透水性沥青混合料目标空隙率研究

2021-07-09陶志鹏刘福明黄志刚

南昌工程学院学报 2021年3期

陶志鹏，刘福明，吴迪，黄志刚，张振

(1.南昌工程学院土木与建筑工程学院，江西南昌 330099；2.天全县交通运输局，四川雅安 625500； 3.江西省交通工程集团有限公司，江西南昌 330000)

透水性沥青路面的主要性能就是透水性能，在下雨天，雨水能够及时地通过路面上的空隙排走，保证路面上不存在积水，提高行车舒适度，保证交通安全。透水性沥青混合料的透水性能受到其连通空隙率的影响较大。目前的试验方法很难准确的测出连通空隙率，所以实际工程中大都采用透水性沥青路面混合料的空隙率作为透水性能的控制指标。因此研究空隙率与透水性能的关系，对进一步研究透水性沥青混合料的目标空隙率具有重要的意义。

国内外的许多学者对透水性沥青混合料的空隙率与透水性能进行了研究。Lindly[1]通过采用不同的方法测定材料的渗透系数，分析发现变水头法比较适合测量渗透系数小于0.001cm/s的材料，常用水头法与之相反。Kandhal[2]等发现沥青混合料的渗透性、空隙率、集料级配之间具有函数关系。Horkari[3]等使用声音吸收频谱对排水性沥青混合料路面的空隙内部进行了研究，而且使用该参数预测了其渗透能力。Christense[4]等研究发现沥青混合料的渗透性随集料细度、沥青含量的增大而减小。Molenaar[5]等研究发现双层多孔沥青混凝土的连接层间的渗水性能随空隙率的增大而增大。张璠[6]等对测定渗透系数的试验方法进行了计算。徐皓[7]等发现空隙率保持不变的混合料的渗透系数与集料粒径有关。陆学军[8]参照Garman-Kozeny方程式的结构形式构建出了空隙率与渗透系数的数学模型。蒋玮[9]研究分析了透水性沥青混合料的空隙率与其透水能力之间的关联性。

综上，大多数学者并没有进一步对透水性沥青混合料的目标空隙率进行探讨。为了补充这方面的研究资料，本文将对透水性沥青混合料目标空隙率的计算问题进行探讨。

1 透水性沥青路面混合料的空隙率与连通空隙率的关系研究

本文中的透水性沥青混合料的原材料组成如表1所示，其中SBS改性沥青、HVA高粘改性剂、集料、矿粉等原材料取自江西省广吉高速的透水性沥青路面CP2标段，集料、矿粉的密度试验结果、筛分试验结果[10]分别如表2～3所示。

表1 透水性沥青路面混合料原材料组成

表2 密度试验结果

表3 筛分试验通过率 %

对我国已投入使用的透水性沥青路面公路进行调查，调查结果如表4～5所示[11]。参照表4～5中的数据，对透水性沥青混合料进行配合比设计后得到透水性沥青混合料的配合比如表6所示。采用表1中的原材料、表6中的级配，选择不同的油石比制备6组不同空隙率的透水性沥青混合料试件，每组4个试件。对各组试件进行真空塑封密度法[12]试验，得到它们的空隙率如表7所示。

表4 透水性沥青路面公路调查表

表5 透水性沥青路面公路的混合料级配统计表 %

表6 透水性沥青混合料配合比

表7 透水性沥青混合料试件的空隙率

透水性沥青混合料的空隙由连通空隙、半连通空隙以及闭合空隙组成，连通空隙指与外界连通的空隙；闭合空隙指自身呈闭合状态的空隙；半连通空隙指一端连通，一端闭合的空隙。只有连通空隙具有透水作用，因此需要对以上6组透水性沥青混合料试件进行试验，计算出它们的连通空隙率。但目前还没有适当的试验方法可以准确地求解出连通空隙率。考虑到虽然半连通空隙率不具有透水作用，但其具有一定的储水能力，在气温、风以及车辆气流的作用下，半连通空隙中的水可以较快的散发掉，因此在某种程度上，半连通空隙就相当于一种透水速率较慢的连通空隙，而且半连通空隙在空隙中的占比较小，因此把半连通空隙也看作为连通空隙。

测定连通空隙的试验方法如下：

保持试件的干燥，然后称量其质量，记作k；将干燥的试件装入密封袋中，在真空密度测试仪中抽真空，取出装有试件的密封袋，并用浸水天平称量其质量，记作m；

将装有试件的密封袋放入25℃±1℃的水中，称水中质量，记作n；

擦干密封袋表面的水，取出试件，称其质量，记作r，比较r和k，若质量变化在-0.08%至+0.04%之间，则试验合格；反之，需要重新进行试验。

将取出的试件放入水中，称量其水中质量，记作s。

连通空隙率计算公式的推导过程如下所示：

VV0=100×(V0-V3)/V0，

(1)

式中V0表示混合料、连通空隙、闭合空隙的总体积，V0=V1-V2；V1表示混合料、连通空隙、闭合空隙、密封袋的总体积，V1=(m-n)/ρw；V2表示密封袋的体积，V2=(m-r)/ρd；V3表示混合料与闭合空隙的体积，V3=(r-s)/ρw。

