基于常水头渗透试验的PAC排水和抗堵塞能力

王宏畅　葛　辉　周明刚

(1南京林业大学土木工程学院，南京　210037)(2京都大学大学院工学研究科，日本京都　615-8540)



基于常水头渗透试验的PAC排水和抗堵塞能力

王宏畅1，2葛辉1周明刚1

(1南京林业大学土木工程学院，南京210037)
(2京都大学大学院工学研究科，日本京都615-8540)

摘要:为研究多空隙沥青路面的排水堵塞行为特性，通过自制常水头渗透测试装置，模拟多空隙沥青混合料(PAC)的循环堵塞试验，选用具有一定级配的细集料作为堵塞剂，测试其渗透系数．研究空隙率、最大公称粒径、级配类型等变化对PAC的排水及抗堵塞能力的影响规律．结果表明: PAC空隙率越大，其排水能力越强，抗堵塞的能力也越强; PAC的最大粒径变化对其排水能力没有明显的影响，但最大公称粒径较大的PAC试件抗堵塞的效果更好;与细型级配相比，粗型级配PAC的排水及抗堵塞能力更强;多孔沥青混合料PAC-13发生堵塞的位置集中在试件最上部的40 mm内，粒径为0．15～2．36 mm的颗粒则是造成混合料空隙堵塞的关键．

关键词:道路工程;多空隙沥青混合料;空隙率;最大粒径;渗透系数;堵塞试验

引用本文:王宏畅，葛辉，周明刚．基于常水头渗透试验的PAC排水和抗堵塞能力［J］．东南大学学报(自然科学版)，2016，46(1) : 209－214．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．034．

多空隙沥青路面具有抗滑性能高、噪声低、抑制雨天行车水雾、防止高速行车“水漂”、减轻夜晚行车眩光等技术特点，可以实现增进道路安全性、提高雨天行车舒适性、减少交通噪声等三大路面服务性能优势，在欧、美、日等国得到了广泛应用，但多空隙沥青路面在长期的使用过程中碎石、土粒、灰尘及轮胎磨耗物的堵塞会导致路面服务性能衰减．国内外学者针对多空隙沥青路面排水及堵塞进行了相关研究，裴建中等［1］、汪海年等［2］研究了PAC的内部空隙信息;文献［3－5］主要研究了PAC的渗透性能并测试推导了入渗模型．Hamzah［6］研究了单层和双层PAC的抗堵塞性能;文献［7］研究了堵塞料用量对PAC的抗堵塞性能的影响．Fwa等［8］认为沥青混合料的级配越均匀，则堵塞物质会越容易滞留在混合料内，导致其越容易被堵塞．Jansen等［9］认为多空隙沥青路面堵塞原因是因为层底形成了由灰尘、砂、轮胎的橡胶、油等组成的湿污泥．Deo等［10］观察记录了路面主要的堵塞物质为细土、砂石颗粒和碎有机材料．Chopra等［11］观察了使用期中的透水混凝土空隙间堵塞物质的粒径分布，发现平均43%的堵塞物质能透过0．075 mm孔径筛，是和黏土一样细的沙子．对于多空隙沥青混合料的排水堵塞性能的评价应包括多空隙沥青混合料的初始排水能力和多空隙沥青混合料的抗堵塞能力2个阶段．从相关研究可以看出，PAC排水能力和抗堵塞能力的研究还不系统完整，结构参数、材料参数等对混合料排水堵塞性能的影响还不清楚，易堵塞物质的粒径分布并不明确．

因此，本文选用适当的堵塞剂，针对不同空隙率和最大公称粒径的PAC试件，基于常水头渗透装置进行多周期排水堵塞试验．通过测试渗透系数，计算残余渗透能力，系统研究空隙率、最大公称粒径等结构参数变化对PAC排水能力和抗堵塞能力的影响规律．

1　试验方法

1．1常水头渗透试验

本文进行的常水头渗透试验的大马歇尔不脱模渗透仪［4－5］如图1所示．

渗透系数k的计算公式如下:

式中，Q为t时间段内渗透经过试件的水质量，g;ρw为水的密度，g/cm3; L为试件的有效长度，cm; A为试件的横截面面积，cm2; h1，h2为两测压管的水位高度读数，cm; i为水力梯度; h1－h2为水头差，cm．

1．2循环堵塞试验

循环堵塞试验设计目的是通过测试堵塞过程中试件的渗透系数，评价多空隙沥青混合料的抗堵塞性能．多空隙沥青混合料堵塞试验具体的步骤如下:

①采用常水头渗透试验测试试件的初始渗透系数k(0)．

②打开渗透装置，取出试件，在试件表面均匀撒布堵塞细料5 g．

③摇振试件30 s，同时向试件表面均匀注水250 mL．

④再次测定渗透系数，计算残余渗透能力．

⑤重复步骤②～④，直至渗透系数低于某一数值．参考文献［12］，当渗透系数小于0．03 cm /s时，认为该试件已被堵住而丧失透水能力，不再进行堵塞试验．

图1　渗透装置示意图

评价多空隙沥青混合料的n次堵塞后残余渗透能力计算式为

式中，γ(n)为n次堵塞后试件的残余渗透能力，%; k(n)为n次堵塞后试件的渗透系数，cm /s．

在相同的堵塞细料以及n次堵塞后，再次测定试件的渗透系数．再次测定的渗透系数越大，表明试件受堵塞的影响越小，则该试件抗堵塞能力越强;相反，再次测定的渗透系数越小，则试件的抗堵塞的能力越差．

1．3试件制备

本文选择检验合格的玄武岩粗、细集料和石灰岩矿粉，设计5种不同配合比和不同级配类型的PAC(见表1)．试件相应的空隙率和集料最大粒径等参数见表2．

2　PAC的排水性能

2．1空隙率的影响

空隙率的大小直接影响多孔介质的渗透性能，通过常水头渗透试验发现，空隙率与多空隙沥青混合料的渗透系数具有很好的相关性，不同多空隙沥青混合料的空隙率和渗透系数的关系如图2所示．随着空隙率的增大，渗透系数也增大．从2组以空隙率为变化梯度的试验组来看，渗透系数与空隙率的相关性极高．渗透系数和空隙率的线性回归公式为

表1　不同级配沥青混合料筛孔质量通过百分率

表2　试件空隙率和集料最大粒径

式中，Va为混合料的空隙率，%; R为相关系数．

图2　PAC渗透系数和空隙率一阶回归曲线

2．2级配和最大公称粒径的影响

图3为最大公称粒径不同、空隙率相近的试件渗透系数比较．图中，PAC-13，PAC-16分别为最大公称粒径13，16 mm的多空隙沥青混合料．由图中7#和5#试件与4#和2#试件相比发现，在空隙率相近的情况下，PAC-16试件的渗透系数要高于PAC-13．虽然最大公称粒径为13的6#和9#试件的渗透系数高于最大公称粒径为16的8#和3#试件，但是6#和9#试件的空隙率大于8#和3#试件．由于空隙率对PAC试件透水能力有明显的影响，其相应试件的透水能力可能也受到空隙率的影响．因此最大公称粒径对多空隙沥青混合料渗透系数的影响要比空隙率的影响小．在空隙率相同的情况下，提升最大公称粒径，总体上对PAC的初始排水性能有一定提高，但提高程度有限．

图3　不同最大公称粒径的PAC渗透系数

3　PAC的抗堵塞性能影响因素

3．1空隙率的影响

撒布堵塞细料的次数与空隙率之间的关系见图4．由图可知，随着空隙率的增加，撒布堵塞细料使试件渗透系数小于0．03 cm /s的次数也相应增多．空隙率约16%的试件撒布堵塞细料3次(堵塞细料15 g)即会被堵塞，而空隙率约21%的试件撒布堵塞细料5次(堵塞细料25 g)才会被堵塞．多空隙沥青混合料的抗堵塞性能随着空隙率的增大而增大．随着空隙率的变化可以看出，每一次加载堵塞细料，空隙率大的多空隙沥青混合料试件的残留渗透能力就越大．这说明空隙率越高，抗堵塞性能也就越强．第3次撒布堵塞细料后，空隙率18%以上的试件的渗透系数均大于0．03 cm /s，当空隙率从16%增加至23%，3次堵塞试验后，试件平均残余渗透能力也从24%增加至65%．

图4　PAC空隙率、堵塞次数及渗透系数之间的关系

3．2级配和最大公称粒径的影响

选用粗、细级配PAC-13(表1中的级配V和级配Ⅰ)进行了排水堵塞的比较试验．由图5可以看出，每次加载堵塞细料，粗级配混合料的残余渗透能力要大于细级配混合料的残余渗透能力．这说明相同空隙率条件下，粗级配的多空隙沥青混合料的抗堵塞能力要强于细级配的混合料．

图5　粗、细级配PAC-13渗透系数和残余渗透能力

图6　PAC-13，PAC-16渗透系数和残余渗透能力(空隙率为21%)

图7　PAC-13，PAC-16渗透系数和残余渗透能力(空隙率为16%)

由图6和图7可以看出，在空隙率相近、堵塞次数相同时，试件的最大公称粒径越大，抗堵塞能力越强．加载堵塞细料至试件渗透系数小于0．03 cm /s时，最大公称粒径为16的试件残余渗透能力平均要比最大公称粒径为13的试件大12%．

