高连通空隙特征的排水沥青混合料技术研究

黄 丰，刘沛荣，王灿升，邹 杰，农智雄

(1.广西六宾高速公路建设发展有限公司，广西 南宁 530400；2.中路交建(北京)工程材料技术有限公司，北京 100176)

0 引言

排水沥青混合料属于开级配，具有排水、降噪、抗滑的功能。在下雨天，雨水可通过路面内部连通空隙在横坡的作用下排至路侧排水沟中，从而减少传统沥青路面雨天积水产生雨水径流的问题，有效提高路面雨天行驶安全性[1-2]。在沥青混合料中空隙分开口空隙和闭口空隙两种，只有开口空隙中的连通空隙才是降低行车噪音，排出路面积水的关键因素[3]。郑帧等[4]研究了细集料级配对骨架沥青混合料空隙率的影响，得出0.15～0.3 mm粒径的集料填充对空隙率影响最大。肖晶晶等[5]以PAC-13为研究对象，研究了关键筛孔与空隙率之间的关系，最后得出结论：空隙率与2.36 mm筛孔通过率呈正比关系。李翔等[6]以排水沥青混合料为研究对象，研究了不同沥青种类以及集料的最大公称粒径对连通空隙的影响，得出在一定范围内沥青黏度越低，集料公称粒径越大连通空隙越高。康兴祥等[7]为通过对空隙进行细观研究，提出空隙等效直径、有效空隙率、空隙弯度等空隙指标，为之后研究空隙奠定基础。

综上已有的研究成果仅是针对空隙率的研究，对于连通空隙率研究较少，且有关连通空隙率与排水、抗滑、降噪的研究几乎没有，为更好控制连通空隙率，优化排水沥青路面配合比设计，以发挥排水沥青路面功能服务能力，本研究以PAC-10为研究对象，研究连通空隙率大小受什么因素影响，以及其与路面功能之间的相关性。

1 原材料

1.1 沥青结合料

排水沥青混合料使用的是高黏改性沥青，是在SBS改性沥青中添加8%HVA高黏改性剂制得[8]，其技术指标如表1所示。

表1 高黏改性沥青技术指标检测结果Tab.1 Test result of technical indicators of high viscosity modified asphalt

1.2 集料

试验中粗集料选择玄武岩。粗细集料指标见表2，表3所示。

表2 细集料技术指标检测结果Tab.2 Test result of fine aggregate technical indicators

表3 粗集料技术指标检测结果Tab.3 Test result of coarse aggregate technical indicators

1.2 矿粉

采用石灰岩矿粉，技术指标检测结果如表4所示。

表4 矿粉技术指标检测结果Tab.4 Test result of mineral powder technical indicators

2 试验

2.1 试验方案

本次试验对象为PAC-10，混合料最大公称粒径为9.5 mm，重点研究9.5，4.75，2.36，0.075 mm，这4个关键筛孔通过率与连通空隙率之间的关系，因研究因素较多选用正交试验方法[9]。每个因素考虑4个水平，选择L16(45)正交表试验方案如表5所示。试件最佳油石比通过析漏飞散试验确定，成型后分别测得每个试件的渗水系数，空隙率及连通空隙率分别用体积法和真空塑封法测得。

表5 所有的试验级配Tab.5 Test gradations

2.2 连通空隙测量方法

2.2.1 体积法

步骤：用卡尺测量马歇尔试件直径及高度。毛体积VDim计算公式如下：

(1)

式中，D为试件平均直径；H为试件平均高度；VDim为试件的体积法测得的毛体积。

2.2.2 真空塑封法

步骤：(1)将试件装入密封袋抽真空密封；(2)称取密封试件质量记为A；(3)将密封试件放入温度(25±1) ℃的水箱中称取水中重量记为B；(4)从水中将密封试件取出，剪开密封袋拿出试件，称取密封袋干燥质量记为C。毛体积VVac计算公式如下：

(2)

式中，A为密封试件干燥质量；B为密封试件水中质量；C为密封袋的干燥质量；F为密封袋的密度。

2.3 连通空隙率的测算

测量连通空隙率有两种方法，体积法计算见式(3)，真空密封法计算见式(4)[10-14]。

(3)

(4)

式中，V′为连通空隙率；VC为集料与封闭空隙的体积。

3 试验结果分析

3.1 空隙率及连通空隙率与渗水系数相关性

用第2节中两种试验方法测得每个级配的空隙率、连通空隙率以及渗水系数，数据如表6所示。

表6 所有的试验级配体积指标Tab.6 Test gradation volume indicators

根据上述试验结果，使用spss软件建立4种空隙率与渗水系数线性拟合模型，试验结果如表7～表9所示[15]。

表7 4种空隙率与渗水系数的线性拟合优度汇总Tab.7 Summary of linear fit goodnesses between 4 void ratios and water seepage coefficient

表8 模型的ANOVA检验结果Tab.8 ANOVA test result of model

表9 模型回归系数检验结果Tab.9 Test result of model regression coefficients

从表7中可以看出连通空隙率相较于空隙率与渗水系数相关系数R的平方更大，线性拟合程度更高，可知连通空隙率更能够反映排水沥青混合料的排水能力，其中体积法测得的连通空隙率与渗水系数拟合得到相关系数最大，R2=0.991，最能反映排水能力。

ANOVA检验是检验一个因素对另一个特征值影响程度，从而判断不同样本之间是否存在显著性差异，均方就是样本方差，统计量F是组间方差对组内方差的比值，在线性模型中，我们利用它进行模型级别的显著性检验。P值是衡量控制组与试验组差异大小的指标，其值越接近0回归模型越具有统计学意义，由表可知，4种测量方法P值均为零，有统计学意义。体积法连通空隙率计算得到的统计量F为1 568.55，数值最大，统计量越高说明两者回归效果越显著，可得体积法连通空隙率与渗水系数回归效果最显著。

