多孔沥青混合料渗水性能的方向差异性及其受孔隙结构的影响

陈 俊 姚 成 周若愚 许 涛 黄晓明

(1 河海大学土木与交通学院， 南京 210098)(2 南京林业大学土木工程学院， 南京 210037)(3 东南大学交通学院， 南京 210096)

多孔沥青路面具有优良的排水、抗滑、降噪、防水溅、防眩光等功能，这些功能在很大程度上取决于多孔沥青混合料(OGFC)内部的孔隙连通性[1-2].目前，研究者们大都基于渗水系数来评价多孔沥青混合料的孔隙连通程度，渗水系数越大则连通孔隙越丰富.

多孔沥青混合料渗水系数的测试分析可分为单向渗水系数测试阶段和渗水各向异性分析阶段2个部分.单向渗水系数测试阶段，大多采用渗水仪对沥青混合料试件进行单方向渗水系数的测试，如对不脱模的马歇尔试件进行常水头下竖向渗水系数测试、对沥青混合料板进行渗水系数测试等[3-5]，并认为混合料的单向渗水系数越大，渗水性能越好，连通孔隙越多.渗水各向异性分析阶段，Masad等[6]在X-ray CT扫描图像的基础上，分析了连通孔隙方向性与渗水系数的方向性，认为多孔沥青混合料水平向与竖向渗水系数的比值为1.65～4.02.Gruber等[7]数值模拟了3个水流方向下同一孔隙结构中的渗水过程，发现渗水系数在3个方向上的差异达到50%.Chen等[8-9]对多孔沥青混合料进行了多方向渗水系数实测，发现多孔沥青混合料渗水系数在各个方向上的差异为50%～200%.研究者分析渗水各向异性时均指出，鉴于渗水的方向差异性，对多孔沥青混合料渗水性能的评价不能仅依赖于传统的单向渗水系数；渗水存在方向差异性的原因是连通孔隙结构在不同方向上的形状和分布特征各不相同.然而，上述研究没有确定与渗水密切相关的水力直径和弯曲程度计算方法，也没有分析混合料连通孔隙的方向特征以及渗水系数方向差异性与连通孔隙结构之间存在的联系.

本文采用新型渗水仪，测试多孔沥青混合料24个方向的渗水系数，并通过重构混合料孔隙结构，获得连通孔隙的方向特征、长度、曲率和水力直径，分析混合料渗水系数方向差异性与孔隙结构方向特征之间的联系.

1 室内测试

1.1 材料制备

按表1中的矿料级配和沥青用量，采用旋转压实方法制备了空隙率分别为17%，19%，21%，23%的OGFC-13和OGFC-10混合料试件，试件共8组.表中前4组为OGFC-13混合料试件，后4组为OGFC-10混合料试件，r为筛孔孔径.沥青为高黏改性沥青，集料为玄武岩，填料为石灰岩矿粉.

1.2 测试方法与装置

将沥青混合料渗水系数在空间多方向的差异性分为水平面内12个方向的渗水系数差异性和竖直平面内12个方向的渗水系数差异性.分别测试这2个平面内24个方向的渗水系数，具体步骤如下.

①在同一级配和沥青用量下，采用旋转压实法制备6个高120 mm、直径150 mm的OGFC圆柱体试件.

②对其中的3个试件，采用钻孔机沿试件的竖向钻取圆柱体芯样(见图1(a))，芯样直径为100 mm，将芯样的2个端部切平，得到高度为100 mm的小圆柱体芯样.

③采用自行研发的恒水头单向渗水仪(见图2)进行试验.水头高度为500 mm时，测试t时段内通过试件的水量V，在小试样圆形端部标记出渗水断面的位置，并按下式计算小圆柱体芯样单向的渗水系数PC：

(1)

④从渗水仪中取出芯样，在刚标记的渗水断面位置处，对试样绕竖轴旋转30°后再次放入渗水仪.

⑤重复步骤③和④共计11次，测得芯样12个方向的渗水系数，评价旋转压实后的大圆柱体试件在水平面内渗水系数的方向差异性.

⑥对于步骤①中成型的另外3个试件径向钻孔取芯(见图1(b))，端部切平后得到直径和高度均为100 mm的小圆柱体芯样，重复步骤③和④共计12次，测得芯样12个方向的渗水系数，评价旋转压实后的大圆柱体试件在竖向平面内渗水系数的方向差异性.

(a)竖向取芯

(b)径向取芯

图2 研发的常水头单向渗水仪

1.3 测试结果

图3为4个空隙率下OGFC-13和OGFC-10试件24个方向的渗水系数分布图.

