大空隙沥青混凝土空隙参数与渗透特性相关性

马 翔, 戎汉诚， 周培圣, 王炯月, 王红祥

(1.南京林业大学 土木工程学院,江苏 南京 210037; 2.江苏现代路桥有限责任公司,江苏 南京 210049)

大空隙沥青混凝土因其良好的表面功能特性已经逐步在沥青路面建设过程中得到推广应用,尤其在“海绵城市”理念提出后,大空隙沥青混凝土已经成为道路工程界的研究热点[1-3]。大空隙沥青混凝土在路面材料中的主要技术优势是其优良的排水功能,这种排水功能使雨水通过路面体内排出或收集,在雨天路表无水膜,提高行车安全。大空隙沥青混凝土的排水功能与其渗透特性密切相关,为了掌握大空隙沥青混凝土的排水功能优劣需要研究其渗透特性。

大空隙沥青混凝土的渗透特性受到组成设计、施工及运营过程中各种内、外部因素的影响。研究[4-6]表明混凝土内部空隙率对渗透性能影响最大,而关键筛孔通过率是影响排水性沥青混凝土空隙率的重要因素[7],此外施工过程中的压实度、运营过程中的压密等都会影响大空隙沥青混凝土的渗透特性。在渗流力学中,多孔介质的渗透特性用渗透系数来表征[8],国内外测量渗透系数的仪器多为自制,文献[9]采用自制仪器测量了沥青混凝土的竖向渗透系数,发现其结果与横向渗透系数一致;文献[10]对横向及竖向渗透系数采用了2种不同的装置测量,发现横向渗透系数明显大于竖向渗透系数,相关研究结果不具一致性,这种自制的仪器只能测试单向的渗透系数,横、竖向渗透系数采用不同方法成型试件且测试仪器不同影响了测试结果对比关系的可靠性。

为了可靠研究大空隙沥青混凝土渗透特性的影响情况,本文使用自制渗水仪器测定渗透系数。该渗水仪能对同一试件进行横向和竖向渗透系数测定,克服了不同设备、不同试件分别测试横向、竖向渗透系数所带来的误差,基于测试结果对比分析了大空隙沥青混凝土空隙率对其渗透特性的影响程度。

1 渗透系数测试方法

渗透系数又称为水力传导系数,表示流体在空隙骨架中流动的难易程度。水流速度较慢时,在水头差的作用下,断面的渗透平均速度与水力坡度成正比,即为达西(Darcy)定律:

v=ki

(1)

其中,v为水的平均渗透系数;k为渗透系数;i为水力坡度。

室内渗透系数测试仪器通常分为常水头渗透仪和变水头渗透仪,常水头法适用于渗透系数较大的砂类土等材料,渗透系数一般大于10-2cm/s;变水头法一般用于测定渗透性能差、流量较小难测定的材料,渗透系数一般小于10-3cm/s。对于大空隙沥青混凝土,其渗透系数一般在1×10-2cm/s以上,因此采用常水头方法进行测试[11]。

1.1 渗透系数测试装置

本研究采用的渗透系数测试装置参照文献[10]中渗透仪进行改进,可对同一个试件分别测量其竖向和横向渗透系数,操作简单、方便,模具与钢板之间由螺栓连接,自制的仪器所成型的沥青混凝土的规格是150 mm×150 mm×150 mm的立方体,试件成型于模具中,采用液压千斤顶静压,如图1所示。

图1 渗水仪器示意图

1.2 测试方法

该渗透装置主要由不锈钢板制成,试验过程中试件密封于渗透仪内,为保证试件与模具之间完全密封,采用RTV室温固化硅橡胶加涂于螺栓与模具上。

渗透系数试验首先要保证试件的水流状态满足达西定律的范围,即水流保证层流状态,文献[10]在前人已有成果及大量试验分析的基础上提出,对于大空隙沥青混凝土,其合理水力梯度应不大于0.03,故本研究将水力梯度控制在0.03(对应本研究的水位高差为4.5 mm)以下。

