透水沥青混合料透水特性及路用性能研究*

徐 洪 跃

(河南高速公路发展有限责任公司，河南 郑州 450000)

0 引 言

近年来由于城市用水量的增加，导致地下水位下降，在城市及周边甚至出现了漏斗状水位线，城市地下水位严重不平衡。我国沥青路面主要以密级配沥青混凝土作为面层，施工监控过程以空隙率不大于7%控制，施工验收阶段以空隙率不大于8%控制[1]，防止路表水向下层渗透；而其他场所如停车场、广场、球场、公园等硬化面层同样均不能保证路表水良好下渗。城市表面建筑也尤如一层隔离层，导致渗入地下的水量显著降低。夏季暴雨突袭，路面水不能及时下渗存储、排除，导致道路积水严重，甚至引起洪涝。雨水本是干净的水源，大部分雨水却和城市污水混同，不仅造成了水源的浪费，反而加大了污水处理量。

透水性沥青混凝土(PAC)采用骨架-空隙结构，空隙率在15%～25%左右[2-3]。透水路面结构能够使路表水直接下渗，补充地下水源，同时还具有排水、降噪和抗滑性能等诸多优点[4]。透水路面结构一般采用PAC-10+PAC-13+ATPB-30+级配碎石透水层[5]。透水性沥青混合料最大的特点在于其空隙率大，也正是由于空隙率较大的原因使得透水性沥青混合料的使用场所、配合比设计、空隙率检测方法和透水系数检测方法与常用沥青混合料存在差异。笔者对透水路面混合料的空隙率检测方法、透水系数检测方法进行分析，以确定适用于透水沥青混合料空隙率的试验方法。且实践证明同种空隙率条件下，不同最大公称粒径(NMAS)的混合料(甚至相同最大公称粒径)的抗渗性能有很大差异，NMAS大的在空隙率6%时可能已经渗水严重，而NMAS小的(NMAS=10或NMAS=5)可能在8%～10%也不渗水[6]。针对工程常用2种不同公称粒径的透水性沥青混合料PAC-10和PAC-13，在其级配范围内各选取粗、中、细3条级配曲线进行配合比设计，对比探讨这2种混合料的空隙分布特性及空隙分布对渗透性能的影响；并对不同级配的透水沥青混合料路用性能进行研究，为排水沥青混合料的设计提供参考。

1 空隙率及透水系数检测方法研究

1.1 空隙率检测方法

与基质沥青混合料相比，由于改性沥青黏度大，改性沥青混合料不易分散，我国现行JTG E 20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》规定采用计算法确定改性沥青混合料的最大理论密度。

透水性沥青混合料需满足抗车撤、抗开裂、耐久及渗透性的要求，基于此将空隙率作为设计指标；且在沥青混合料配合比设计中，空隙率是最重要的设计指标[6]，它是影响透水性沥青混合料渗透性能的关键因素[7-8]。为保证透水性沥青混合料的渗透性能，需采取适宜的空隙率测试方法。JTG E 20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中给出了4种沥青混合料密度测试方法，分别是T 0706—2011(水中法)，适用于测定吸水率不大于0.5%的密实沥青混合料试件的表观相对密度，此时沥青混合料几乎不含有连通空隙，并推荐可以采用表观相对密度替代毛体积相对密度；T 0705—2011(表干法)，适用于测定吸水率不大于2.0%的各种沥青混合料试件的毛体积相对密度；T 0707—2011(蜡封法)，适用于测定吸水率大于2.0%的密实沥青混合料试件的表观相对密度，沥青混凝土和沥青碎石混合料的毛体积相对密度；T 0708—2011(体积法)，适用于测定空隙率较大的沥青碎石混合料和大空隙透水性开级配沥青混合料(OGFC)的毛体积相对密度。4种方法都有其适用的沥青混合料类型，如前所述，PAC沥青混合料的设计空隙率范围为15%～25%，适用于T 0708—2011(体积法)，采用试件的空中质量与试件的体积比作为沥青混合料的密度，但是在测试过程中误差较大，不同检测人员量测的试件体积存在较大差异[2]。基于此，笔者提出采用真空密封法对试件的毛体积密度进行测试，试验方法依据T 0707—2011(蜡封法)条文说明中真空密封法(CoreLok)，试件毛体积相对密度依据式(1)计算：