将以上各式代入式(1)，可以得到透水性沥青混合料试件的连通空隙率的计算公式，如式(2)所示：

(2)

经化简可得式(3)：

(3)

式中VV0为连通空隙率(%)；m为真空状态下装有试件的密封袋的质量(g)；n为装有试件的密封袋的水中质量(g)；r为试件的空中质量(g)；s为试件的水中质量(g)；ρw为水在25℃时的密度(g/cm3)；ρd为密封袋的密度(g/cm3)，由厂家给定。

采用上述试验方法对干燥后的6组试件进行连通空隙率的测定，结果如表8所示。

对表8中的数据进行线性回归，发现空隙率与连通空隙率呈线性关系，见下式：

表8 透水性沥青混合料试件的连通空隙率

y=0.8069x-0.5138，

(4)

式中x为空隙率(%)；y为空隙率(%)。

式(4)相关系数的平方为R2=0.9931，能够比较准确的表示出透水性沥青混合料的空隙率与连通空隙率之间的线性关系。由于连通空隙率难以准确测量，而空隙率的测量比较简单、准确，且它们之间呈线性正相关，因此可以采用空隙率作为反应透水性沥青混合料的透水性能的指标。

2 透水性沥青路面混合料的空隙率与透水性能的关系研究

在2.0%的坡度条件下，对干燥后的6组试件进行透水试验[12]。透水系数的计算见式(5)，试验结果如表9所示。

(5)

式中Crw为透水系数(cm/s)；Q为透过试件的水量(mL)；t1为初始时间(s)；t2结束时间(s)；为试件的高度(cm)；A为试件的横截面积(cm2)；h为水头高度(cm)。

对表9中的数据进行线性回归，发现2.0%坡度的透水性沥青混合料试件的空隙率与透水系数呈指数关系，如式(6)：

表9 在2%坡度条件下的不同空隙率试件的透水系数

y=0.0145×e0.139x，

(6)

式中y为2.0%坡度下的透水系数(cm/s)；x为空隙率(%)。

3 透水性沥青混合料的目标空隙率的设计

当透水性沥青路面的透水性能可以保证降雨时能够及时的将路面上的雨水排走，保证路面上不存在积水时，此时透水系数所对应的空隙率就是目标空隙率。

如图1所示，假设某地铺筑一条透水性沥青路面试验路段，路面横坡为2.0%，试验路段的长度为a(m)，路面宽度为b(m)，透水层厚度为c(cm)，降雨强度为q0(mm/min)，降雨时透水性沥青路面的雨水流量为Q(cm3/s)，运用定积分的方法，得到Q的表达式如下：

图1 透水面层示意图

(7)

式中Q为路面的雨水流量(cm3/s)；a为试验路段长度(m)；b为透水性沥青路面宽度(m)；q0为降雨强度(mm/min)；ψ为径流系数。

透水性沥青路面的路表面的雨水从路表面的空隙渗透进透水面层后，会从两侧排出，因此可以得到雨水排出时的流速v的求解如式(8)：

(8)

式中v为雨水从道路侧面排出时的流速(cm/s)；c为透水层的厚度(cm)。

将式(7)代入式(8)可得：

(9)

当地区的降雨强度的取值为暴雨强度值时，雨水排出时的流速v取得最大值vmax。

vmax=bqψ/12c，

(10)

式中q为暴雨强度(mm/min)。

若要保证下雨时，路面上的雨水能够被及时排走，则透水性沥青路面的透水系数Crw必须不小于雨水排出时的流速的最大值vmax，根据式(6)和式(10)，可以求解得到横坡为2%的透水性沥青路面目标空隙率的计算公式，如式(11)所示：

(11)

式中VVm为目标空隙率(%)；b为透水性沥青路面宽度(m)；c为透水层厚度(cm)；q为暴雨强度(mm/min)；ψ为径流系数。

4 透水性沥青混合料的目标空隙率的计算公式的验证

选择江西省广吉高速在吉安市内的透水性沥青路面路段为实体工程，对推导出的目标空隙率计算公式进行验证。

江西省吉安市的暴雨强度计算公式[13]如式(12)所示：

(12)

式中q为暴雨强度，单位为(L·s-1·hm-2)；p为设计重现期，单位为a；t为汇流时间，单位为min。

由于高速公路的路面较宽，因此汇流时间取30min，设计重现期取3 a，根据式(12)计算得到江西省吉安市高速公路的设计暴雨强度为1.24mm/min。

根据GB50014—2006《室外排水设计规范》[14]，径流系数取值为0.85；设计暴雨强度q为1.24mm/min；位于吉安市内的广吉高速透水性沥青路面路段的横坡为2.0%，左幅、右幅路面的宽度分别为11m，透水沥青面层厚度为4cm。将以上数据代入式(11)，可以计算得出广吉高速位于吉安市内的透水性沥青路面的目标空隙率为20.2%。

广吉高速位于吉安市内的透水性沥青路面路段的空隙率为20.4%，采用本文的目标空隙率计算公式得出的目标空隙率与其十分接近，且目前广吉高速路用性能良好，透水性能满足降雨时的排水要求。因此本文推导出的横坡为2.0%条件下的透水性沥青路面混合料的目标空隙率计算公式是比较可靠的。