵篩孔與空隙率之間的關系，最后得出結論：空隙率與2.36 mm篩孔通過率呈正比關系。李翔等[6]以排水瀝青混合料為研究對象，研究了不同瀝青種類以及集料的最大公稱粒徑對連通空隙的影響，得出在一定范圍內瀝青黏度越低，集料公稱粒徑越大連通空隙越高。康興祥等[7]為通過對空隙進行細觀研究，提出空隙等效直徑、有效空隙率、空隙彎度等空隙指標，為之后研究空隙奠定基礎。

綜上已有的研究成果僅是針對空隙率的研究，對于連通空隙率研究較少，且有關連通空隙率與排水、抗滑、降噪的研究幾乎沒有，為更好控制連通空隙率，優化排水瀝青路面配合比設計，以發揮排水瀝青路面功能服務能力，本研究以PAC-10為研究對象，研究連通空隙率大小受什么因素影響，以及其與路面功能之間的相關性。

1 原材料

1.1 瀝青結合料

排水瀝青混合料使用的是高黏改性瀝青，是在SBS改性瀝青中添加8%HVA高黏改性劑制得[8]，其技術指標如表1所示。

表1 高黏改性瀝青技術指標檢測結果Tab.1 Test result of technical indicators of high viscosity modified asphalt

1.2 集料

試驗中粗集料選擇玄武巖。粗細集料指標見表2，表3所示。

表2 細集料技術指標檢測結果Tab.2 Test result of fine aggregate technical indicators

表3 粗集料技術指標檢測結果Tab.3 Test result of coarse aggregate technical indicators

1.2 礦粉

采用石灰巖礦粉，技術指標檢測結果如表4所示。

表4 礦粉技術指標檢測結果Tab.4 Test result of mineral powder technical indicators

2 試驗

2.1 試驗方案

本次試驗對象為PAC-10，混合料最大公稱粒徑為9.5 mm，重點研究9.5，4.75，2.36，0.075 mm，這4個關鍵篩孔通過率與連通空隙率之間的關系，因研究因素較多選用正交試驗方法[9]。每個因素考慮4個水平，選擇L16(45)正交表試驗方案如表5所示。試件最佳油石比通過析漏飛散試驗確定，成型后分別測得每個試件的滲水系數，空隙率及連通空隙率分別用體積法和真空塑封法測得。

表5 所有的試驗級配Tab.5 Test gradations

2.2 連通空隙測量方法

2.2.1 體積法

步驟：用卡尺測量馬歇爾試件直徑及高度。毛體積VDim計算公式如下：

(1)

式中，D為試件平均直徑；H為試件平均高度；VDim為試件的體積法測得的毛體積。

2.2.2 真空塑封法

步驟：(1)將試件裝入密封袋抽真空密封；(2)稱取密封試件質量記為A；(3)將密封試件放入溫度(25±1) ℃的水箱中稱取水中重量記為B；(4)從水中將密封試件取出，剪開密封袋拿出試件，稱取密封袋干燥質量記為C。毛體積VVac計算公式如下：

(2)

式中，A為密封試件干燥質量；B為密封試件水中質量；C為密封袋的干燥質量；F為密封袋的密度。

2.3 連通空隙率的測算

測量連通空隙率有兩種方法，體積法計算見式(3)，真空密封法計算見式(4)[10-14]。

(3)

(4)

式中，V′為連通空隙率；VC為集料與封閉空隙的體積。

3 試驗結果分析

3.1 空隙率及連通空隙率與滲水系數相關性

用第2節中兩種試驗方法測得每個級配的空隙率、連通空隙率以及滲水系數，數據如表6所示。

表6 所有的試驗級配體積指標Tab.6 Test gradation volume indicators

根據上述試驗結果，使用spss軟件建立4種空隙率與滲水系數線性擬合模型，試驗結果如表7～表9所示[15]。

表7 4種空隙率與滲水系數的線性擬合優度匯總Tab.7 Summary of linear fit goodnesses between 4 void ratios and water seepage coefficient

表8 模型的ANOVA檢驗結果Tab.8 ANOVA test result of model

表9 模型回歸系數檢驗結果Tab.9 Test result of model regression coefficients

從表7中可以看出連通空隙率相較于空隙率與滲水系數相關系數R的平方更大，線性擬合程度更高，可知連通空隙率更能夠反映排水瀝青混合料的排水能力，其中體積法測得的連通空隙率與滲水系數擬合得到相關系數最大，R2=0.991，最能反映排水能力。

ANOVA檢驗是檢驗一個因素對另一個特征值影響程度，從而判斷不同樣本之間是否存在顯著性差異，均方就是樣本方差，統計量F是組間方差對組內方差的比值，在線性模型中，我們利用它進行模型級別的顯著性檢驗。P值是衡量控制組與試驗組差異大小的指標，其值越接近0回歸模型越具有統計學意義，由表可知，4種測量方法P值均為零，有統計學意義。體積法連通空隙率計算得到的統計量F為1 568.55，數值最大，統計量越高說明兩者回歸效果越顯著，可得體積法連通空隙率與滲水系數回歸效果最顯著。

