多孔沥青路面路用功能性能的衰变特性研究

陈健侠，朱晟泽，梁彦龙，黄晓明

（1.深圳市市政工程设计院，广东 深圳 518035；2.东南大学交通学院，江苏 南京 210096）

多孔沥青路面路用功能性能的衰变特性研究

陈健侠1，朱晟泽2，梁彦龙2，黄晓明2

（1.深圳市市政工程设计院，广东 深圳 518035；2.东南大学交通学院，江苏 南京 210096）

多孔沥青路面是一种大空隙骨架结构的路面，具有显著的路面构造深度，有利于提高抗滑性能，并具有降温和降噪功能。依托上海五洲大道的实体工程对多孔沥青路面的功能性能进行分析，使用空隙率作为路面功能性能衰变的特征变量。以不同空隙率（18%～22%）的混合料为研究对象，通过室内试验分析多孔沥青路面在使用过程中的功能性能衰变，包括排水性能、抗滑性能和抗堵塞性能。

多孔沥青路面；空隙率；配合比设计；路用功能性能衰变

0　引　言

多孔沥青路面是使用空隙率较大的沥青混合料用于路面表层作为排水层，在其下铺设密级配混合料作为不透水层，并在排水层和不透水层之间设置防水黏结层的路面结构。这种路面结构使用的多孔沥青混合料的空隙率一般在18%～25%，采用间断级配，混合料中形成较大的空隙率和较多的有效空隙，使路面雨水可以迅速排出，提高路面的排水性能，同时大空隙的存在可以起到降温和降噪的作用[1]。但是随着多孔沥青路面的铺筑使用，空隙阻塞这一多孔沥青路面特有的问题引起了国内外学者的关注，多孔沥青路面表层空隙较大，容易被异物覆盖，形成空隙阻塞，使得有效空隙不断缩小，时间越久，路面的排水性能越差[2]。

国外学者的研究表明，多孔沥青路面在使用过程中，其空隙一方面受到荷载作用挤压变形缩小，另一方面受到杂物堵塞而损失[3-4]。当不考虑冲刷等因素时，小于6 μm的细料是造成空隙阻塞的关键颗粒[5]。多孔沥青路面空隙被逐渐堵塞后，其有效空隙率会大幅下降[6]，造成排水性能的损失。Li等的研究发现，多孔沥青路面的阻塞情况与多孔沥青路面的材料无关[7],而和路面层设计以及气候情况有关，并由总积累体积和渗流速率共同决定[8]。Erdem等对多孔沥青路面在雨水渗透条件下的阻塞进行了分析，发现在雨水和车轮荷载共同作用下，多孔沥青路面下层空隙率下降最严重，同时整个面层的渗透性能下降了40%～90%[9]。蒋玮等对多孔沥青混合料进行了室内阻塞试验和渗水试验，指出尽可能采用粗级配可以减少空隙阻塞。此外，堵塞受到杂物颗粒粒径的影响[10]。

1　多孔沥青路面配合比设计

多孔沥青路面的级配设计依据是由C.A. Gweymouth提出的开级配粒子干涉理论 (Theory of Interference)，该理论认为对于骨架型结构的混合料，其集料颗粒间的空隙应该由次一级的集料颗粒填充，用于填充的颗粒粒径不可以超过空隙的间距，以免发生粒子干涉[11]。

1.1多孔沥青混合料的级配设计

本文依托上海五洲大道的实体工程，其设计空隙率为22%，为了研究其路用性能的变化，在上述级配设计的基础上，选择了22%、20%、18%三个空隙率为特征值进行研究。随后使用经验公式初试沥青用量，再用马歇尔试件验证空隙率，并进行马歇尔试验、肯特堡飞散试验、谢伦堡析漏试验等验证各项指标是否符合规范要求，同时保证空隙率与期望值的差值不超过±1%，完成配合比设计。级配设计流程如图1所示。

