多孔沥青混合料排水性能研究与空隙率确定

张建红,张少恒,董富坤,禹昊文

(西藏天路股份有限公司,拉萨 850010)

强降雨时,传统沥青道路的表面会形成水膜,车辆行驶时极易发生水漂或水滑,严重影响驾乘人员的安全[1]。多孔沥青路面对提高行驶安全性具有重要作用,多孔沥青混合料的目标空隙率通常为18%～25%,在降雨时或路面有积水的情况下,路表水可通过多孔沥青混合料的连通空隙渗入路面内部,再沿着道路横坡流至排水渠,或者继续下渗至路基内部,以保证道路表面的防滑性[2-6]。然而,降雨条件下多孔沥青道路中的排水渗流过程较为复杂,目前对多孔沥青混合料的排水规律与排水性能方面的研究多通过横向、纵向渗透试验,以渗透系数来表示[7-8],而实际应用过程中水流路径复杂多变,不能仅从单一维度进行评价。不同空隙率的多孔沥青混合料具有不同的排水性能,不同降雨强度对多孔沥青路面空隙率的要求目前尚未明确[9-10]。本文通过模拟降雨试验,研究多孔沥青路面的极限排水强度及其与目标空隙率和连通空隙率之间的关系;通过测量排水表层的最大瞬时降雨强度,更全面地了解多孔沥青混合料的性能。

1 试件制备

1.1 空隙率确定

多孔沥青混合料是一种多孔介质,其空隙结构如图1 所示,可分为连通空隙、半连通空隙和闭口空隙[11]。空隙结构会影响沥青混合料的渗透和排水能力,空隙率的数值与制备沥青混合料所使用的级配、颗粒形状和压实度有关。

图1 多孔沥青混合料空隙结构

当路面的入水速率大于出水速率时,水将聚积在路面内部,形成滞留水。滞留水会影响路面强度、缩短路面的使用寿命[2,12],因此应避免路面内部出现滞留水。根据试验过程中试件的表面出现滞留水时所对应的模拟降雨的强度,可以计算此多孔沥青混合料试件的极限排水强度。

试验共制备了8 个多孔沥青混合料试件,尺寸为30 cm×30 cm×5 cm,空隙率分别为18%、19%、20%、21%、22%、23%、24%、25%,研究不同空隙率下多孔沥青混合料的排水速率。

1.2 原材料

根据《公路沥青路面施工技术规范》 (JTG F40—2004)(后文简称“规范”),制备出具有多孔结构的沥青混合料。根据规范,所使用的粗集料应具备洁净、干燥、表面粗糙等特性,以确保一定的硬度和耐磨性。粗集料选用反击式破碎机轧制的玄武岩,符合规范要求。采用SBS 改性沥青,用量为5%。根据规范,SBS 改性沥青部分技术指标如表1 所示。

表1 SBS 改性沥青部分技术指标

1.3 配合比设计

粗集料的配合比在制备多孔沥青混合料的过程中至关重要。为满足排水沥青混合料技术要求,粒径在2.36～4.75 mm 的集料含量不应超过6%,粒径在9.5～16 mm 的集料与粒径在4.75～9.5 mm 的集料含量之比应大于0.74 且不超过1.25[13]。试验制备的8 种多孔沥青混合料级配应在设计规范的基础上同时根据上述限制要求进行设计,级配筛分如图2 所示。

图2 级配筛分

2 排水试验

2.1 前期准备

当多孔沥青混合料的排水强度处于临界状态时,多孔沥青混合料内部的连通空隙和半连通空隙被水分完全填充,最大潜水面厚度与混合料排水层厚度相等。同时,试件表面的渗透系数完全饱和,外部的进水速率与多孔沥青混合料的排水速率相同。如果此时外部水流速度增大,试件表面会出现径流,形成水膜。

试验中设定降雨强度从0 开始稳定增大,定义多孔沥青混合料所能承受的最大瞬时降雨强度为试件即将出现水膜的某一时刻的降雨强度,定义降雨强度与试件上表面积的乘积为极限排水强度[14-15],计算公式为

式中,Rmax为试件发生径流时的降雨强度,cm·min-1;D为试件的极限排水强度,mL·min-1;S为试件的上表面积,cm2。

当模拟降雨强度小于路面的极限排水强度时,外部进水能由多孔沥青混合料充分排出;当模拟降雨强度大于路面的极限排水强度时,外界水分只有一部分能由混合料排出,其余水分将从试件表面沿着坡度方向排出,形成表面径流。

为真实模拟路面排水状态,需将试件底面和3 个侧面密封,使水仅从一侧流出。通过调整试件高度H与排水长度L的比值确定试件斜坡坡度i,本次试验将i设置为2%、3%和4%。试验过程中,逐渐增大模拟降雨强度,当试件出现表面径流时,停止试验并记录此时的模拟降雨强度。试验示意如图3 所示。

图3 试验示意

2.2 不同目标空隙率和坡度条件下混合料的排水性能

多孔沥青混合料的排水性能受多方面因素影响,如空隙率、横坡度大小、排水长度、试件厚度等。控制其他变量不变,试验得到不同目标空隙率和坡度条件下混合料的极限排水强度如表2 所示。

表2 不同目标空隙率和坡度条件下混合料的极限排水强度

由表2 可知,随着目标空隙率增大,多孔沥青试件的极限排水强度和可承受的最大降雨强度也相应增大。当目标空隙率为18%、坡度设置为2%时,极限排水强度为219.00 mL·min-1;坡度不变,目标空隙率增大至25% 时,极限排水强度为855.00 mL·min-1。目标空隙率增加了7%,排水能力提高近3 倍。随着坡度增大,试件的排水能力也提高。当目标空隙率为18%、坡度由2%增至4%时,极限排水强度增加了129 mL·min-1,排水能力提高58%。由此可见,多孔沥青混合料的排水能力主要受目标空隙率的影响,斜坡坡度大小对混合料排水能力的影响较小。目标空隙率与极限排水强度的关系如图4 所示。