T值的大小反映回歸系數的優劣，T值越大回歸系數的統計學意義就越大。體積法連通空隙率標準化系數為0.995，T值為39.605，均為最高。

4種空隙率與滲水系數線性模型：

體積法空隙率模型：

K=-2 296.884+348.872VVDim，R2=0.694。

真空塑封法空隙率模型：

K=-3 161.570+348.872VVVac，R2=0.719。

體積法連通空隙率模型：

K=-118.617+349.655VVDimeff，R2=0.991。

真空塑封法連通空隙率模型：

K=-154.970+351.831VVVaceff，R2=0.886。

將試驗結果代入線性模型中，體積法連通空隙率模型相對誤差最小，最具有實際效用。從試驗結果中可以看出，真空塑封法測得的空隙率相較于體積法要小一些，且隨著空隙的增加，差值變大，經分析認為，由于排水瀝青混合料試件空隙大，表面會有凹陷，邊角處會有部分損失，進而導致真空塑封法測得的毛體積偏小，故所得空隙率偏小。

3.2 空隙率與連通空隙率之間的關系

選用體積法測得的空隙率與連通空隙率的數據繪制點線圖，并對數據進行回歸，結果如圖1所示。

圖1 空隙率與連通空隙率關系Fig.1 Relationship between void ratio and connected void ratio

由圖可以看出空隙率與連通空隙率在空隙率大于20%時，線性相關性良好，但當空隙率小于20%時，開始偏離擬合直線，分析原因認為空隙較小時，細集料易堵塞開口空隙，從而將空隙變為閉口空隙，導致連通空隙率的降低。

3.3 關鍵篩孔對連通空隙率的影響

以體積法測得的連通空隙率為應變量，以4.75，2.36，1.18，0.075 mm篩孔孔徑為自變量，線性回歸連通空隙率與各關鍵篩孔通過率，篩選變量選用前進法，當自變量達到3時終止，得到的回歸方程如式(7)所示[16-18]。變量篩選回歸過程如表10所示。

表10 前進法篩選變量逐步回歸過程Tab.10 Stepwise regression process for screened variables by forward method

y=25.23-0.35P2.36(R2=0.485 27)，

(5)

y=30.78-0.35P2.36-0.002P4.75(R2=0.741 13)，

(6)

y=26.75-0.35P2.36-0.2P4.75+0.04P9.5(R2=0.753 05)。

(7)

從式中可以看出，2.36 mm篩孔通過率系數最大為0.35，其次是4.75 mm篩孔通過率系數為0.2，最后是9.5 mm篩孔通過率的系數為0.04。從式(7)中可知，確定了2.36 mm以及4.75 mm篩孔通過率，連通空隙率的大小就可以大概估算出來。從系數正負可知降低2.36 mm以及4.75 mm篩孔通過率，增加9.5 mm篩孔通過率可提高排水瀝青混合料PAC-10的連通空隙率。

為此在對排水瀝青混合料PAC-10進行設計時，首先考慮2.36 mm及4.75 mm篩孔通過率，依據目標連通空隙率在確定這兩者之后調整其余篩孔通過率并通過性能驗證。

3.4 連通空隙率對抗滑降噪的影響

排水瀝青混合料不僅具有排出路表積水的作用，同時還兼具提高抗滑，降低噪音的能力，這主要源于其內部大空隙結構。但空隙的大小對其抗滑降噪能力呈現何種關系，還未明確。為此本節體積法測得的連通空隙率為控制因素，研究連通空隙率與抗滑降噪的相關性。

成型車轍試件，以擺式儀測得的擺值表征抗滑能力，以IMP-PI-SCT吸聲系數測試儀在頻率為800 Hz條件下測得的吸聲系數表征降噪能力。依據表6的試驗結果，優選連通空隙率從小到大差值在2%左右的5個級配成型車轍試件進行試驗，試驗結果見表11。

表11 連通空隙率與抗滑降噪關系Tab.11 Relationship between connected void ratio and anti-slip denoising

由表11可知，擺值及吸聲系數都隨著連通空隙率的增大而逐漸增大，說明抗滑及降噪效果隨著連通空隙的增大而增大。分析原因認為連通空隙的增大，成型的車轍試件表面的構造深度將變大，從而汽車輪胎與路面的摩擦系數增大，路面抗滑能力得到提高；排水瀝青路面的降噪主要是其內部空隙吸收輪胎噪音的結果，內部空隙的增多自然會增加其降噪效果。

由圖2可知，擺值與吸聲系數并不是與連通空隙率呈現線性關系，其增長速度隨著連通空隙率的增加而逐漸下降，當連通空隙率超過18%之后增長速度下降明顯，這表明并不是連通空隙越大越好。由目前工程經驗知當連通空隙率超過18%，路面力學性能將顯著下降，故建議將連通空隙率控制在18%左右。

圖2 連通空隙率與抗滑降噪關系Fig.2 Relationship between connected void ratio and anti-slip denoising

4 結論

(1)通過回歸分析，連通空隙率相較于空隙率與滲水系數相關性更大，其中體積法測得連通空隙率與滲水系數線性關系最好，最能反映路面的排水能力。

(2)空隙率與連通空隙率在空隙率大于20%時，線性關系良好，但當空隙率小于20%時，所得的值與擬合曲線開始出現偏移，線性關系變差。

(3)4.75 mm通過率以及2.36 mm的通過率是影響排水瀝青混合料PAC-10最重要的兩個因素。

(4)隨著連通空隙率的增大，抗滑降噪效果也相應增大，但不是呈現完全的線性關系，當連通空隙率超過18%時，抗滑降噪能力增長速度將降低。