多孔沥青混合料最佳设计空隙率研究

王 伟

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

多孔沥青混合料（Porous asphalt,PA）由于其独特的透水、降噪及高抗滑等功能特征在国外得到了广泛的应用。但目前在我国的工程应用还十分有限，限制其发展的主要原因是其大空隙结构导致的易松散剥落，为了解决该问题国内外的研究人员先后开发研究了多种高黏改性沥青。徐世国等人采用SINOTPS改性剂制备改性沥青并铺筑了PA路面试验段，结果表明该种改性剂能够保证路面有较好的高低温及耐久性能[1]。谢泽华等人研制了橡胶复合改性高黏沥青并将其应用于炎热地区，研究显示该沥青比常用高黏沥青性能更好且适用于炎热地区[2]。袁东东等人将SBS、橡胶以及高黏沥青的流变性能进行了对比研究，研究认为高黏沥青的高低温性能最优[3]。此外，朱旭伟还研究了PA的空隙堵塞特征及堵塞物的关键粒径，并认为0.15～2.36 mm粒径范围内的堵塞物颗粒是造成PA试件堵塞的关键粒径[4]。肖晶晶等人研究了集料关键筛孔与PA空隙率的关系，结果显示2.36 mm与4.75 mm集料含量对PA空隙率影响最为明显[5]。章泽宇等人总结了PA的净化雨水效果及其机理，雨水在PA结构内的下渗过程中会由于过滤、吸附及截留等作用而被净化[6]。然而目前的研究比较注重其单一功能，还未能考虑基于PA的功能与性能平衡的设计方法。因此本文将考虑PA主要的功能特征及其路用性能，综合其功能及性能的基础上推荐合适的空隙率范围，以便于指导工程实践。

1 材料及技术指标

1.1 沥青

PA由于具有大空隙，在早期的使用过程中可能会出现较严重的石料松散和剥落现象。为了改善PA的路用性能，本文采用TPS高黏改性剂对基质沥青进行改性，主要技术指标如表1所示。

表1 高黏改性沥青的性质

1.2 级配选择

PA主要应用于沥青路面表面层，《排水沥青路面设计与施工技术规范》（JTG/T 3350-03—2020）中推荐了PA-05、PA-10、PA-13、PA-16、PA-20五个级配类型。本研究选择PA-13级配类型为研究对象。由于2.36 mm集料的通过率直接影响合成级配的空隙率，根据规范推荐并主要对2.36 mm集料通过率进行调整，空隙率按16%、18%、20%、22%、24%的PA-13进行设计，其级配曲线如图1所示。粗集料采用玄武岩，细集料采用石灰岩，其性质如表2所示。

图1 PA的合成级配

表2 粗、细集料技术指标

1.3 多孔沥青混合料设计方法

多孔沥青混合料设计方法采用马歇尔配合比设计方法[7]，通过析漏试验确定最大沥青用量并利用飞散试验确定最小沥青用量，如图2所示。

图2 最佳沥青用量的确定方法[7]

通过室内试验，确定了上述5种级配的最佳沥青用量分别为5.2%、5.0%、4.9%、4.6%、4.3%。根据室内试验数据可知，随着PA-13空隙率的增大，最佳沥青用量逐渐减少。这是因为PA-13空隙率增大的本质是细集料的减少，并且细集料具有相对较大的比表面积，空隙率增大的同时混合料的表面积减小，假设沥青膜厚度一致，即直接导致了最佳沥青用量的减小。

2 多孔沥青混合料抗滑与透水性分析

2.1 多孔沥青混合料抗滑性能

2.1.1 抗滑性能测试方法

PA-13由于具有较大空隙结构而导致其表面的构造深度较深，对于密级配混合料一般采用铺砂法测试构造深度，然而PA-13的空隙结构存在较多的连通空隙，使用铺砂法并不能达到测试效果。因此，本文采用三维激光扫描仪测试PA-13的表面宏观构造。同时使用摆式摩擦仪测试混合料表面的摩擦系数。

2.1.2 空隙率对抗滑性能的影响

通过室内试验研究了不同空隙率条件下的PA-13表面的抗滑性能，试验结果如图3所示。

图3 抗滑性能变化趋势

由图3可知，随着PA-13空隙率的增大，其表面的构造深度也不断增大，并且当空隙率小于20%时增长较快而大于20%时增长相对缓慢。PA-13表面的摆值也随空隙率的增大而增大，其趋势与构造深度的变化相似，在空隙率由20%增大至24%的过程中变化缓慢，但两者均在空隙率为24%时达到最大。

