离析对密级配沥青混合料渗透性能的影响

向 浩，朱洪洲，陈柳晓，钟伟明

(重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074)

0 引 言

水损害是我国沥青路面早期病害之一，其主要原因在于路面局部空隙率过大，外部水渗入路面后，动水压力反复冲刷作用使沥青混凝土中集料与沥青分离，最终导致路面坑槽、松散等病害。而离析是造成路面局部空隙率过大的重要原因，沥青混合料在拌和、运输和摊铺过程中受环境和工艺影响导致温度与集料出现差异[1-4]。由于差异存在，沥青混合料在压实过程中出现各区域压实不均匀和空隙率不均匀的现象，从而影响沥青混合料的渗透性能。然而，我国JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[5]中对混合料离析没有相应要求。

诸多研究者对路面离析进行了研究。例如：郑晓光等[6]通过现场检测分析了现场温度变化规律，得到了温度离析严重的区域容易导致路面出现水损害和疲劳破坏；胡力群等[7]采用红外热像仪拍摄路面得到温度分布状况，分析后提出以温度离析度来评价温度均匀性；邓德毅[8]采用网格法对渗水系数进行分析，最终提出一种以渗水系数作为离析评价指标的综合离析评价方法；李立寒等[9]通过室内试验分析混合料级配离析状态和离析程度对混合料路用性能的影响，得到粗集料集中区域渗水性增大，对沥青混合料的水稳定性极为不利。但这些研究却未将温度离析和级配离析对路面渗透性能的影响进行对比，也很少将离析程度与渗透系数关系进行量化。因此，笔者通过设计室内试验分析离析对沥青混合料渗透性能的影响，对比温度离析和级配离析对渗透性不同的影响，提出了离析容许变化程度等相关建议。

1 试验材料与设备

1.1 原材料

本次试验沥青为70 #基质沥青，其基本性质见表1[10]。

表1 沥青的基本性质Table 1 Basic properties of asphalt

1.2 集 料

集料采用石灰岩矿料，矿粉采用石灰岩矿粉(密度为2.718 g/cm3)，按照JTG E42—2015《公路工程集料试验规程》[11]要求进行试验，其基本性能见表2。

表2 集料基本性质Table 2 Basic properties of aggregate

1.3 混合料级配

为研究温度离析对混合料渗透性能的影响，试验中采用沥青混合料级配类型分别为AC-13、AC-20、ATB-25，这3种沥青混合料的级配值见表3。通过马歇尔试验确定了AC-13的最佳油石比为4.8%，AC-20的最佳油石比为4.3%，ATB-25的最佳油石比为3.8%。

表3 沥青混合料级配组成Table 3 Gradation composition of asphalt mixture

目前各国对级配离析程度指标尚未达成统一共识，但多以各筛孔通过率变异系数作为主要评价指标[12-13]。美国国家联合公路研究所重点研究了沥青路面离析的检验及评价方法，通过现场测试结果和室内模拟试验的结果之间的相互对比，分析了不同程度的离析对混合料性能以及路面关键技术指标的影响，并通过NCHRP-441项目提出混合料离析程度标准[14](表4)。麻旭荣等[15]、LI Xuelian等[16]和L.N.MOHAMMAD等[17]分别认为沥青混合料级配离析程度可用级配偏差值、沥青用量、空隙率和理论最大密度差值等指标进行判别和评价。

笔者借鉴美国NAPA离析技术指标的思路，提出以4.75 mm筛孔作为粗细集料关键筛孔，4.75 mm筛孔以下集料质量分数变化比例作为判断离析程度的评价指标，如式(1)：

(1)

式中：n为离析程度(越趋近于1表明离析程度越大)；a为未离析时通过4.75 mm筛孔的集料质量；b为离析后通过4.75 mm筛孔的集料质量。

表4 NAPA判定离析的技术指标Table 4 Technical indicators for segregation determined by NAPA

级配离析试验以AC-13、AC-20、ATB-25级配中值为参考级配，视为未离析(n=0)；选择n=0、0.3、0.5、0.75作为试验级配，具体级配曲线通过反算得到，如图1。

图1 各类型混合料级配离析后级配曲线Fig. 1 Gradation curves of various types of mixtures after gradationsegregation

结合美国NAPA判定离析技术指标中的级配变化与沥青含量变化评价方法，发现与文中所提沥青混合料级配离析程度评价指标吻合度很高，而该评价方法与指标更直观易懂、便于计算，因此选用表5中级配离析程度评价指标用于研究。

表5 离析程度评价指标Table 5 Evaluating index of segregation degree

1.4 试验设备

鉴于国内对马歇尔试件渗透系数测定暂无统一仪器，笔者参照达西定律理论和国内外渗透仪设计方法[18-20]，设计并制作了用于室内马歇尔试件渗透系数测定的变水头渗透仪，如图2。