由图3(a)和(c)可以看出，同一混合料类型、相同空隙率下，在混合料试件的竖向平面内，不同方向上渗水系数差异较大，渗水系数最大值出现在试件的竖直方向上，而最小值则出现在与竖轴夹角为60°或90°方向上.由此说明，大空隙沥青混合料水平或接近水平方向的空隙分布比竖向空隙更丰富.此外，竖向平面内渗水系数的方向分布曲线接近于“∞”形状或椭圆形状，且空隙率越小，“∞”形状越明显，空隙率越大，椭圆形状越明显.同一沥青混合料的竖向平面内，与竖轴夹角为0°和180°的渗水系数并不相同，即相反方向上的渗水系数不同.类似现象也出现在30°与210°，60°与240°，90°与270°，120°与300°，150°与330°这些相反方向上.由此可知，大空隙沥青混合料渗水系数的角度差异性不仅表现在不同角度之间，还表现在同一角度的2个相反方向间.

(a)OGFC-13，竖向平面

(b)OGFC-13，水平平面

(c)OGFC-10，竖向平面

(d)OGFC-10，水平平面

由图3(b)和(d)可以看出，渗水系数在水平平面12个方向上各不相同.这说明渗水系数的方向差异性不仅存在于试件的竖向平面内，还存在于水平平面内.与竖向平面的不同之处在于，水平面内角度与渗水系数之间的关系并不明确.

1.4 空隙率和集料公称最大粒径的影响

对图3中各方向的渗水系数，按下式计算渗水系数方向差异度PA：

(2)

式中，PCmax和PCmin分别为12个方向渗水系数的最大值和最小值.

计算结果见图4.由图可知，对于同一沥青混合料而言，无论是水平平面还是竖直平面，不同空隙率引起的渗水系数方向差异性不同，空隙率越大，渗水系数的方向差异性越小.当空隙率相同时，OGFC-13试件的渗水系数方向差异性小于OGFC-10.由此可见，采用较大公称最大粒径的集料时，混合料渗水系数的方向差异性较小.此外，竖向平面渗水系数方向差异为30%～60%，总体高于水平面渗水系数方向差异(20%～38%).这说明大空隙沥青混合料渗水系数的方向差异性主要表现在竖向平面内，但水平面内的差异性也不能忽略.

(a)水平截面

(b)竖向截面

2 多孔沥青混合料内连通孔隙结构

2.1 CT扫描

工业CT成本较低，在路面材料分析中应用最为广泛，但沿沥青混合料试件厚度方向扫描时功率会逐渐衰减，往往导致图像亮度不均匀(中间暗、周边亮)[10-11].本文采用美国通用电气生产的Discovery CT750 HD型医用CT仪，该CT采用天然宝石为探测器原料，提高了对X射线的响应速度，降低了能量衰减.相比于普通医用CT，其辐射剂量下降了30%～80%，与工业CT相比辐射下降更为明显，从而提高了研究人员的操作安全性.

对表1中4种空隙率下的OGFC-13试件进行钻芯取样.在电压120 kV、电流145 mA的条件下，每隔0.625 mm扫描一个芯样截面.每个试件得到162张竖直截面图像和101张水平截面图像，用于试件内部孔隙结构分析.

2.2 总孔隙重构和连通孔隙提取

CT扫描得到的马歇尔试件截面图见图5(a)，采用图像处理软件Mimics区分孔隙和混合料固体，按文献[12]的方法处理截面灰度图获得阀值，对每个截面上6cm×6cm正方形范围内的孔隙进行三维建模，得到立方体空间内孔隙的三维结构.由图5(b)可见，多孔沥青混合料内部孔隙结构复杂，为网状交错结构，且既有连通孔隙，又有封闭的不连通孔隙.

(a)马歇尔试件截面图

(b)孔隙三维结构

对建立的孔隙三维结构进行连通孔隙和非连通的封闭孔隙区分，提取出连通孔隙(见图6).采用Mimics软件分别读取图6(a)中的总孔隙体积和图6(c)中的连通孔隙体积，并将其与边长6 cm的立方体体积的比值分别作为混合料的总空隙率和连通空隙率.

按照上述方法，提取表1中4个不同空隙率的OGFC-13试件竖向钻取芯样的总空隙率和连通空隙率，结果见图7.由图可知，混合料整体空隙率增大，则连通孔隙含量增大.所有空隙率下的连通空隙率均小于总空隙率，但随空隙率的增加，连通孔隙率与总孔隙率的差距减小.对于空隙率17%的混合料而言，提取出的连通孔隙只在水平x轴方向上连通贯穿，其他2个方向不连通，连通空隙率仅约6%，说明空隙率较小时，混合料内几乎没有连通孔隙.此外，芯样内孔隙重构测得的空隙率远小于旋转压实试件的设计空隙率，这可能是因为旋转压实试件孔隙分布不均匀，相比于试件内侧，外侧的空隙率更大.