2.2 多孔沥青混合料透水性能

2.2.1 透水性能测试方法

PA-13的透水性能可分为横向透水和纵向透水，横向透水性能主要是面向单层多孔沥青路面，其功能是将水分横向排到道路两侧。而纵向透水性能是适用于全透式沥青路面将水分沿路面各个结构层向下渗透。本研究使用变水头测试方法研究不同空隙率的PA-13在无侧限条件下的横向与纵向透水性能以及有侧限条件下的纵向透水性能。其透水性能评价指标采用单位时间内的透水量，即记录多孔沥青混合料在每个30 s过程中的总透水量，然后计算平均透水速度。

2.2.2 空隙率对透水性能的影响

不同空隙率PA-13的纵向与横向的透水率试验结果如图4所示。

图4 空隙率与透水性能的关系

由图4可知，当PA-13空隙率从16%增大至18%时，PA-13的纵向透水率与横向透水率均随之增大，而且横向透水率增大迅速且在18%时大于纵向透水率。这是由于空隙率增大时混合料内部的横向空隙连通效果得到进一步提高，并且混合料内部的纵向连通空隙并不是垂直的，因此水分在混合料内部是曲折的流动状态导致横向透水效果优于纵向透水。当然这种结果的出现与混合料的厚度存在一定联系，混合料越厚横向透水效果可能越显著。当PA-13空隙率大于18%时，纵向透水率与空隙率基本呈现正相关而横向透水率与其呈现负相关。这是由于空隙率的进一步增大导致了空隙直径增大，水分在重力作用更易向下流动，虽然PA-13的横向空隙也在增大但其纵向空隙及其连通率对透水的影响更加显著。

图4反映了PA-13在水分流动同时纵横向的透水效果，而对于透水型沥青路面应关注其纵向透水率，因此本文对车辙板试件四周进行了密封并测试了其纵向透水率。试验结果如图5所示。

图5 空隙率对纵向透水率的影响

根据图5可以看出，在有侧限的条件下PA-13的纵向透水率随空隙率的增大而增大，并且当空隙率由18%增大至20%时其增速十分明显，这是由于当空隙小于18%时PA-13内部的连通空隙状态较差，而当空隙率增大时不仅其空隙直径增大且其内部的空隙连通程度也随之增大。但空隙率增大至20%以后时PA-13纵向透水率增速逐渐放缓，表明空隙率的增大对其内部的连通影响逐渐减小。

3 空隙率对路用性能的影响

PA-13作为一种新型的路面材料，除了应该达到一定的功能特性还应保证其路用性能满足要求。

3.1 高温性能

在室内制备了不同空隙率的PA-13车辙试件，通过车辙试验测试混合料的高温性能，温度为60℃，试验结果如图6所示。

图6 动稳定度的变化趋势

由图6可知，PA-13的高温性能受空隙率的影响，但其稳定度均在5 000次/mm以上，说明PA-13的高温性能在一定的空隙范围内表现较好。这主要是由于PA-13是骨架空隙结构，粗集料之间的嵌挤作用形成了较好的骨架强度，因此PA-13的高温性能表现更好。可以看出稳定度随空隙的增大先增大后减小，这是由于细料较多时难以形成骨架，而空隙较大时其骨料之间相互推挤嵌挤效果较差。因此，PA-13的抗车辙性能在空隙率为20%时效果最佳。

3.2 低温性能

在室内制备了不同孔隙率的PA-13车辙试件并切割成小梁试件，通过低温弯曲试验测试混合料的低温性能，温度为-10℃。在本文中采用应变能评价混合料的低温性能，试验结果如图7所示。

图7 低温性能变化趋势

根据图7可知，PA-13的低温性能随着空隙率的增大近似直线下降，由此表明空隙率对PA-13低温性能影响十分明显。这是由于随着空隙率的增大，PA-13内部的集料接触面积减小，在低温弯曲的过程中更易形成应力集中而导致破坏。因此为了PA-13的低温性能应控制空隙率处于一定的范围之内。

综合上述PA-13路表的抗滑、排水功能以及高低温性能等试验结果，综合推荐PA-13的空隙率应控制在18%～20%之间，此范围既能达到一定的抗滑排水功能特性又能够满足路用性能要求。

4 结论

a）本文在功能方面仅考虑排水和抗滑，后续可以针对不同的地区综合选择降噪、抗滑、透水以及净化雨水等功能进行材料组成均衡设计。

b）PA-13的抗滑和排水性能随空隙率增大而提高，并且PA-13的纵横向排水性能存在明显差异，对于透水和排水路面的透水设计时应明确透水方向。

c）PA-13的高温性能受空隙率影响但其整体抗车辙性能较好，其低温性能随空隙率增大而不断减小，说明空隙率对PA-13的低温性能影响更为明显。

d）为了减少在工程应用时比较多种空隙率而导致的繁多级配设计，在考虑PA-13抗滑、透水功能以及混合料高低温性能的基础上推荐PA-13采用空隙率为18%～20%作为设计空隙率。