图2 自制变水头渗透仪结构Fig. 2 Osmotic structure of self-made variable head permeameter

该设备基本工作原理是通过试件不脱模达到改善侧边渗水的目的，优点在于验操作简单、适用性强，具体操作步骤为：试验开始，安装好试验仪器；打开2、6号阀门，从8号管通水至1号量筒内一定高度后，关闭阀门2、6；打开阀门6，让试件下方多余水从阀门6流出后，关闭阀门6；打开阀门2、6时，记录开始t1时间、量筒内液面高度h1，记录结束t2时间、量筒内液面高度h2。

变水头渗透系数K计算如式(2)：

(2)

式中：K为渗透系数，cm/s；a为渗透试件横截面面积，cm2；L为渗透试件平均高度，cm；A为量筒内截面面积，cm2；t为渗透时间，t=t2-t1，s。

2 温度离析

2.1 温度与空隙率关系

试验温度分别采用140、120、100、80、60 ℃；试件空隙率的测定采用表干法，得到各类型混合料压实温度与空隙率的关系，如图3。

图3 温度与空隙率的关系Fig. 3 Relationship between temperature and void ratio

由图3得到3种不同级配类型沥青混合料具有相似变化规律。同类级配材料，空隙率随压实温度的升高而降低，且相关性良好；粒径较大的级配在相同压实温度下空隙率更大，变化幅度也略大于粒径较小的级配，压实温度每降低10 ℃空隙率约增大1.3%；3种不同级配类型压实温度与空隙率的关系式可归纳为表6。

表6 压实温度与空隙率关系Table 6 Relationship between compaction temperature and void ratio

2.2 温度离析对渗透系数的影响

利用自制变水头渗透仪对混合料试件渗透系数进行测定，得到各级配类型试件渗透系数随压实温度离析的试验结果，如表7。并根据表7压实温度离析试验结果得到压实温度、空隙率与渗透系数的关系，如图4。

图4为压实温度与渗透系数的关系曲线，渗透系数取值为对应压实温度的渗透系数均值。结果表明：压实温度和空隙率均与渗透系数有良好的相关性，3种不同类型混合料的渗透系数随着压实温度的降低而增大，且增加幅度越来越大。3条曲线均在120 ℃左右处有明显拐点，压实温度大于120 ℃时，渗透系数很小；压实温度小于120 ℃后，渗透系数明显增加，特别是当温度低于100 ℃时，渗透系数增长速率迅速提高。此外，最大粒径较大的混合料渗透系数在温度较高时略大于最大粒径较小的混合料；随着压实温度降低，粒径较大的沥青混合料渗透系数增幅要大于粒径较小混合料，空隙率与渗透系数关系和压实温度与渗透系数关系相似。

表7 压实温度离析试验结果Table 7 The test result of compaction temperature segregation analysis

(续表7)

图4 压实温度、空隙率与渗透系数关系Fig. 4 Relationship among compaction temperature, void ratio and permeability coefficient

3 级配离析

3.1 级配与空隙率关系

试件空隙率测定采用表干法，得到各级配混合料试件离析程度与空隙率的关系，如图5。

图5 级配离析程度与空隙率关系Fig. 5 Relationship between degree of gradation segregation and void ratio

由图5可知：AC-13、AC-20和ATB-25这3种级配未离析时空隙率均值分别为：4.81%、4.74%、5.1%；轻度离析时均值空隙率为：7.37%、7.78%、8.35%；中度离析时均值空隙率为：9.99%、10.71%、12.32%；重度离析时均值空隙率为：14.14%、15.35%、16.60%。结果表明：沥青混合料随着离析程度增大，空隙率也逐渐增大；相同级配离析程度下，粒径较大级配混合料空隙率大于粒径较小的级配混合料；轻度离析(n=0.30)混合料空隙率较未离析混合料增大数值约为3.01%，增加幅度约为61.51%；中度离析(n=0.50)混合料空隙率较未离析混合料增大数值约为6.12%，增加幅度约为125.51%；重度离析(n=0.75)混合料空隙率较未离析混合料增大数值约为10.48%，增加幅度约为214.72%。

3.2 级配离析对渗透系数的影响

利用自制变水头渗透仪对混合料试件渗透系数进行测定，得到各级配类型试件渗透系数随级配离析的试验结果(表8)。由表8的级配离析试验结果得到级配、空隙率与渗透系数的关系，如图6。

由表8可得知：AC-13、AC-20、ATB-25这3种级配在离析状态下空隙率范围分别为：4.55%～15.54%、4.44%～16.07%、4.77%～17.21%；渗透系数范围分别为：8.01E-05～0.145、9.91E-05～0.351、6.77E-05～0.633 cm/s。渗透系数随级配离析程度的增加而增大：在轻度离析(n≤0.4)范围以内，混合料渗透系数增加较缓慢；达到中度离析(0.4

