排水性沥青路面的横向空隙分布特性

马 翔, 王炯月, 袁则瑜, 李 强

(南京林业大学 土木工程学院, 江苏 南京 210037)

排水路面以其良好的表面功能特性,已经在全世界范围内得到推广应用[1].但是,在应用过程中,排水路面一直存在耐久性较差的问题,尤其是以渗水性为代表的功能特性衰退最为显著[2-3].排水路面的渗透性能衰退主要是由于空隙堵塞和交通荷载压密所致[4-6],且在横断面上不同位置表现出不同规律,掌握该规律有利于进一步研究排水路面空隙衰变机理.对于大空隙的排水性沥青混合料而言,其空隙特征一直是研究的热点,当前关于排水性沥青混合料空隙特征的研究基本采用了CT技术与图像处理技术.文献[7]运用X-ray CT技术和数字图像处理技术获取了不同级配OGFC-13马歇尔试件的内部空隙分布图像,采用分形理论研究了多孔沥青混合料的空隙特征,分析了空隙分维特征与多孔混合料路用性能之间的关系.文献[8]采用工业CT对排水沥青混合料的马歇尔试件进行扫描,利用数字图像技术获取排水沥青混合料内部结构组成,基于一定的算法,对图像进行分析,研究排水沥青混合料的连通空隙率.文献[9]采用结合X-CT技术、数字图像处理技术与分形理论的方法,对多孔沥青混合料的空隙竖向分布特性进行了研究.文献[10]基于X-ray CT技术、数字图像处理技术及重构技术,分析了多孔沥青混合料细观空隙特征,研究了空隙率、粗细级配和公称最大粒径等因素对多孔沥青混合料细观特征的影响规律.这些研究成果为掌握排水性沥青混合料细观空隙特征提供了重要的依据,但均基于室内成型试件,未考虑使用过程中的堵塞问题.

为此,笔者以江苏宁杭高速公路二期工程铺筑的20 km排水路面工程为研究对象,采用数字图像处理方法,对路面同一横断面不同位置的芯样界面上的空隙组成进行分析评价,研究排水路面横向空隙堵塞情况,以期为延缓排水路面堵塞提供研究和应用基础.

1 试验方案

在降雨过程中,雨水沿着排水路面横坡排出时,会清洗空隙中的灰尘,与此同时,上坡处的灰尘会部分滞留于下坡处,导致下坡处的空隙堵塞现象较上坡处严重.此外,大空隙的排水性沥青混凝土在车轮荷载作用下会出现压密现象,尤其是在高温季节和重载车道,这种现象尤为显著.因此,无论是使用过程中的堵塞还是压密,都会造成排水层沥青混凝土有效空隙变小,从而降低排水路面的渗水效果.

江苏宁杭高速公路二期工程铺筑了20 km排水路面,该路段于2008年9月建成通车,日交通量近2万辆,货车比例达40%,其通车里程长，时间早，交通量大，是我国排水路面实体工程的典型代表之一.为了保证排水路面的耐久性,该项目使用SBS改性沥青+8%TPS复合改性组成的高黏沥青作为排水路面胶结料,通车使用至今依旧保持着较好的排水功能.本研究对该公路宁杭方向K2053+000处排水路面不同横断面位置的芯样采用数字图像处理技术,对切割后的断面进行分析,研究排水路面在使用过程中空隙变化的分布规律,具体取芯方案如图1所示.下文中芯样位置分别用大写字母A-E加以区别:A为路缘带，B,C和D依次为第1-3车道，E为路肩.

图1 取芯横断面方案

与此同时,为了掌握横向位置和排水性沥青混凝土不同深度处的空隙堵塞情况,在路表以下1 cm处的浅处和路表以下3 cm的深处截面,分别切割轮迹带和非轮迹带处芯样进行对比分析,左轮迹带处的芯样用Y表示,非轮迹带处的芯样用N表示,浅表截面用1表示,深处截面用2表示,如B-Y-2即为第1车道轮迹带处芯样深截面.具体编号的意义见表1.

表1 截面编号的意义

试验过程中,首先将芯样在一定的厚度处切割,在切割过程中尽量防止空隙堵塞物被水冲走,待芯样晾干以后,在自然光充足的条件下,用数码相机近距拍摄每块圆片的底截面,以获得未冲洗时清晰的截面图像.然后,在流水的冲洗下,用毛刷将芯样表面的空隙堵塞物清洗干净之后,在与之前相同的光线条件下,再次拍摄每块圆片的底截面,获得清洗后的截面图像.

图2为截面B-Y-2清洗前与清洗后的图像.由图2b可见:将空隙堵塞物清洗之后,出现了许多新的空隙,并且这些空隙都深入到混合料内部,其颜色也较深,从图上能够较容易地识别出来.

图2 截面B-Y-2清洗前与清洗后的图像

2 空隙识别

根据空隙储水和通水的能力,可将排水沥青混合料的空隙分为如下3类:有效空隙为可储水和通水的空隙;半有效空隙为无法通水但可储水的空隙;无效空隙为既无法通水也无法储水的空隙.按照上述定义,对已获取的所有截面图像上的空隙进行人工识别,识别的规则如下:低于截面的凹陷即为空隙,其中,深入到混合料内部的空洞为能通水的有效空隙,其余的为不能通水的半有效空隙和无效空隙,为了提高识别的精度,识别过程中将图像与实物进行对照.空隙识别的过程利用Photoshop软件来完成,有效空隙用纯绿色来填充,半有效空隙和无效空隙用纯红色来填充,并导出图像.空隙识别的效果如图3所示.有研究表明:排水沥青混合料的渗透系数与有效空隙率之间的相关性要优于其与空隙率的相关性.由此可推测,堵塞物主要集中在有效空隙中,有效空隙率的下降引起了排水沥青混合料渗透系数的降低,经过清洗,堵塞的空隙恢复为有效空隙.因此,从同一截面清洗前后的两张图像上识别出的有效空隙面积之差即为堵塞空隙的面积.

