排水沥青混合料堵塞模拟试验与渗水性能研究

2019-07-23刘丽，姚刚，张娟

筑路机械与施工机械化 2019年6期

刘丽，姚刚，张娟

（1.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055；2.陕西省岩土与地下空间工程重点试验室，陕西西安 710055；3.西安公路研究院，陕西西安 710065）

0 引言

排水性沥青路面是将大空隙沥青混合料用于路面上面层，具有优良的排水性能，能够有效减少雨天路表水膜的形成以及水溅、水雾、夜间眩光等现象的产生，提高行车安全性［1－5］。但在运营期，排水路面的排水功能逐步衰减，主要原因是路面空隙被粉尘颗粒堵塞，导致路面连通空隙率下降［6－10］。

黄慧光［11］通过室内性能试验，研究了空隙率对排水沥青混合料力学性能及透水性能的影响。田黎民等［12］根据排水要求、疲劳寿命、空隙率随时间衰减的规律，提出排水性沥青路面排水层最佳空隙率为22%，连通空隙率不小于14%。陈俊等［13］通过自行研发的渗水仪，结合CT扫描和图像处理方法，研究了多孔沥青混合料渗水性能的方向差异特性及其受连通空隙结构的影响。肖鑫等［14］采用CT扫描技术对排水沥青混合料连通空隙特征进行了相关研究。周韡等［15］通过粉尘堵塞模拟试验，研究了多孔沥青路面渗水性能的衰变规律。Yong等［16］通过室内模拟多孔沥青混合料空隙结构的堵塞过程，得出堵塞主要发生在混合料表面，含颗粒流体在灌入之前若加入干燥过程，堵塞时间将大大增加。王宏畅等［17］通过自制常水头渗透测试装置研究了大空隙沥青路面的排水堵塞行为。

综上可知，目前对于排水沥青混合料的渗水性能、空隙结构及堵塞等方面有了一定研究，但对排水沥青混合料在运营期受堵塞过程中连通空隙率与渗水系数变化规律的研究较少。本文于室内成型具有不同初始连通空隙率的车辙板模拟空隙堵塞，分析堵塞期间连通空隙率与渗水系数的变化规律，以期通过渗水系数的检测确定运营期路面连通空隙率的变化情况，为排水性沥青路面的推广与应用提供参考。

1 原材料

1.1 排水沥青混合料

排水性沥青混合料集料采用闪长片麻岩集料和石灰岩矿粉；沥青采用壳牌90＃基质沥青，并用TAFPACK-Super（简称 TPS）改性剂对其进行改性，TPS掺量为12%（沥青与TPS的质量比为88∶12）。混合料级配采用OGFC-13，其合成级配和油石比如表1所示。

表1 排水性沥青混合料OGFC-13配合比

1.2 堵塞物

本文选用环氧树脂作为排水性沥青混合料的堵塞物，通过稀释后的环氧树脂在试件内部固化来达到堵塞效果。堵塞物的配制材料主要有环氧树脂、稀释剂、固化剂和促进剂，为了使堵塞物在沥青混合料空隙中具有很好的流动性，经过多次试验，确定环氧树脂、稀释剂、固化剂、促进剂的掺配比例为2∶0.5∶1∶0.1。

2 试验方法

2.1 连通空隙率的测定

大空隙沥青混合料连通空隙率的测定主要采用水中重法，但该方法主要适用于直径10cm左右的圆柱体试件，对于大体积、大质量的车辙板试件是否适用还不能确定［18－20］。从连通空隙率计算公式来看，影响连通空隙率大小的因素主要是试件的体积、干重及水中质量，而车辙板试件与圆柱体试件相比，只是体积、干重及水中质量等指标相对增大了，其他因素均没有变化。现从理论与试验两方面论证水中重法对车辙板试件的可行性。

假定2个相同的圆柱体试件，每个试件的体积为V，干重为ma，水中质量为mw，水的密度为ρw，则每个试件的连通空隙率

若2个圆柱体试件同时测量，则总体积V′＝2V，总干重m′a＝2ma，总水中质量m′w＝2mw。

故总连通空隙率

这与假定结果吻合，故按照理论分析，水中重法应同样适合于测量大体积、大质量试件的连通空隙率。

为从试验角度论证水中重法对大体积、大质量试件连通空隙率测定的适用性，本研究成型了2块车辙板，先采用水中重法测量每整块车辙板的连通空隙率ne，然后按体积大小将整块车辙板平均切割成4块，待风干至恒重后，采用水中重法测量每小块车辙板的连通空隙率nek，测试结果如表2所示。

表2 切割前后车辙板连通空隙率测定结果

若切割均匀，切割后每小块车辙板的连通空隙率

式中：k＝1、2、3、4，代表切割后的4块试件，且V1＝V2＝V3＝V4＝V／4。

则4块小车辙板连通空隙率之和为

根据式（4）的推导过程，均匀切割后的4块小车辙板连通空隙率均值应等于整块车辙板连通空隙率。观察表2的试验结果，发现所测得的整块车辙板连通空隙率与4块小车辙板连通空隙率的均值虽然不是完全符合，但相差不大。造成这种现象的原因是：一方面，实际切割中很难控制好按体积大小平均切割；另一方面是由于试验过程难免存在误差。所以从试验数据来看，水中重法同样适合测量大体积、大质量车辙板试件的连通空隙率。