(1)

式中：γf为试件毛体积相对密度，无量纲；A为干燥试件的质量，g；B为密封试件的质量，g；C为密封试件的水中质量，g；E为密封袋取走后，试件的空中质量，g；F为密封袋相对密度。

1.2 透水系数检测方法

采用透水系数指标评价排水沥青混合料的透水性能，间接反映透水沥青混合料的空隙特征。透水系数的测量方法包括变水头测量试验和常水头试验[9]，其中变水头试验主要是用于测量渗透性较差的混合料(渗透系数一般不大于0.001 cm/s)，由于其流量较小，测量误差较大。而透水沥青混合料显然渗透性能较好，渗透系数一般在0.35 cm/s以上，故采用常水头试验。试验方法依据日本《铺筑试验法便览》的试验方法进行，试验试件为马歇尔试件，每种配合比条件下透水混合料平行试验3次，取3次试验的平均值作为检测结果，依据式(2)计算透水沥青混合料的透水系数：

(2)

式中：Crw为试件的渗透系数；Q为渗透经过试件的水量，cm3；t1和t2分别为测试的开始时间与结束时间；A为试件的横截面面积，cm2；h为水头的高度，cm。

2 原材料及配合比设计

2.1 原材料

沥青采用掺加12%高黏度添加剂(TPS)的SK-70高黏度沥青，SK-70基质沥青及TPS高黏度改性沥青技术指标检测结果分别见表1和表2。

表1 SK-70沥青技术指标检测结果Table 1 Technical information of SK-70

表2 TPS高黏度改性沥青技术指标检测结果Table 2 Technical information of TPS modified asphalt with high viscosity

集料为酸碱度偏中性的玄武岩，集料技术指标的检测过程依据PAC-13-2合成级配掺配后，按2.36 mm为关键筛孔分为粗、细集料进行检测，集料的技术指标检测结果见表3。填料采用石灰岩磨细的矿粉，无潮湿结团现象。

表3 集料的技术指标检测结果Table 3 Technical parameters of aggregate

2.2 配合比设计

依据贝雷法，沥青混合料集料的关键筛孔应为最大公称粒径的0.22倍，PAC-10和PAC-13的第1关键筛孔均为2.36 mm[10]。且研究表明2.36 mm筛孔对透水沥青混合料空隙率的影响最为显著[11]。因此在PAC-10和PAC-13矿料级配范围内各选取3条级配曲线，选取标准为：3条级配曲线0.6 mm筛孔以下和4.75 mm以上筛孔通过率相等，其他筛孔的通过率由级配3到级配1梯级增大。PAC-10和PAC-13矿料合成级配见表4。

表4 PAC-10和PAC-13混合料的矿料合成级配Table 4 Aggregate composite grading of PAC-10 and PAC-13

PAC-10油石比在4.5%～6.5%范围以0.5%为间隔拟定为5个油石比水平，PAC-13油石比在4.0%～6.0%范围以0.5%为间隔拟定为5个油石比水平。采用马歇尔方法成型试件，击实次数为双面击实50次，进行析漏和飞散损失试验，每组3次平行试验，取平均值。由析漏和飞散损失试验确定的油石比最大值和最小值有可能出现最大值小于最小值的情况，此情况下需重新进行试验，以保证最大值大于最小值。最小值和最大值之间的油石比范围在理论上均符合设计要求[1]，笔者统一采用最小值和最大值平均值作为最佳油石比。PAC-10和PAC-13混合料飞散试验和析漏试验结果见表5。

表5 不同级配透水沥青混合料的最佳油石比试验结果Table 5 Optimum oil stone ratio of different permeable asphalt mixtures %