图4 目标空隙率与极限排水强度的关系

经计算,坡度为2%时线性拟合函数为y=92.07x-1 329.78,相关系数R2=0.98,可以认为空隙率与极限排水强度呈线性相关关系。

2.3 连通空隙率与混合料排水性能的关系

在多孔沥青混合料排水的过程中,水分仅通过其连通空隙排出,因此有必要在研究不同目标空隙率的混合料排水性能的基础上探究连通空隙率与混合料排水性能的关系。

测定连通空隙率的试验方法如下[16-17]:将干燥的试件放入干燥密封袋中,随后,使用真空密度测试仪将密封袋抽至真空状态,用天平称量装有试件的密封袋质量,记作m1;将其放入25 ℃的水中,称量其水中质量,记作md;取出试件,称其质量,记作m2;最后将试件放入水中,称量其水中质量,记作mw。

连通空隙率VV＇的计算公式为

式中,ρd为试验所用密封袋的密度。

采用上述试验和计算方法,得到8 组目标空隙率不同的试件的连通空隙率测试结果,如表3所示。

表3 连通空隙率测试结果 (%)

将试件的连通空隙率与极限排水强度进行关联,得到坡度为2%时试件的连通空隙率与极限排水强度之间的线性拟合关系,如图5 所示。

图5 连通空隙率与极限排水强度之间的线性拟合关系

经计算,线性拟合函数为y=131.63x-1 688.07,相关系数R2=0.96,因此可以认为连通空隙率与极限排水强度呈线性相关关系。该结果同时从侧面反映了目标空隙率与连通空隙率也呈线性相关关系。

3 混合料空隙率对路用性能的影响

3.1 高温稳定性

车辙试验常被用来评价沥青混合料的高温稳定性[18]。在温度为60 ℃的条件下,采用碾压车辙板进行混合料的高温车辙试验,检测8 种沥青混合料车辙板的动稳定度。

动稳定度测试结果如图6 所示。动稳定度随着混合料空隙率的增加先增大后减小。产生此现象的原因是,空隙率较低的混合料含有较多的细集料,整体难以形成骨架结构,但当空隙率增大时,骨料之间的嵌挤作用减弱。因此,多孔沥青混合料的高温性能在空隙率为20% 时效果最佳,达到5 327 次·mm-1。当空隙率在20%～23%时,动稳定度大于5 000 次·mm-1,符合《排水沥青路面设计与施工技术规范》(JTG/T 3350-03—2020,后文简称“施工规范”)[19]要求。

图6 动稳定度测试结果

3.2 低温稳定性

为检测多孔沥青混合料的低温稳定性,本试验制备了空隙率在18%～25%的车辙试件,并将其切成小梁试件,进行-10 ℃条件下的低温弯曲试验。混合料的低温稳定性用破坏应变评价,破坏应变测试结果如图7 所示。从图7 可以看出,空隙率越大,多孔沥青混合料的低温稳定性越差,这是因为空隙率越大,混合料中的集料接触面积越小,在低温弯曲时更容易产生应力集中而破裂。因此,试验中混合料的空隙率为18%时,其低温稳定性最佳,破坏应变达到3 203 με。根据施工规范要求,在冬冷区及冬温区,破坏应变应不小于2 500 με,空隙率18%～23%的混合料符合要求;在冬寒区,破坏应变应不小于2 800 με,空隙率18%～21%的混合料符合要求。

图7 破坏应变测试结果

3.3 水稳定性

采用冻融劈裂试验评估多孔沥青混合料的水稳定性。将测试材料分为两组,第一组不经过冻融循环,第二组经过真空保水和-18 ℃低温保温16 h后,立即投入恒温(60 ℃)水浴中保温;最后,以50 mm·min-1的速率进行劈裂试验,确定测试材料的劈裂抗拉强度。空隙率与冻融劈裂强度比的关系如图8 所示。

图8 空隙率与冻融劈裂强度比的关系

由图8 可知,多孔沥青混合料的水稳定性随着空隙率的增大而下降。空隙率在18%～22%的混合料的冻融劈裂强度符合施工规范要求。随着空隙率增大,集料与沥青的接触面积减小,二者之间的黏聚力减小,混合料的冻融劈裂强度变小。

4 根据路用性能确定混合料的空隙率范围

多孔沥青混合料的空隙率既会影响排水强度,又会影响路用性能。根据对不同空隙率混合料的3 种路用性能测试结果,发现随着空隙率增大,混合料的排水性能提高,但路用性能降低。因此,需要在保证路用性能的基础上,确定混合料的空隙率。路用性能符合规范要求的空隙率范围如图9 所示。

图9 路用性能符合规范要求的空隙率范围

由图9 可知,在冬冷区及冬温区,当空隙率为20%～22%时,混合料的路用性能符合施工规范要求;在冬寒区,空隙率应为20%～21%。

5 结论

(1) 斜坡坡度设置为2%,当混合料目标空隙率从18%增加至25%时,排水能力提高了近3 倍。线性拟合结果显示拟合程度较高,可以认为目标空隙率与极限排水强度呈线性相关。当斜坡坡度由2%增至4%时,混合料的排水能力提高58%。

(2) 测试混合料的高温稳定性、低温稳定性和水稳定性。随着空隙率增大,高温稳定性先提高后降低,低温稳定性和水稳定性逐渐降低。

(3) 根据路用性能确定混合料的空隙率。在冬冷区及冬温区,空隙率应为20%～22%;在冬寒区,空隙率应为20%～21%。