(a)总孔隙 (b)封闭孔隙 (c)连通孔隙

图7 OGFC-13试件的不同空隙率对比

2.3 连通孔隙结构指标计算方法

在直角坐标系中，将提取的三维连通孔隙划分为水平x轴方向孔隙、水平y轴方向孔隙和竖直z轴方向孔隙.具体方法如下：①采用图像处理软件获得连通孔隙的中轴线，将网状交错的孔隙轴线分解为若干根无分叉的孔隙轴线段.②首尾连接线段(见图8)，

图8 孔隙走向、曲率和水力直径计算示意图

计算该线段与直角坐标系3个垂直轴的夹角，以夹角最小的坐标轴方向作为该根连通孔隙分解段的走向.

(3)

(4)

式中，R为孔隙轴线某点的曲率半径；S为孔隙的断面面积；f为孔隙的断面周长.

2.4 连通孔隙结构指标分析

表1中OGFC-13试件内部边长6 cm立方体区间的3个方向上连通孔隙长度见图9.图中，Lx，Ly，Lz分别为连通孔隙在水平x轴、水平y轴和竖直z轴方向上的长度；Lxyz为连通孔隙总长度.由图可知，随着空隙率的增大，直角坐标系中3个坐标轴方向上孔隙长度均增大.同一空隙率下，竖直z轴方向上的孔隙长度最小，水平x，y轴方向孔隙较长，当空隙率增大时，竖向孔隙长度与水平孔隙长度的差异减小，说明多孔沥青混合料内部连通孔隙存在明显的方向特征，竖向孔隙最短，且空隙率越大的混合料，孔隙长度的方向差异性越小.此外，在空隙率为17%的混合料中，只有x轴方向上存在贯穿6 cm区间的连通孔隙，其他2个方向没有连通孔隙；而当空隙率增大至19%时，3个方向的连通孔隙出现大幅度增大，说明17%～19%之间的某个空隙率为混合料内产生丰富连通孔隙的最低临界值.

图9 3个走向上的连通孔隙长度和总长度

图9还给出了4种空隙率混合料在3个方向上的连通孔隙长度之和，表示多孔沥青混合料在边长6 cm立方体空间内连通孔隙的总长度.由图可知，随着空隙率的增大，连通孔隙总长度先快速后缓慢增大；空隙率大于19%的混合料中，边长6 cm的立方体空间内，孔隙总长度大于4 m，说明多孔混合料内连通孔隙结构丰富.

图10为3个走向连通孔隙的曲率和所有孔隙曲率均值.图中，Cx，Cy，Cz分别为连通孔隙在水平x轴、水平y轴和竖直z轴方向上的曲率；Cxyz为所有孔隙的曲率均值.OGFC试件内孔隙曲率基本为0.35～0.45 mm-1，孔隙存在明显弯曲.曲率与孔隙走向之间没有明确的关系，不存在某一走向上孔隙曲率较大或较小的情形.但从所有孔隙曲率均值可以看出，随着混合料整体空隙率的增大，孔隙曲率存在一定程度的下降，说明空隙率越大的混合料，孔隙弯曲程度越低.

图11为3个走向连通孔隙的水力直径.图中，Dx，Dy，Dz分别为连通孔隙在水平x轴、水平y轴和竖直z轴方向上的水力直径，Dxyz为同一设计空隙率下3个走向上水力直径最大值与最小值的比值.由图可知，随着混合料空隙率的增大，3个方向上连通孔隙水力直径均增大；同一空隙率下，竖向孔隙的水力直径高于水平孔隙，说明OGFC试件内竖向孔隙尺寸更大.从图中3个方向上孔隙水力直径最大值与最小值的比值来看，竖向孔隙面积比水平向孔隙面积略大，且随着空隙率的增加，竖向孔隙与水平孔隙水力直径差异减小.

图11 3个走向连通孔隙的水力直径

综上可知，在OGFC试件的立方体区域内，曲率与孔隙走向之间没有明确的关系.与水平孔隙相比，尽管竖向孔隙的水力直径均值稍大，但竖向孔隙数量少，长度明显短于水平孔隙.这些是造成多孔沥青混合料竖向渗水性能比水平向渗水性能差的主要原因.

3 结论

1)多孔沥青混合料渗水系数的方向差异性主要表现在竖向平面内，但水平面内的差异性也不能忽略.在同一平面内，渗水系数的角度差异性不仅表现在不同角度之间，还表现在同一角度的相反方向之间.

2)混合料空隙率越大，采用的集料公称最大粒径越大，混合料渗水系数的方向差异性越小.

3)当混合料整体空隙率增大时，内部连通孔隙含量也增大，连通孔隙率与总孔隙率的差距减小.

4)多孔沥青混合料内部竖向连通孔隙短且少.空隙率增大时，连通孔隙总长度快速增大，连通孔隙长度的方向差异减小.

5)相比于水平向连通孔隙，多孔混合料内部竖向孔隙的水力直径略大，但数量少且总长度短，这是影响渗水系数方向差异性的主要原因.