测试步骤如下:① 准备。首先将称量好的大空隙沥青混凝土称量倒入试模中,用压力机进行静压压实,制成150 mm×150 mm×150 mm的试件。② 竖向渗透流量测量。待试件冷却1 d后,拆卸底板及相应的配套螺栓,不脱模,装上橡胶垫及上下盖,做好密封处理,通过进水箱的位置来改变水头差,测量相应的竖向渗透系数,待水头差稳定,记录流经试件的水流量和时间。③ 竖向渗透系数计算。对记录的水流量和试件数据按照(2)式进行计算。④ 横向渗透流量测量。在测量完竖向渗透流量后,拆下上下盖及中隔钢板,装好上、下密封钢板,通过改变进水箱的位置来改变水头差,待水头差稳定,记录流经试件的水流量和时间。⑤ 横向渗透系数计算。对记录的水流量和试件数据按照(2)式进行计算横向渗透系数。

渗透系数k计算公式如下:

(2)

其中，Q为单位时间渗流量;k为渗透系数;A为断面面积;Δh为水位高差高差;l为水流经长度,ρw为水的密度。

1.3 有效性验证

研究过程中为了验证渗水仪测试结果的有效性,基于文献[10]的研究成果,首先对不同水力梯度下目标空隙率为20%的PAC-13沥青混合料竖向渗透系数、横向渗透系数进行测试,测试结果如图2所示。

图2 水力梯度与渗水系数的关系

从图2可以看出,当水力梯度不大于0.03时,其渗透系数随水力梯度的变化区别较小,可见流速与水力梯度之间呈线性关系,满足Darcy定律,这与已有研究成果具有较好的一致性。

与此同时,采用本测试装置,在水头差为10 cm的条件下测试了密级配沥青混合料AC-13在60 min的渗水量,其中竖向渗水量为259 g,横向渗水量为97 g。假定其满足达西定律,则横向渗水系数为1.8×10-4cm/s,竖向渗水系数为4.8×10-4cm/s,由此可见,密级配沥青混合料基本不渗水,与此同时也验证了渗水装置的密水性良好。

2 不同因素大空隙沥青混合料设计

本研究以典型的大空隙沥青混凝土PAC-13为研究对象,基准试件所采用的原材料如下:沥青采用高黏沥青,集料为玄武岩集料,矿粉为石灰岩矿粉,研究之初首先对各种原材料性能进行检测,均满足技术规范的要求。基于基准试件,模拟分析内外部因素变化对大空隙沥青混凝土渗透系数的影响情况,其中内部因素为级配的改变,外部因素为压实程度的变化。

2.1 不同级配混合料设计

已有相关研究成果表明[12],在大空隙沥青混凝土PAC-13中2.36 mm通过率对其空隙率影响最为显著,为此,在基准试件的基础上(编号II),结合其级配范围,通过±3%机制砂(0～3 mm)用量考虑级配对大空隙沥青混凝土渗透特性的影响,具体组成见表1所列。

表1 大空隙沥青混合料组成设计

为减小级配误差对试验结果的影响,研究过程中大空隙率沥青混合料配料时，基于表1中的合成级配按照单一粒径逐一抓配。

2.2 不同压实程度混合料设计

研究过程中,为模拟排水性沥青路面施工时压实度的差异以及使用过程中车辆压密对其渗透特性的影响,在基准试件的基础上又设计了2种体积相同(同一试模)质量不同的试件进行渗透系数试验,一种是在基准试件的基础上增加3%混合料质量,其体积法测得的密度增加3%,空隙率相应减小,模拟使用过程中的压密或施工时的超压,记为试件Ⅳ;另一种是在基准试件的基础上减少3%质量,模拟施工时的欠压,记为试件Ⅴ。

3 大空隙沥青混凝土渗透特性分析

在渗透系数测试过程中,保持水头梯度小于0.03,即本研究的水头差在4.5 mm以内满足达西定律。5组试件实测空隙率、渗透系数等参数汇总见表2所列。分别采用体积法、表干法测定空隙率,由于大空隙的存在使得表干法所得数据误差较大,表2中空隙率为体积法所测得。文献[13]认为沥青混凝土的渗透系数与空隙率、连通空隙率呈现正相关的关系,空隙率与连通空隙率对大空隙沥青混凝土渗透性能影响显著。对于连通空隙率Ve,首先测量试件的空气中重和水中重,再按照下式进行计算，即