T值的大小反映回归系数的优劣，T值越大回归系数的统计学意义就越大。体积法连通空隙率标准化系数为0.995，T值为39.605，均为最高。

4种空隙率与渗水系数线性模型：

体积法空隙率模型：

K=-2 296.884+348.872VVDim，R2=0.694。

真空塑封法空隙率模型：

K=-3 161.570+348.872VVVac，R2=0.719。

体积法连通空隙率模型：

K=-118.617+349.655VVDimeff，R2=0.991。

真空塑封法连通空隙率模型：

K=-154.970+351.831VVVaceff，R2=0.886。

将试验结果代入线性模型中，体积法连通空隙率模型相对误差最小，最具有实际效用。从试验结果中可以看出，真空塑封法测得的空隙率相较于体积法要小一些，且随着空隙的增加，差值变大，经分析认为，由于排水沥青混合料试件空隙大，表面会有凹陷，边角处会有部分损失，进而导致真空塑封法测得的毛体积偏小，故所得空隙率偏小。

3.2 空隙率与连通空隙率之间的关系

选用体积法测得的空隙率与连通空隙率的数据绘制点线图，并对数据进行回归，结果如图1所示。

图1 空隙率与连通空隙率关系Fig.1 Relationship between void ratio and connected void ratio

由图可以看出空隙率与连通空隙率在空隙率大于20%时，线性相关性良好，但当空隙率小于20%时，开始偏离拟合直线，分析原因认为空隙较小时，细集料易堵塞开口空隙，从而将空隙变为闭口空隙，导致连通空隙率的降低。

3.3 关键筛孔对连通空隙率的影响

以体积法测得的连通空隙率为应变量，以4.75，2.36，1.18，0.075 mm筛孔孔径为自变量，线性回归连通空隙率与各关键筛孔通过率，筛选变量选用前进法，当自变量达到3时终止，得到的回归方程如式(7)所示[16-18]。变量筛选回归过程如表10所示。

表10 前进法筛选变量逐步回归过程Tab.10 Stepwise regression process for screened variables by forward method

y=25.23-0.35P2.36(R2=0.485 27)，

(5)

y=30.78-0.35P2.36-0.002P4.75(R2=0.741 13)，

(6)

y=26.75-0.35P2.36-0.2P4.75+0.04P9.5(R2=0.753 05)。

(7)

从式中可以看出，2.36 mm筛孔通过率系数最大为0.35，其次是4.75 mm筛孔通过率系数为0.2，最后是9.5 mm筛孔通过率的系数为0.04。从式(7)中可知，确定了2.36 mm以及4.75 mm筛孔通过率，连通空隙率的大小就可以大概估算出来。从系数正负可知降低2.36 mm以及4.75 mm筛孔通过率，增加9.5 mm筛孔通过率可提高排水沥青混合料PAC-10的连通空隙率。

为此在对排水沥青混合料PAC-10进行设计时，首先考虑2.36 mm及4.75 mm筛孔通过率，依据目标连通空隙率在确定这两者之后调整其余筛孔通过率并通过性能验证。

3.4 连通空隙率对抗滑降噪的影响

排水沥青混合料不仅具有排出路表积水的作用，同时还兼具提高抗滑，降低噪音的能力，这主要源于其内部大空隙结构。但空隙的大小对其抗滑降噪能力呈现何种关系，还未明确。为此本节体积法测得的连通空隙率为控制因素，研究连通空隙率与抗滑降噪的相关性。

成型车辙试件，以摆式仪测得的摆值表征抗滑能力，以IMP-PI-SCT吸声系数测试仪在频率为800 Hz条件下测得的吸声系数表征降噪能力。依据表6的试验结果，优选连通空隙率从小到大差值在2%左右的5个级配成型车辙试件进行试验，试验结果见表11。

表11 连通空隙率与抗滑降噪关系Tab.11 Relationship between connected void ratio and anti-slip denoising

由表11可知，摆值及吸声系数都随着连通空隙率的增大而逐渐增大，说明抗滑及降噪效果随着连通空隙的增大而增大。分析原因认为连通空隙的增大，成型的车辙试件表面的构造深度将变大，从而汽车轮胎与路面的摩擦系数增大，路面抗滑能力得到提高；排水沥青路面的降噪主要是其内部空隙吸收轮胎噪音的结果，内部空隙的增多自然会增加其降噪效果。

由图2可知，摆值与吸声系数并不是与连通空隙率呈现线性关系，其增长速度随着连通空隙率的增加而逐渐下降，当连通空隙率超过18%之后增长速度下降明显，这表明并不是连通空隙越大越好。由目前工程经验知当连通空隙率超过18%，路面力学性能将显著下降，故建议将连通空隙率控制在18%左右。

图2 连通空隙率与抗滑降噪关系Fig.2 Relationship between connected void ratio and anti-slip denoising

4 结论

(1)通过回归分析，连通空隙率相较于空隙率与渗水系数相关性更大，其中体积法测得连通空隙率与渗水系数线性关系最好，最能反映路面的排水能力。

(2)空隙率与连通空隙率在空隙率大于20%时，线性关系良好，但当空隙率小于20%时，所得的值与拟合曲线开始出现偏移，线性关系变差。

(3)4.75 mm通过率以及2.36 mm的通过率是影响排水沥青混合料PAC-10最重要的两个因素。

(4)随着连通空隙率的增大，抗滑降噪效果也相应增大，但不是呈现完全的线性关系，当连通空隙率超过18%时，抗滑降噪能力增长速度将降低。