表8 级配离析试验结果Table 8 Test results of gradation segregation

图6 级配离析程度、空隙率与渗透系数关系Fig. 6 Relationship amongdegree of gradation segregation, void ratio and permeability coefficient

4 分析与小结

对比AC-20和ATB-25这两种级配混合料在温度离析和级配离析状态下的测定结果，可得到温度离析和级配离析对渗透性能不同的影响。

同一类型沥青混合料、相同空隙率情况下〔图7(a)〕，发生温度离析和级配离析后的渗透系数有差异，尤其是当空隙率较大的时候，发生温度离析混合料渗透系数要小于发生级配离析的渗透系数，且空隙率越大差异值越大。例如：AC-20混合料在温度离析、空隙率均值为14%时，渗透系数均值为0.12 cm/s，而级配离析相同空隙率情况下，渗透系数均值为0.14 cm/s，级配离析渗透系数比温度离析渗透系数约高16.7%；ATB-25混合料在温度离析、空隙率均值为16%时，渗透系数均值为0.41 cm/s；而级配离析相同空隙率情况下，渗透系数均值为0.52 cm/s，级配离析的渗透系数比温度离析渗透系数约高25%。

同一种类离析类型、相同离析程度情况下〔图7(b)〕，粒径较大的混合料渗透系数大于粒径较小混合料渗透系数。例如：ATB-25混合料在压实温度为80 ℃状态下渗透系数均值为0.077 cm/s；而相同温度离析情况下，AC-20混合料渗透系数均值为0.053 cm/s，ATB-25混合料渗透系数比AC-20混合料约高45%；ATB-25混合料在重度级配离析状态下渗透系数均值为0.53 cm/s；而相同离析程度情况下，AC-20混合料渗透系数均值为0.28 cm/s，ATB-25混合料渗透系数比AC-20混合料约高95%。

图7 离析状态下空隙率与渗透系数关系Fig. 7 Relationship between void ratio and permeability coefficient under segregation

结合温度离析和级配离析混合料试件试验结果以及试验现象，笔者对密级配沥青混合料渗透性能进行了总结(表9)，并发现现行JTGF40—2004《公路沥青路面施工技术规范》中对密级配沥青混合料渗透性能规范要求值120 mL/min(参照文献[21]中转换公式〔式(3)〕可转换为0.001 9 cm/s)偏高，上限值的渗透量仍十分可观。

CW=62 373K+0.478 8

(3)

式中：CW为渗水系数，mL/min；K为渗透系数，cm/s。

表9 混合料渗透性能总结Table 9 Mixture permeability performance summary

因此，笔者认为需更为严格地控制密级配沥青路面渗透性能，降低其最高要求值，建议将渗透系数上限定为0.001 cm/s，即85 mL/min。该指标数值也与美国沥青技术研究中心推荐的细级配沥青混合料临界值不谋而合，其中0.001 cm/s的渗透系数在试验中对应的空隙率临界值约为7%(图8)。为保证路面在使用过程中有良好抗渗透性能，建议将7%的现场空隙率作为渗透性质量检测指标，与渗透系数(85 mL/min)组成双重标准用于路面设计与施工质量控制。针对推荐的空隙率和渗透系数临界值，对应在沥青混合料施工过程中，沥青混合料压实温度应不低于130 ℃，温度变化应控制在10 ℃以内；级配离析临界值n=0.21，施工过程应控制在轻度离析范围以内。

图8 空隙率临界值Fig. 8 Critical value of void ratio

5 结 论

1)针对室内渗透试验，笔者自制未脱模变水头渗透仪，利用马歇尔试件不脱模和密封圈改善了试验侧边沿漏水问题，使试验更简便，结果更精确。

2)温度离析时，压实温度和空隙率均与渗透系数有良好的相关性，3种不同类型混合料的渗透系数随着压实温度降低而增大，且增加幅度越来越大；级配离析时，沥青混合料随离析程度增加渗透性能增大。轻度离析时，沥青混合料呈弱渗水性能；中度离析时，沥青混合料呈一般渗水性能；重度离析时，沥青混合料呈较好渗水性能。

3)密级配沥青混合料在空隙率和最大粒径相同时，发生级配离析较发生温度离析，沥青混合料渗透系数更大，渗透性能更好；在空隙率相同，对于最大粒径不同的密级配混合料，发生级配离析较发生温度离析时所造成的渗透性能差异更大。

4)根据试验现象，笔者发现规范中对密级配沥青混合料的渗透性能规范要求值偏高，建议渗透临界值降低为85 mL/min(0.001cm/s)，并将对应的7%现场空隙率与渗透系数组成双重标准用于路面设计与施工质量控制；针对推荐临界值，得到密级配沥青混合料压实温度应不低于130 ℃，温度变化应控制在10 ℃以内；级配离析临界值为n=0.21，施工时应控制在轻度离析范围以内。