(3)

(4)

其中，Ve为连通空隙率；V为试件体积;B为集料和封闭空隙的体积；A为试件空气中重;C为试件水中重。

表2 渗透系数测试结果

本研究采用自制渗水仪器测试了级配和压实程度2种因素对大空隙沥青混凝土的竖向及横向渗透系数,并控制水力梯度在0.03以内。各试件的空隙参数为空隙率与连通空隙率;渗透特性参数为竖向渗透系数与横向渗透系数,下节研究它们的相关关系。

3.1 不同级配大空隙沥青混凝土

为了研究级配变化对大空隙沥青混凝土的渗透特性,不同级配大空隙沥青混凝土的体积参数和渗透系数之间的关系如图3所示。

图3 级配变化时各渗透特性相关参数关系

从图3可以看出:

(1) 随着2.36 mm通过率的减小,大空隙沥青混凝土的空隙率和连通空隙率均变大,竖向渗透系数和横向渗透系数也均变大,基于本研究所采用的标准级配,增加3%细集料比减小3%细集料对大空隙沥青混凝土的体积参数和渗透特性的影响更大。

由此可见,在合适的级配范围内,减少2.36 mm筛孔通过率对大空隙沥青混合料渗透特性的影响逐步减弱。

(2) 大空隙沥青混凝土的体积参数空隙率、连通空隙率均与渗透系数间具有较好的正相关性,相比较而言,横向渗透系数与连通空隙率的相关性最好。

(3) 大空隙沥青混凝土的空隙率和连通空隙率的相关性较差,竖向渗透系数和横向渗透系数具有良好的正相关性。

3.2 不同压实程度大空隙沥青混凝土

不同压实程度下,各试件的渗透特性相关参数关系如图4所示。

图4 压实程度变化时各渗透特性相关参数关系

从图4可以看出:

(1) 与常识一致的是随着压实程度的加强,大空隙沥青混凝土的空隙率变小,渗透系数变小,相比较而言,压实程度的改变对连通空隙率的影响更大,对横向渗透系数的影响更大。

(2) 不同压实程度下,无论是空隙率还是连通空隙与大空隙沥青混凝土的渗透系数相关性均较差,随着空隙率的增加,空隙率对渗透系数的影响增加,如果欠压会显著增加其渗透特性,超压会略微减弱其渗透特性;对横向渗透系数的影响明显大于竖向渗透系数,鉴于空隙率和渗透系数之间的关系可知,在大空隙沥青混凝土逐步压密的过程中,横向空隙结构变化明显大于竖向空隙结构。

(3) 排水路面施工时的压实度一般小于100%,即欠压状态下,使用过程中在车辆荷载的反复作用下进一步压密,达到标准压实甚至超压状态,因此,排水路面开放交通一段时间后排水功能明显弱于开放交通初期。

(4) 不同压实程度下,空隙率和连通空隙率保持着良好的正相关性,可见大空隙沥青混凝土逐步压密过程中空隙率与连通空隙率等比例减小,相关关系式的斜率大于1,说明连通空隙率的减小比例大于空隙率。

4 结 论

本研究采用自行研发的能测试同一试件竖向、横向渗透系数的渗水装置,考虑大空隙沥青混凝土的级配组成及压实程度测试其渗透系数,与空隙参数相对比研究,主要得到如下结论:

(1) 本研究自行研制的渗透系数测试装置操作方法简便,能够测试同一试件的竖向渗透系数和横向渗透系数,测定的结果具有可靠的相关性,可以用来评价大空隙沥青混凝土及类似材料的渗透特性。

(2) 连通空隙率比空隙率与大空隙沥青混凝土的渗透特性有更好的相关性,其中连通空隙率与横向渗透特性相关性最好。

(3) 减少细集料的用量将增加大空隙沥青混凝土的空隙率、改善其渗透性能,但随着用量的减少,其改善效果逐渐减弱。

(4) 压实程度的改变对连通空隙率的影响比空隙率大,对横向渗透系数的影响比纵向渗透系数大,欠压会显著增加其渗透特性,超压会略微减弱其渗透特性,大空隙沥青混凝土路面开放交通早期会因为压密而明显降低其排水功能,后期的影响减弱。