沥青混合料空隙率与渗透系数相关性试验研究

杨大田，周 乾

(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074； 2. 广西交通设计集团有限公司，广西 南宁 530001)

0 引 言

沥青混合料的渗透性是指水或空气在压实沥青混合料渗透能力，与沥青路面的早期破坏如水损害、老化、开裂、推移、车辙等紧密相关[1]，小的空隙率导致沥青混合料路面车辙和拥包，大的空隙率则造成水损坏和沥青混合料的老化，从而影响其耐久性。A. KUMAR等[2]认为，与空隙率相比，沥青混合料的渗透性是表征沥青路面耐久性能更为合理的指标；G. W. MAUPIN[3]建议将渗透系数作为沥青混合料配合比设计的指标之一。

COOLEY L A, Jr等[4-6]连续三年对Superpave沥青混合料的渗透系数和空隙率进行了试验研究，发现它们具有较强的相关性，他们利用指数函数进行数据拟合，得到了Superpave沥青混合料的临界渗透系数和临界空隙率，并建议在Superpave沥青混合料配合比设计中加以控制；R. A. TAREFDER等[7]认为沥青混合料水损坏与其渗透系数有关；M. AWADALLA等[8]发现随着渗透系数的增大，沥青混合料的密度和间接拉伸强度变小。

我国JTG F 40—2004《公路沥青路面施工技术规范》对沥青混合料试件的渗水系数提出了具体的技术要求，JTG E 20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》的试验方法对密级配沥青混合料试件测试效果比较理想，但对空隙率较大的沥青混合料试件测试效果较差，而且，在测试时，水会从车辙试样周边渗出，影响测试结果。

M. S. BUCHANAN[9]分别用水中重法、体积法、蜡封法和真空密封法，对粗、细级配Superpave、SMA、OGFC等4种级配沥青混合料试样，及高、中和低压实功成型的沥青混合料试样，石灰石、花岗岩沥青混合料试样进行了空隙率测试，发现真空密封法能获得最好的结果，其他方法测试结果的准确性受沥青混合料类型、压实状态和试样形态影响；E. R. BROWN等[10]用表干法(AASHTO T166)和真空密封法(Corelok)测试不同公称最大粒径沥青混合料试件的空隙率，采用线性回归方法，发现这两种方法得到的空隙率具有较强的相关性，T166 法获得空隙率比Corelok法得到的约小0.4～3.3； L. N. MOHAMMAD等[11]统计分析了真空密封法、表干法测得的空隙率以及有效空隙率的相关关系，得到真空密封法空隙率Vvac与表干法空隙率Vssd的线性回归方程Vvac=1.1Vssd+ 0.2，相关系数R2=0.97，Vvac与有效空隙率Ve的线性回归方程Ve=1.1Vvac-1.0，相关系数R2=0.93。以上研究说明，真空密封法适合各类沥青混合料，能够准确测试沥青混合料真实空隙率及有效空隙率。

笔者基于国内比较常用的SMA-13、AC-13、AC-16和AC-20，首先用表干法、真空密封法进行试验得到沥青混合料试件的表干法空隙率Vssd、真空密封法空隙率Vvac及有效空隙率Ve，采用t- 检验分析Vssd与Vvac，Ve与Vvac的统计性质，研究它们间相关性；然后，采用自制的柔性壁变水头渗透仪试验测定沥青混合料试件的渗透系数k，并用单因素方差法分析空隙率V与渗透系数k之间的相关性；最后，数据拟合空隙率与渗透系数，得到临界空隙率Vcrit和临界渗透系数kcrit，这2个参数可作为沥青混合料组成设计、施工质量控制及耐久性评价指标。