3．3混合料的敏感粒径

通过收集堵塞试验中滤出试件的颗粒数量，研究易堵塞混合料的敏感粒径．一般当堵塞粒径大于4．75 mm时不容易进入多空隙沥青路面的空隙中［13－14］．本文选择的机制砂粒径为2．360～0．075 mm，每级筛孔筛余5 g混合作为堵塞细料，堵塞试验的试件为PAC-13，空隙率约为21%．堵塞细料级配见表3．

表3　堵塞细料级配

收集堵塞试验中滤出的堵塞颗粒，并烘干、筛分、称重各级粒径筛余质量．将试件烘干后，用毛刷收集表面残留的堵塞细料作为未能进入试件内部空隙的堵塞细料，称各级粒径的筛余质量．用各粒径总量5 g减去各粒径滤出的堵塞颗粒和未能进入试件内部空隙的堵塞细料质量，即可得到各级粒径残留在试件内部空隙内的堵塞细料的质量．试验结果如图8所示．

图8　堵塞细料分布

由图8可以看出，粒径小于0．15 mm的堵塞细料大多数能够沿着连通空隙在水流作用下流出试件，对多空隙沥青混合料堵塞的影响程度相对较小．粒径大于0．15 mm的堵塞细料极易产生堵塞或根本进入不了混合料的内部空隙．其中粒径范围在1．18～2．36和0．15～0．30 mm两处的堵塞细料在PAC-13空隙率约为21%的试件内部含量最多．堵塞细料的粒径越大，留在试件表面部分的就越多，透过试件部分的就越少．过大的堵塞细料颗粒被小孔径堵住，使其无法进入更深的孔中．由于各级粒径相互干涉，当混合料内部孔隙被较大粒径颗粒堵塞，将会影响较小粒径颗粒的流出，即试件内部仍有38%的0．075～0．150 mm的细料颗粒(甚至22%的0．075～0．150 mm的细料颗粒)没有进入试件内部的原因．因此，0．150～2．360 mm的颗粒是造成混合料空隙堵塞的关键粒径．此外，从脱模试件侧面观察发现发生堵塞的位置主要集中在试件上部40 mm内．

4　结论

1) PAC初始排水能力和空隙率相关性很高．PAC的渗透系数随着空隙率的增加而线性增大．

2)粗型级配的PAC的排水能力和抗堵塞能力较强．最大公称粒径对多孔隙沥青混合料的初始排水能力影响不大，但增大最大公称粒径可以提高混合料的抗堵塞能力．

3) PAC抗堵塞性能随着空隙率增大而增大．随着空隙率从16%增加至23%，本文3次堵塞试验后，PAC平均残余渗透能力可从24%增加至65%．

4)多孔沥青混合料PAC-13发生堵塞的位置集中在试件最上部的40 mm内，0．15～2．36 mm的颗粒则是造成混合料空隙堵塞的关键粒径，粒径小于0．075 mm的颗粒对空隙堵塞影响较小．

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Drain and anti-clogging ability of porous asphalt concrete based on constant head permeability experiment

Wang Hongchang1，2Ge Hui1Zhou Minggang1
(1School of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China)
(2Graduate School of Engineering，Kyoto University，Kyoto 615-8540，Japan)

Abstract:In order to clarify the drain and clogging behaviors of porous asphalts pavement，permeability coefficients were tested by using asphalt mixture homemade permeability testing device to simulate multi-cycle drainage clogging experiment of porous asphalt concrete (PAC)，and the fine aggregate with certain gradation was chosen as a plugging agent．The influences of asphalt mixture design parameters such as the porosity，the normal maximum sizes of the aggregate，grading on the drain ability and anti-clogging ability of PAC were researched．The experimental results indicate that the porosity has an obvious influence on PAC drain ability and anti-clogging ability．The normal maximum size of the aggregate has an obvious influence on PAC anti-clogging ability，but no obvious influence on the drain ability．PAC with the coarser graduation has a better performance on drain ability and anti-clogging ability．Asphalt type changes a little on PAC ability of drain and anti-clogging ability．The location of blocking occurred is concentrated on the top 40 mm of PAC-13 specimen，fine particles with sizes of about 0．15 to 2．36 mm are the key particle size causing the clogging in the PAC-13 specimen．

Key words:road engineering; porous asphalts concrete; porosity; maximum size of aggregate; permeability coefficient;clogging test

基金项目:江苏高校优势学科建设工程资助项目、江苏省高校优秀中青年教师和校长境外研修计划资助项目、江苏省自然科学基金资助项目(BK2010568)、住房和城乡建设部科技研究计划资助项目(2011-K5-17)．

收稿日期:2015-07-23．

作者简介:王宏畅(1975—)，男，博士，副教授，seuwhc@126．com．

DOI:10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．034

中图分类号:U416．217

文献标志码:A

文章编号:1001－0505(2016) 01-0209-06