将上海五洲大道的空隙率22%级配作为级配1，在2.36 mm通过率上依次增加3%左右初选空隙率分别为20%和18%的级配2和级配3，保证每个级配不超过《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）[12]规定的级配范围，初步设定的级配见表1和图2。

图2中可以看出，三种级配都在规范要求范围内，并且4.75 mm和9.5 mm通过率相对更接近级配下限，说明此级配中粗集料含量较高，空隙率较大。

图1　配合比设计流程

表1　多孔沥青混合料级配

图2　级配曲线

1.2最佳油石比确定

根据日本的研究结论，多孔沥青混合料的沥青膜厚度宜为14μm，根据表1中的数据计算的结果为：级配1油石比4.9%，级配2油石比5.0%，级配3油石比5.2%。对上述级配使用马歇尔击实仪双面击实50次，成型后的试件采用体积法测定的空隙率分别为21.9%、20.2%、17.8%，基本符合既定的空隙率指标。对上述三种级配的初始油石比，以0.5%为梯度变换油石比，从4.0%～6.0%这5组不同的油石比成型试件，分别进行谢伦堡析漏试验和肯特堡飞散试验，以此确定最佳沥青用量。得到最佳油石比见表2。

表2　最佳油石比确定

根据上述油石比制成马歇尔试件，用体积法测得三种级配的空隙率分别是21.9%、20.2%、18.4%，所以级配1为22%空隙率，级配2为20%空隙率，级配3为18%空隙率。其中，级配1的油石比和空隙率与五洲大道的设计一致。

2　空隙衰变

多孔沥青路面的空隙结构在使用过程中受到车辆荷载和自然因素的共同作用而不断下降，空隙结构的衰变主要分为荷载作用下的压密变形和堵塞作用下的空隙结构损失。

2.1荷载对空隙的影响

2.1.1荷载作用次数

为了分析空隙衰变和荷载作用次数的关系，通过室内车辙试验的方法，控制对多孔沥青混合料车辙板的荷载作用次数，分析不同荷载作用次数后，车辙板的空隙衰变情况。车辙板的空隙变化通过计算车辙部分的试件空隙和初始空隙率对比得出。空隙率的采集通过切割车辙部分的混合料，采用体积法计算空隙率，使用水中重法测量有效空隙率。室内车辙试验荷载的作用速率为42次/min。按照表2所示级配1成型车辙板，其初始空隙率为22%左右，试验温度为60℃，荷载大小为0.7 MPa，控制变量为车辙试验的时间，其范围是10～90 min，以10 min为间隔进行试验。试验结果见表3和图3。

对图3的试验结果进行拟合，可以得出荷载作用次数和空隙衰变的关系为

式中：△VV为试件的空隙率损失，%；△VE为试件的有效空隙率损失，%；N为荷载作用次数，次。

表3　荷载作用次数与空隙率

图3　荷载作用次数与空隙率

由试验的数据和拟合结果可以看出，随着荷载作用次数的增加，空隙结构不断被压缩，且在荷载作用初期空隙率下降的速率较大，随后下降速率逐渐变小；空隙率和有效空隙率在荷载作用下表现出相近的衰变规律；随着荷载作用次数持续增加，空隙结构在压密过程中逐渐稳定，空隙率和有效空隙率分别维持在16%和11%左右。

2.1.2荷载作用温度

通过控制室内车辙试验的温度，在30～60℃以10℃为间隔，统一以0.7 MPa的荷载作用60 min，依据车辙试验分析不同温度下空隙率的衰变。车辙试验后空隙的变化结果见表4和图4。

表4　荷载作用温度与空隙率

图4　荷载作用温度与空隙率变化

拟合空隙率、有效空隙率衰变随试验温度变化的关系式为

式中：VV为试件的空隙率，%；VE为试件的有效空隙率，%；T为荷载作用温度，℃。

由式（3）和式（4）可以看出，多孔沥青路面的空隙结构在不同温度下的衰变呈指数关系，温度越高，空隙衰变越严重，60℃时的空隙衰变损失是30℃时的4.5倍，但是有效空隙衰变是7.6倍。这说明，随着温度的增加，荷载对多孔沥青路面的空隙结构破坏加剧，有效空隙率的损失要大于空隙率的整体下降。