1 原材料及试件制备

1.1 原材料

1.1.1 沥 青

试验采用的沥青包括SBS改性沥青及中石油AH-70基质沥青 ，其技术指标见表1。

1.1.2 集 料

采用玄武岩、石灰岩粗集料，其技术性质试验结果见表2。

表2 粗集料技术性质指标Table 2 Technical properties for aggregates

1.1.3 填 料

填料采用石灰岩磨制矿粉，其技术性质指标及筛分结果见表3。

1.1.4 纤 维

木质素纤维的技术性质见表4。

1.2 沥青混合料配比设计

笔者选择SMA-13、AC-13、AC-16及AC-20等4种沥青混合料进行渗透系数试验。

表3 矿粉技术性质指标及粒度范围Table 3 Technical properties and size range for filler

表4 木质素纤维技术性质Table 4 Technical properties for lignin fiber

1)SMA-13、AC-13

采用SBS改性沥青， 3～5 mm、5～10 mm和10～15 mm的玄武岩粗集料， 0～3 mm石灰岩细集料。SMA-13沥青混合料还需掺加0.3%(按矿料质量计)木质素纤维。

2)AC-16、AC-20

采用中石油AH-70基质沥青 ，0～5 mm、5～10 mm、10～15 mm和10～20 mm的石灰岩集料。

4种沥青混合料矿料级配，见表5。

1.3 试件制备

根据马歇尔试验得到沥青混合料的最佳油石比，见表5。依据最佳油石比及对应的毛体积密度，轮碾制备300 mm × 300 mm × 50 mm沥青混合料试样，不同的碾压次数，可得到不同空隙率的试样；再钻芯，得到直径为100 mm × 高50 mm的圆柱形试样，用于毛体积密度和渗透系数测试。

表5 4种沥青混合料的集料级配及最佳油石比Table 5 Aggregate gradation and optimal asphalt content for four types of asphalt mixture

2 试 验

2.1 空隙率试验

2.1.1 表干法空隙率Vssd

按照JTG E 20—2011《沥青及沥青混合料试验规程》的表干法进行试验，由式(1)、式(2)计算沥青混合料试件的毛体积相对密度ρssd及表干法空隙率Vssd(%)：

(1)

(2)

式中：ma为干燥试件在空气中的质量，g；mw为试件在水中质量，g；mf为试件的表干质量，g；ρ理论max为沥青混合料试件的理论最大相对密度。

2.1.2 真空密封法空隙率Vvac

首先，采用真空包装机用柔韧耐刺破的塑料膜将沥青混合料试件包裹起来，塑料膜紧贴在试样表面，就像一层薄蜡粘附在试样表面上，如图1。

图1 塑料膜密封试件Fig. 1 Sealed specimen with plastic membrane

参照表干法的操作步骤进行试验，由式(3)、式(4)计算沥青混合料试件的毛体积相对密度ρvac及真空密封法空隙率Vvac(%)：

(3)

(4)

式中：mA为沥青混合料试件在空气中的质量，g；mB为塑料袋密封的沥青混合料试件在空气中的质量，g；mE为密封塑料袋在水中质量，g；mF为密封塑料袋的相对密度；其他符号同前。

2.1.3 ASTM D7063有效空隙率Ve

根据ASTM介绍的试验法[12]真空密封法试验后，在水中剪破试样表面的塑料膜，并保持试样在水中至少4 min，使水充分地渗透到沥青混合料试件空隙中，然后称取试件在水中的质量，由式(5)、式(6)计算沥青混合料试件的水中相对密度ρ2及有效空隙率Ve(%)：

(5)

(6)

式中：mC为撕去塑料膜后沥青混合料试件在水中的质量，g；其他符号同前。

2.2 渗透系数试验

笔者自制了一台柔性壁变水头渗透仪，如图2，该渗透仪可对直径100 mm、高50 mm的圆柱形沥青混合料试样进行渗透系数测试，测试步骤详见文献[13]。按式(7)计算渗透系数k[14]：

(7)

式中：k为沥青混合料试件渗透系数，m/s；a为量筒的内截面面积，m2；A为试件的横截面积，m2；H、h分别为最高刻度线与最低刻度线至试件底部的高度，m；t为水头由H降至h所耗时间，s；tc为不同温度下水的黏性修正系数。

图2 自制变水头柔性壁渗透仪Fig. 2 Self-made variable head flexible sidewall permeameter

3 试验结果分析

3.1 Vssd、Vvac及Ve相关性分析

3.1.1 线性拟合

分别对Vssd与Vvac、Vvac与Ve进行线性拟合，得到图3拟合曲线。

图3 4种沥青混合料的Vssd-Vvac、Vvac-Ve的线性关系Fig. 3 Linear relationship between Vssd-Vvac and Vvac-Pe for four types of asphalt mixture