图1以PAC-13-2级配为例，绘制飞散损失、析漏损失与油石比的关系，进而确定最佳油石比。由图1知，满足析漏和飞散损失试验要求的适宜沥青用量范围为4.87%～5.05%，取平均值后为5.0%，即PAC-13-2级配的最佳油石比为5.0%。不同级配透水沥青混合料的最佳油石比见表6。

图1 PAC-13-2飞散损失、析漏损失与油石比Fig. 1 Scattering loss and leakage loss of PAC-13-2 versus oil stone ratio

表6 不同级配透水沥青混合料的最佳油石比试验结果Table 6 Results of Optimum oil stone ratio of different permeable asphalt mixtures %

3 透水性能及路用性能研究

3.1 透水性能

3.1.1 空隙率分布特性

沥青混合料的空隙率包括开口空隙、半开口空隙和闭口空隙，开口空隙为有两端与外界连通的空隙，半开口空隙为仅有一端与外界连通的空隙，而闭口空隙则与外界无连通。显然闭口空隙为沥青混合料内部的密闭空间，不承担透水功能，称之为无效空隙；而开口空隙和半开口空隙则会影响透水沥青混合料的渗透性能，称之为有效空隙。有效空隙百分率的计算依据式(3)～式(5)计算：

(3)

V=V总-V0

(4)

(5)

式中：P有效为试件连通空隙百分率，%；V有效为试件的有效空隙的体积，cm3；V总为试件的总体积，cm3；V0为集料、沥青和内部密闭空隙的体积之和，cm3；ma和mw分别为试件的空中重和水中重，g；ρw为水的密度，g/cm3。

不同级配透水沥青混合料的空隙率试验结果见表7和图2。

表7 透水沥青混合料空隙分布特性试验结果Table 7 Results of void distribution characteristics of permeable asphalt mixtures %

图2 透水沥青混合料空隙分布特性柱形图Fig. 2 Bar chart of void distribution characteristics of permeable asphalt mixtures

由表7和图2知，随着0.6～4.75 mm筛孔通过率降低，PAC-10和PAC-13沥青混合料的空隙率分布特性表现出相同的变化规律，随着0.6～4.75 mm集料含量的降低，空隙率、有效空隙率和有效空隙率百分比均增大。相比而言，PAC-13-1空隙率较PAC-10-1大6.6%，PAC-13-2空隙率和PAC-10-2基本相等，而PAC-13-3的空隙率反而小于PAC-10-3，表明0.6～4.75 mm集料含量对PAC-10的空隙率的影响较PAC-13更为显著；3种级配的PAC-13混合料的有效空隙率百分比均显著大于PAC-10，表明不同最大公称粒径(NMAS)透水沥青混合料的空隙率分布状态不同，随着NMAS的增大以及粗集料增多，沥青混合料中有效空隙率百分比增大。原因是由于PAC-13具有更大的NMAS，残余空隙率虽然相差不大，但集料粒度特性的不同导致沥青混合料内部的空隙分布状态不同，使得沥青的有效沥青饱和度(VFA)和填充状态出现差异。

3.1.2 透水系数

在透水沥青混合料中“无效空隙”不承担透水功能，“有效空隙”才是影响其透水性能的直接因素。因此，既然有效空隙率是影响透水沥青混合料透水性能的直接因素，仍然采用空隙率作为优化和评定透水沥青混合料的透水性能的指标显然存在疑问。故有必要对空隙率和有效孔隙率与透水系数的相关性进行分析。采用常水头试验测试透水系数，试验温度为25 ℃，试件采用马歇尔试件，测试结果如表8。排水沥青路面设计与施工技术细则规定透水系数需满足大于等于0.20 cm/s的要求。由表7可知，对不同级配类型(PAC-13和PAC-10)的粗、中、细3个级配配制的沥青混合料的空隙率进行比较，PAC-13和PAC-10的空隙率相差不大，相对偏差均在10%以内。而表8中，PAC-13和PAC-10混合料的透水系数均能满足大于等于0.20 cm/s的要求。对粗、中或细级配，PAC-13的透水系数均远大于PAC-10，其中PAC-13-1透水系数较PAC-10-1大20.2%。综合表7和表8，同种透水沥青混合料中随着空隙率或有效空隙的增大，透水系数随之增大，表明同种透水沥青混合料的透水性能同空隙率或有效空隙存在正相关关系；而PAC-13-3的空隙率小于PAC-10-3，透水系数反而大于PAC-10-3，表明不同透水沥青混合料间的透水性能不能单纯依据空隙率来反映，空隙率大并不意味着透水性能好。而相比空隙率指标，有效空隙率指标看似同透水沥青混合料的透水性能存在正相关关系，故采用指数模型(如式6)对PAC-10和PAC-13的透水性能与空隙率(有效空隙率)的关系进行回归分析，回归结果见图3。