2.2堵塞对空隙的影响

多孔沥青路面在使用过程中易受到杂物堵塞，造成空隙率下降，排水功能受到破坏。然而，堵塞后的空隙率不易直接测量而路面结构中的有效空隙率直接决定路面的渗水系数，而空隙率和有效空隙率又具有良好的对应关系。因此，可以通过测量堵塞后渗水系数的变化间接评价堵塞对空隙的影响。

本实验采用东南大学开发的多孔沥青渗水性能测试仪，该仪器由储水箱、水泵、喷头、流速表、流速控制阀门、试件密封夹具、支架等组成。流速表可以读取瞬时流速与累积流速，所用的试件为大马歇尔试件，为了模拟多孔沥青路面实际的厚度，制作的马歇尔试件的高度为5cm左右。通过流速表读取瞬时流速作为多孔沥青混合料的渗水系数C。

试验采用的堵塞颗粒，结合蒋玮等的研究结果[10]，大于4.75 mm的颗粒不容易进入多孔沥青混合料的空隙当中，所以针对小于4.75 mm的颗粒进行堵塞研究。由于道路实际表面的颗粒组成比较复杂，而且不同地区的环境条件也不相同，这里简化为把堵塞的颗粒使用同一种成分的集料来代替，以筛孔孔径（2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm、0.075 mm）划分4.75 mm档以下的集料为7档，每档都称取同样质量的集料混合均匀，以10 g分组作为堵塞颗粒。

试验的步骤是成型大马歇尔试件后，将堵塞颗粒每10 g为一组摊铺于马歇尔试件表面，记录不同颗粒加入后马歇尔试件的渗水系数。试验结果见表5和图5。

表5　堵塞条件下渗水系数的变化

图5　堵塞与渗水

根据试验的结果，拟合得渗水系数和堵塞的关系式为

式中：C为渗水系数，ml/min；m为堵塞颗粒质量，g。

根据上述试验结果，可以得出渗水系数和堵塞颗粒质量呈线性相关，堵塞颗粒摊铺越多，渗水系数下降越严重。根据式（5）计算，当堵塞物质量大于34 g时，多孔沥青混合料的渗水系数将不满足《公路沥青路面施工技术规范》要求的3 600 ml/min标准。渗水系数的下降说明，多孔沥青混合料结构中的空隙被不断加入的堵塞物堵塞，渗水功能出现损失。据此渗水系数的衰变可以等效为空隙率的衰变，通过计算渗水系数的残留百分数可以得到空隙率的残留百分数，根据表5的数据计算出堵塞条件下空隙率衰变的结果见表6。

表6　空隙率残留百分数

对比荷载作用对空隙的影响结果，在标准轮载作用下，初始空隙率为22%的多孔沥青路面在荷载作用后空隙衰变逐渐变慢，最终达到相对稳定的压实状态，空隙率为16%，空隙率损失为30%，此后空隙率在荷载作用下基本保持不变，路面结构达到一个相对稳定的压密状态。然而，空隙在受到堵塞时，空隙率损失较大，达到了60%以上，且空隙受堵塞而减小的速率没有明显的下降，根据式（5）的计算，当堵塞物质量达到105 g时，渗水系数将接近零，空隙基本完全损失。因此，相对于荷载压密来说，堵塞对空隙衰变的影响更大。

3　排水性能

对于路面的排水性能，一般使用渗水系数来表征。根据《公路路基路面现场测试规程》（JTG E60—2008）[13]要求，沥青路面的渗水系数采用变水头的仪器测量路面的渗水系数。渗水系数的测量具体步骤是通过记录量筒内水面由500 ml下降至100 ml时的时间长度，根据下面的公式计算渗水系数。