从图3可以看出：

1)对于所试验的SMA-13、AC-13、AC-16及AC-20等4种沥青混合料，Vssd与Vvac线性相关较好；Vssd与Vvac的差值范围0.5～2.0，空隙率越大，差值越大，拟合的直线也越偏离对角线。在试验过程中发现：对于空隙率较大的沥青混合料试样，真空密封法的准确性、精确性和重复性均比表干法的好。

2)对于所试验的SMA-13、AC-13、AC-16及AC-20等4种沥青混合料，Vvac与Ve具有较好的线性关系；Vvac与Ve的差值范围1.0～5.0，空隙率越大，差值越大，拟合的直线越偏离对角线。

3)对于AC-13，Vssd>Vvac；而SMA-13、AC-16及AC-20，则Vssd

3.1.2t- 检验

利用成对双样本均值分析方法[15]，分别对Vssd-Vvac、Vvac-Ve进行统计分析，结果见表6。

表6 沥青混合料试件Vssd - Vvac和Ve- Vvac的成对双样本均值分析Table 6 Paired two-sample mean analysis for Vssd - Vvac and Ve- Vvac for asphalt mixtures

由表6可见，对于Vssd-Vvac和Vvac-Ve，P值(T

3.2 渗透系数k与空隙率V的相关性分析

采用最小二乘法，按指数形式对SMA-13、AC-13、AC-16及AC-20等4种沥青混合料试件的空隙率与渗透系数关系进行回归，并用单因素方差分析[12]，发现4种沥青混合料的空隙率与渗透系数具有较强相关性。

为了得到临界空隙率Vcrit和临界渗透系数kcrit，按图4(a)作拟合曲线的切线，两切线形成一个夹角φ，通过夹角的顶点A引一条直线，平分夹角φ，平分线与拟合曲线相交，有一个交点B，称之为拟合曲线的拐点；通过拐点，作两条垂直于x、y轴的直线，并与x、y轴相交，从而得到沥青混合料的临界空隙率Vcrit和临界渗透系数kcrit。按此法得到4种沥青混合料的Vcrit及kcrit，见表7。

图4 SMA-13、AC-13、AC-16及AC-20的空隙率与渗透系数关系Fig. 4 Relationship between void ratio and permeability coefficient for SMA-13, AC-13, AC-16 and AC-20

沥青混合料类型ASTM D7063参数Ve,crit/%ke,crit/(m·s-1)表干法参数Vssd,crit/%kssd,crit/(m·s-1)真空密封法参数Vvac,crit/%kvac,crit/(m·s-1)SMA-137.47.10×10-59.812.60×10-510.814.60×10-5AC-138.21.33×10-59.51.49×10-510.71.80×10-5AC-168.23.45×10-59.84.04×10-510.84.69×10-5AC-207.62.81×10-58.93.64×10-510.05.22×10-5

4 结 论

1)采用表干法和真空密封法分别对SMA-13、AC-13、AC-16和AC-20 等4种沥青混合料试件进行试验，得到表干法空隙率Vssd、真空密封法空隙率Vvac和有效空隙率Ve。通过线性拟合和t-检验得出：Vssd与Vvac具有较强的相关性和显著性差异，空隙率越大，两者的差值也越大，数据拟合直线越偏离对角线；Vvac-Ve也具有相同的规律。

2)利用自制的柔性壁渗透仪分别对SMA-13、AC-13、AC-16和AC-20等4种沥青混合料进行了的渗透系数试验。用单因素方差进行分析，发现4种沥青混合料的表干法空隙率Vssd、真空密封法空隙率Vvac和有效空隙率Ve与渗透系数k之间具有显著相关性；用指数函数对试验数据进行拟合，分别得到了4种沥青混合料的临界空隙率Vcrit和临界渗透系数kcrit这两个参数，参数可作为沥青混合料组成设计、施工质量控制及沥青混合料耐久性评价的指标。