Crw=αeβV

(6)

式中：α和β为回归系数；V为空隙率或有效空隙率，%。

表8 不同级配透水沥青混合料透水系数试验结果Table 8 Results of permeation coefficients of permeable asphalt mixtures cm/s

图3 透水沥青混合料透水系数与空隙率(有效空隙率)Fig. 3 Permeation coefficients of permeable asphalt mixtures versus void ratio (effective void ratio)

由图3知，透水沥青混合料透水系数与有效空隙率存在良好的指数关系(R2=0.990 4)，而透水系数与空隙率却不存在高度相关关系(R2=0.552 0)。表明采用有效空隙率能够较好的反映同种或不同种透水沥青混合料的透水性能，故有效空隙率作为透水沥青混合料的透水性能的评价指标更为合理。

3.2 路用性能研究

虽然透水沥青混合料的基本功能是满足透水性能的要求，但是作为沥青路面材料，同时需满足路用性能的要求。因此，对比研究了不同级配的PAC-10和PAC-13混合料的路用性能，包括高温性能、低温性能和水稳定性的路用性能。其中PAC-10和PAC-13混合料的低温性能采用沥青混合料弯曲试验测试，试验步骤依据JTG E20-2011 T0715-2011的方法，试验温度为-10 ℃，加载速率为50 mm/min。试验结果见表9。

表9 透水沥青混合料路用性能试验结果Table 9 Pavement performance results of permeable asphalt mixtures

采用车辙试验的动稳定度来评定透水沥青混合料的高温性能，由表9可知，不同透水沥青混合料的动稳定度均满足大于6 000次/mm的要求，且随着粗集料增多，同种透水沥青混合料的动稳定度增大。相比而言，3种PAC-13混合料的动稳定度大都大于PAC-10，PAC-10-2与PAC-13-2的空隙率基本相等，而PAC-13-2的动稳定度较PAC-10-2大19.2%。表明，PAC-13混合料的抗车辙性能一般较PAC-10好，这与公称粒径较大的沥青混合料具有较好的高温性能的工程经验一致。

破坏应变大、劲度模量小，则沥青混合料的低温性能好；反之，低温性能差。由表9可知，不同级配PAC-10混合料的劲度模量均小于PAC-13混合料，表明PAC-10混合料低温性能优于PAC-13混合料。随着粗集料增多，同种透水沥青混合料的劲度模量增大，低温性能降低。

采用浸水马歇尔残留稳定度(RMS)和冻融劈裂残留强度比(TSR)评价透水沥青混合料的水稳定性，PAC-10混合料的RMS值和TSR值大都大于PAC-13混合料，表明PAC-10透水沥青混合料的水稳定性优于PAC-13混合料。

4 结 论

1) PAC-13混合料的有效空隙率百分比均显著大于PAC-10，原因可能是PAC-13具有更大的NMAS，导致沥青混合料内部的空隙分布状态不同，使得沥青的有效沥青饱和度(VFA)和填充状态出现差异。

2) 透水沥青混合料透水系数与有效空隙率存在良好的指数关系，与空隙率相关关系较小，采用有效空隙率指标可反映同种或不同种透水沥青混合料的透水性能。

3) 随着粗集料增多，同种透水沥青混合料的高温性能增强，水稳定性和低温性能降低；相比而言，PAC-10透水沥青混合料较PAC-13具有更好的水稳定性和低温性能，而高温性能相对较差。

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