式中：Cw为路面的渗水系数，ml/min；V2为第二次计时时的水量，ml，通常取100 ml；V1为第一次计时时的水量，ml，通常取500 ml；t1为第一次计时的时间，s；t2为第二次计时的时间，s。

按照上文所示的配合比分别制成空隙率22%、20%、18%的车辙板，试验结果见表7和图6。

表7　渗水性能试验结果　ml/min

图6　渗水性能结果

根据试验结果，拟合渗水系数和空隙率的关系为

式中：Cw为渗水系数，ml/min；VV为空隙率，%。

空隙率的衰变和渗水系数的变化接近指数关系，这说明空隙率越大，渗水系数增长越快。随着空隙率的下降，渗水系数下降的幅度在降低。分析上述数据，说明在空隙率18%以上时，多孔沥青路面的渗水能力满足规范要求。根据式（7）计算，若空隙率衰变到18%时，渗水系数将降到3 600 ml/min，空隙率继续降低，渗水系数将不满足规范要求。

4　抗堵塞性能

本节的主要研究内容为通过室内试验的方法，对不同空隙率下的多孔沥青混合料在模拟雨水渗入情况下的抗堵塞性能进行试验，分析造成不同空隙率条件下堵塞的敏感粒径。结合蒋玮等的研究结果[10]，大于4.75 mm的颗粒不容易进入多孔沥青混合料的空隙当中，所以针对小于4.75 mm的颗粒进行堵塞研究。由于道路实际表面的颗粒组成比较复杂，而且不同地区的环境条件也不相同，为了明确造成堵塞的敏感粒径这一关键指标，试验把堵塞的颗粒使用同一种成分的集料来代替，排除颗粒组成成分及来源的影响。使用分档后玄武岩集料作为试验用堵塞颗粒，分档情况及每档的用量见表8。

表8　堵塞颗粒的粒径划分

把表8中所示的7档集料分别在试件表面摊铺均匀，每块试件上撒铺的集料质量记为a。均匀缓慢地洒水，当表面颗粒数量不再有明显变化，且透过试件的水质清澈，堵塞过程完成。收集透过试件的水，烘干后称量颗粒质量记为b，待马歇尔试件静止自然晾干后，用毛刷清扫表面收集颗粒称量质量记为c，摊铺的颗粒总量减去透过的颗粒质量和表面残留的质量即为堵塞的颗粒质量，记为d，根据上述试验步骤对三种空隙率下的试件进行堵塞试验，使用高精度电子称称量颗粒质量，试验结果见表9和图7。

可以得出当空隙率为22%时，0.6～2.36 mm颗粒阻塞质量占总阻塞质量的60%以上，且粒径更大的1.18～2.36 mm颗粒在堵塞中的比重大于0.6～1.18 mm颗粒（堵塞比例为3∶2）。同时小于0.6 mm的颗粒基本可以完全通过空隙（通过率达到90%）。

图7　堵塞试验结果

对于空隙率20%的试件，引起其堵塞的颗粒粒径是0.6～1.18 mm和1.18～2.36 mm两档集料，且两档颗粒阻塞质量基本一致。粒径处于中间部分的0.6～2.36 mm颗粒占堵塞颗粒物总质量的60%以上，是造成20%左右的多孔沥青混合料堵塞的关键粒径。

对于空隙率18%的试件，粒径在2.36 mm以上颗粒已经不能通过试件，大部分残留在试件表面，并且0.6 mm以下的颗粒堵塞的质量相对于20%以上的多孔沥青混合料明显增多（通过率不足70%）。这说明当多孔沥青路面空隙率衰变到18%时，其抗堵塞性能出现了大幅度的下降。

分析三种空隙率下的堵塞颗粒总质量的变化，可以得出随着空隙率的下降，堵塞的总质量在加速增长，同时不能进入空隙结构的质量也在增加，通过有效空隙而随着水流排出空隙结构的质量在逐渐降低。可以看出空隙率在20%以上时，大部分颗粒通过了多孔沥青混合料，残留在空隙结构中的颗粒较少；而空隙率18%时，通过多孔沥青混合料的颗粒质量出现大幅的下降，残留在多孔沥青混合料表面和空隙结构内部的颗粒质量明显增多，如图8所示。