2.2 试验步骤

为了尽可能准确地模拟排水沥青混合料的内部堵塞过程，并获得堵塞过程中连通空隙率与渗水系数之间的相关关系，设计试验步骤如下。

（1）成型目标空隙率分别为19%、21%和23%的3块车辙板试件，用体积法实测试件的空隙率，用水中重法实测试件的连通空隙率。

（2）用渗水仪测定试件的渗水系数。为防止密〗封材料残留在车辙板表面对后续试验造成影响，选用橡皮泥作为密封材料，少部分留在试件表面的橡皮泥用毛刷刷净。另外，当密封处周围有水渗出时，应判断水是因试件内部饱水从横向连通空隙渗出，还是从密封处渗出，并根据情况确定是否需要重测。

（3）将车辙板试件放置室外通风处，自然风干至质量不再变化为止，确保后续试验不受车辙板内部水分的影响。

（4）按比例配制环氧树脂堵塞物。每次在车辙板表面均匀涂刷60g堵塞物，为确保堵塞物在车辙板表面分布均匀，可将车辙板分4幅涂刷，每幅涂15g。涂刷结束后立即称取车辙板试件质量m1。

（5）静置车辙板2h以上，待稀释后的环氧树脂在车辙板内部完全固化以后，再次称取质量m2，则车辙板的干重增量为60－（m1－m2）。

（6）测定试件的水中质量及渗水系数。

（7）重复步骤（2）～（5），直到车辙板的连通空隙率不发生明显变化为止。

3 试验结果与分析

对3种不同目标空隙率的车辙板试件进行模拟堵塞试验，并测得每次堵塞后试件的连通空隙率与渗水系数，试验结果如表3所示，连通空隙率与渗水系数之间的变化规律如图1所示。

表3 连通空隙率与渗水系数测试结果

从图1可以看出，在模拟堵塞过程中，随着连通空隙率的降低，渗水系数急剧下降，且堵塞后期比堵塞前期渗水系数下降更为明显。这说明，随着堵塞物的增加，试件的连通空隙率逐渐下降，堵塞越来越严重，渗水系数下降越来越明显，排水能力减弱。

同时，从图1可以看出，在堵塞前期，连通空隙率与渗水系数之间存在较好的相关性。将堵塞前期各试件连通空隙率与渗水系数进行线性拟合，发现二者之间具有很好的线性关系，且相关系数可达0.97以上，拟合曲线如图2所示。在堵塞后期，连通空隙率与渗水系数之间没有线性关系，且渗水系数衰减速度较连通空隙率下降速度更快、更明显。究其原因，可能是因为：在堵塞前期，稀释后具有一定流动性的环氧树脂慢慢沿着混合料的连通空隙进入了混合料内部，固化后将内部空隙堵塞，该堵塞模式引起的渗透性衰减较弱，水的入渗性较好，因而随着堵塞物的增加，连通空隙率与渗水系数的下降速度较缓慢，且呈现出一定的线性关系；而在堵塞后期，随着堵塞物的进一步增多，堵塞物在混合料内部的竖向连通通道不断被堵，内部连通空隙尺寸变小，堵塞物在流动过程中受到的阻力越来越大，导致后来的堵塞物无法进入混合料内部空隙，逐渐向上累积，最终在试件表面形成饼状堵塞。该堵塞模式下水的入渗量较少，透水性能较差，但混合料内部的横向连通空隙却有较多剩余，只是表面一层连通空隙率下降较多，因此导致总体连通空隙率下降不大、渗水系数却下降较快的现象，这也就是渗水系数衰减速度较连通空隙率下降速度更快、更明显的原因。

图1 堵塞全过程连通空隙率与渗水系数的关系

图2 堵塞前期连通空隙率与渗水系数之间的线性关系

对依托工程西安咸阳机场专用高速公路进行现场取芯，共钻取芯样6个，三、四车道和应急车道各2个，测定芯样排水面层混合料的连通空隙率，并在取芯之前采用渗水仪对取芯点处的路面渗水系数进行测定，试验结果见表4、图3。

从图3实际路面渗水系数与连通空隙率检测结果可以看出，当连通空隙率下降至12%左右后，渗

表4 路面渗水系数与连通空隙率测试结果

图3 实际工程路面渗水系数与连通空隙率测试结果

式中：Cw0为堵塞前试件的初始渗水系数（mL·（15s）－1）；C′w为每次堵塞后试件的渗水系数（mL·（15s）－1）；γm为渗水系数残留率（%）。

采用渗水系数残留率的衰减速度来评价堵塞过程中混合料的抗堵塞能力。涂刷相同质量的堵塞物，渗水系数残留率的下降值越大，表明堵塞物对混合料的透水性能影响越大，即混合料的抗堵塞能力越差；反之，渗水系数残留率下降值越小，混合料的抗堵塞能力越好。

本试验所获得的3种不同目标空隙率的排水沥青混合料渗水系数残留率与堵塞物质量的相关关系如图4所示。

从图4可以看出，每次涂刷60g堵塞物后，试件1渗水系数残留率下降值依次为11%、15%、21%，试件2渗水系数残留率下降值依次为7%、11%、16%、22%，试件3渗水系数残留率下降值依次为9%、10%、14%、18%。由此可见，随着堵塞物质量的增加，排水沥青混合料渗水系数残留率的衰水系数的衰减速度较连通空隙率的衰减速度明显更快，与图1室内获得的渗水系数与连通空隙率变化规律基本类似。

将每次堵塞后试件的渗水系数与堵塞前初始渗水系数的比值定义为渗水系数残留率，用以表示排水沥青混合料渗水系数的衰减程度，即减速度越来越快，越来越容易形成堵塞，抗堵塞能力越来越差。