图3 空隙识别的效果

3 数字图像处理

Matlab软件具有强大的图像处理功能,能够读取RGB图像,并将其分解为红、绿和蓝等3个通道,利用其IPT图像处理工具包中的函数可以识别出每个通道中的图形,计算和统计相应的几何信息.将所有完成空隙识别的截面图像用Matlab软件统计出清洗前的有效空隙面积ve1、清洗后的有效空隙面积ve2、空隙总面积v和截面面积c.其中,空隙总面积为有效空隙面积、半有效空隙面积和无效空隙面积之和,并视清洗前后空隙总面积不变.Matlab统计数据见表2.

表2 Matlab统计的各面积数据 像素

利用表2数据分别计算每一个截面对应的空隙率、清洗后的有效空隙率和空隙堵塞比,这3个指标的计算公式如下所示:

(1)

(2)

(3)

式中:V为空隙率;Ve2为清洗后的有效空隙率;L为空隙堵塞比.

从严格意义上讲,本研究中定义的空隙率指标实际上为二维的面空隙率,但也是反映排水沥青混合料空隙率大小的一种方式.清洗后的有效空隙率相当于未堵塞时的有效空隙率,能够反映排水沥青混合料应有的排水能力.空隙堵塞比为堵塞空隙的面积占空隙总面积的比例,能够反映空隙堵塞的严重程度.

4 数据整理与分析

基于表2各面积数据,依据式(1)-(3)可以分别计算出各个评价指标的值.非轮迹带和轮迹带的空隙率、空隙堵塞比、有效空隙率的对比如图4-9所示.从图4-9的对比得出如下结论:

1) 施工过程中边缘难压实,路缘带空隙率偏大,其他非轮迹带空隙率接近目标空隙率的20%,说明本研究中采用数字图像处理方法来分析排水性沥青混合料空隙分布特征具有一定的可靠性,空隙率略小可能是识别误差所致,识别误差是在可接受的范围.

2) 轮迹带空隙率明显小于非轮迹带,而且外侧重车车道明显较内侧小汽车车道更小,说明排水性沥青混合料在使用过程存在二次压密,导致空隙率变小.

3) 无论是非轮迹带还是轮迹带,越往外侧,空隙堵塞越严重,而且深截面堵塞较浅截面严重,这与水流方向相关,对于外侧排水的排水路面在排水过程中,雨水中的悬浮颗粒会沉淀在空隙率中,越往外,水流量越大,沉淀物越多.

4) 内侧车道轮迹带全截面的堵塞情况较非轮迹带好,外侧车道区别不明显,说明内侧车道快速行驶的小汽车对排水路面有自清理作用.

5) 采用数字图像处理计算得到的有效空隙率明显较排水性沥青混合料室内试验测得的连通空隙率小,这主要由于受二维计算方法的局限性,仅将深入到混合料内部空隙当作有效空隙,并不能完全统计出有效空隙,虽然如此,还是能简单看出轮迹带的有效空隙率略小于非轮迹带.

图4 非轮迹带空隙率

图5 轮迹带空隙率

图6 非轮迹带空隙堵塞比

图7 轮迹带空隙堵塞比

图8 非轮迹带有效空隙率

图9 轮迹带有效空隙率

综上所述,排水性路面在使用过程中排水功能的衰退主要是由于空隙堵塞,越往外侧,堵塞现象越严重,深截面堵塞略严重于浅截面;与此同时,轮迹带也会因压密而造成空隙率变小,重车道尤为明显.基于此,为缓解排水路面空隙堵塞病害,笔者提出如下建议:

1) 设置双层排水面层.上层用空隙率较小的级配提供更好的结构耐久性,下层用空隙率较大的级配应对更严重的堵塞问题.

2) 及时清理空隙中的堵塞物.外侧车道更容易堵塞,清理频率应高于内侧车道.

5 结 论

排水性沥青路面在使用过程中空隙堵塞是其功能耐久性涉及的主要问题,笔者借助数字图像处理技术，对排水路面的同一横断面不同点位排水性沥青混凝土的芯样空隙分布特性进行研究,主要得到如下结论:

1) 利用图像处理技术能够较好地分析排水路面横向空隙分布特性.

2) 降雨过程中悬浮颗粒的沉淀是排水路面空隙堵塞的主因,深截面堵塞较浅截面严重,沿着水流方向,越往外,空隙堵塞越严重.

3) 内侧车道轮迹带浅界面的空隙堵塞比小于非轮迹带,快速行驶的车辆对排水路面有自清理作用.

4) 车辆荷载的作用导致排水路面在使用过程中出现了二次压密,轮迹带和重车道空隙率相对较小.

5) 采用设置双层排水面层、设计内侧低外侧高的横坡方案可以缓解排水路面的空隙堵塞病害.