表9　多孔沥青混合料的堵塞结果

图8　空隙率与堵塞质量

空隙率和通过结构的颗粒质量拟合的关系为

式中：M为通过多孔沥青混合料的颗粒质量，g；VV为多孔沥青混合料的空隙率，%。

这说明多孔沥青混合料的抗堵塞性能和空隙率具有较好的指数性关系，根据式（8）的计算，当空隙率为20%时，摊铺的堵塞颗粒有一半可以通过空隙结构，说明空隙率20%以上的多孔沥青混合料结构具有较好的抗堵塞性能。空隙率在20%以下时，通过的颗粒质量明显下降，多孔沥青混合料抗堵塞性能出现较大损失。且空隙率越小，堵塞质量增加的速率越快，根据公式预测，当空隙率降到14%时，颗粒将不能通过多孔沥青混合料，而将残留在多孔沥青混合料表面或者结构当中，混合料的抗堵塞性能将完全丧失。

综上所述，多孔沥青混合料的抗堵塞性能随空隙率的下降而下降。对于空隙率在18%～22%的多孔沥青结构，大于2.36 mm的颗粒不易进入空隙结构中，因此对路面的堵塞影响不大。随着空隙率的下降，造成多孔沥青混合料堵塞的关键粒径逐渐变小，主要是0.6～2.36 mm颗粒堵塞了空隙率在20%左右的多孔沥青混合料结构。空隙率下降，堵塞在多孔沥青混合料中的颗粒质量逐渐增加，通过结构中的有效空隙结构的颗粒质量明显减小，表明路面的抗堵塞性能下降。为了保证多孔沥青路面的使用品质，应定期清洗路面结构中的堵塞。

5　结　论

本文分析了多孔沥青路面在荷载作用和堵塞作用下的空隙衰变情况，以及随着空隙率的下降，多孔沥青路面功能性能衰变的情况，得到的结论如下：

（1）在荷载作用下，多孔沥青路面材料产生压密变形，空隙率逐渐下降，空隙衰变的速率初始较大随后减小，多孔沥青混合料最终会达到一个相对稳定的状态，空隙率基本不变。荷载作用的温度越高，空隙衰变越严重。

（2）在堵塞作用下，多孔沥青路面材料的渗水系数大幅下降，渗水系数和堵塞质量线性相关。堵塞造成的空隙率下降相对于荷载压密造成的空隙下降更严重，随着使用时间的增加，在多孔沥青路面空隙衰变中，堵塞对空隙衰变的影响更大。

（3）多孔沥青混合料的排水性能随着空隙率的衰变而减小，排水性能与空隙率的变化具有指数关系。空隙率在18%以上的多孔沥青路面可以保持较高的渗水系数，满足规范对多孔沥青路面的技术要求。

（4）多孔沥青路面的抗滑性能随空隙率的减小而衰退，其主要指标——构造深度和摩擦系数摆值随着空隙率的减小而减小，两个指标和空隙率呈现出较好的指数关系。空隙率在18%以上的多孔沥青混合料具有较大的构造深度和较高的摆值，满足规范对多孔沥青路面的技术要求。

（5）根据多孔沥青路面的空隙特点和路面使用情况，本文使用室内试验的方法分析多孔沥青路面不同空隙率下的堵塞规律。试验结果表明，随着空隙率的下降，多孔沥青路面抗堵塞性能降低，空隙越小越容易被堵塞。不同空隙率下堵塞的颗粒分布不同，空隙率越小，堵塞的颗粒关键粒径越小，堵塞的颗粒总质量越大。

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U416.217

A

1009-7716（2016）04-0151-06

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.04.048

2015-12-15

陈健侠（1963-），男，广东省汕头人，高级工程师，从事道路桥梁专业的工作。