空隙堵塞状态下排水沥青混合料渗水性能衰变研究

贲梁良 李刚 李典 刘超

摘要：为研究排水沥青混合料在堵塞和车辆动载作用下渗水性能的衰变规律，以及清洗后渗水性能的恢复情况，文章采用室内模拟试验，以透水系数为指标对排水沥青混合料渗水性能衰变规律进行研究。结果表明：随着排水沥青混合料空隙率增加，其堵塞物敏感颗粒粒径随之增加，抵抗堵塞和击实作用能力越强；空隙率越大，排水沥青混合料经过清洗后的透水系数恢复效果越好；对比三种不同清洗方式对排水沥青混合料渗水性能的恢复效果，其中高压冲刷的清洗效果最佳，人工洗刷的效果最差；综合考虑不同空隙率试件的堵塞敏感颗粒粒径、抗堵塞能力、抗击实作用以及清洗后渗水性能恢复效果，推荐空隙率22%作为排水路面的设计空隙率，高压冲刷为路面的清洗方式。

关键词：排水路面；透水系数；空隙率；动载作用；清洗方式

中图分类号：U416.03   文献标识码：A

文章编号：1673-4874（2024）04-0028-05

0 引言

与目前公路上应用最广泛的密级配沥青混合料相比，排水沥青路面具有改善路表排水、有效减少积水造成的水雾和眩光等优势，同时也具有高抗滑性能、吸收噪音、降低路表温度等特点［1-2］。然而排水路面在运营过程中尘土、砂石和轮胎碎屑等污染物的堵塞以及车辆动载作用会导致其渗水性能严重衰减，这是制约排水沥青路面（PAC）大规模应用的主要原因［3］。

沥青混合料体积参数受级配和油石比影响，不同级配和油石比下，空隙空间分布形式和大小不同，对PAC初始排水性能和抗堵塞能力的影响也不同［4-5］。Liu［6］等通过室内降雨模拟器试验确定PAC的最终排水能力，发现除了路面空隙率以外，路面宽度和车道数量也是影响排水能力的一个重要因素。Yoo［7］通过车辙试验模拟荷载作用，研究了不同车辙深度与路面横向排水能力之间的关系，为PAC设计过程中考虑长期交通荷载作用打下理论基础。Liu［8］通过对PAC的长期观测，发现应急车道透水性最差，堵塞最严重，而车速高的行车道透水性更好。Wu［9］利用开发的降水模拟器、渗透性测量装置以及车辙试验，研究了PAC体积参数与透水性能之间的关系，并量化了路面透水性能与服役时间的关系。此外PAC常用的养护方式有高压水洗、真空泵吸以及人工扫刷等［10］。

综上所述，目前国内外多数研究都是考虑单一因素对PAC渗水性能的影响。对堵塞物粒径、车辆动载作用对PAC渗水性能影响研究较少，并且不同清洗方式对PAC渗水性能恢复效果的影响尚不明确。因此本文以PAC空隙率为变量，采用透水系数为评价指标，研究不同空隙率PAC的敏感颗粒粒径、车辆动载作用对PAC渗水性能的影响，以及人工洗刷、真空泵吸和高压冲刷对PAC渗水性能恢复效果的影响。

1 试验方案

1.1 排水沥青混合料的制备

本文以空隙率为变量，设计了3种不同空隙率的PAC-13沥青混合料，分别为18%、20%和22%，其配合比信息如表1所示。

1.2 评价指标与试验方法

本研究采用透水系数来评价排水路面的渗水性能，采用常水头马歇尔试件透水系数测量装置，试验步骤为：将不脱模的马歇尔试件置于装置的操作台上，马歇尔试件上表面朝上，将模具上部涂抹适量的凡士林，与仪器的套筒连接；打开仪器水龙头，将出水量调节至合适大小，使得上部的溢流口和下部的出水口水流保持稳定，试件上部和下部水头差保持稳定，并记录当前稳定的水头差；点击试验开始按钮，用量筒接取从换流阀流出的水（持续接取5 s）；记录量筒中的水量，并结合式（1）计算透水系数：

Crw=LQAh（t2-t1）（1）

式中：Crw——透水系数（cm/s）；

Q——渗透经过试件的水量（mL）；

t1、t2——测试的开始时间与结束时间（s）；

L——试件高度（cm）；

A——试件的横截面面积（cm2）；

h——水头高度（cm）。

[=XDL（]空隙堵塞状态下排水沥青混合料渗水性能衰变研究/贲梁良，李 刚，李 典，刘 超

1.3 堵塞敏感性颗粒试验方法

堵塞物粒径太粗或太细对路面的堵塞效果有限，根据相关研究［11］，当堵塞物粒径＜0.075 mm时，几乎不会对路面造成堵塞；当粒径＞4.75 mm时，堵塞物无法进入路面内部空隙。所以选取0.075～4.75 mm的细集料，其组成如表2所示。

将表2中的堵塞材料分三次均匀撒布在试件表面，适当震荡试件后在其表面均匀洒水1 000 mL，并收集从试件滤出的水。烘干滤出试件颗粒至恒重后进行筛分；每次试验完毕后，用毛刷收集未进入试件的颗粒，烘干至恒重后筛分。将各档料的总质量减去未进入试件和滤出试件的颗粒质量即可得到堵塞在试件内颗粒的质量。

1.4 车辆动载模拟参数确定

本研究在室内采用马歇尔击实仪模拟行车荷载，参考车辙试验的加热条件，先将试件在60 ℃的烘箱内加热5 h以上，并使用击实仪进行0～30次的击实，以5次为间隔，来模拟车辆动荷载作用［12］。同时，在试件上分别撒布0 g、5 g、10 g、15 g、20 g的堵塞物分别进行试验，每击实5次后测定其透水系数。

1.5 循环堵塞-清洗试验方法

为模拟PAC在服役过程中的实际工况，采用循环堵塞-清洗的试验方法，测定试件的初始透水系数后；在试件表面撒布5 g堵塞物，并在试件表面均匀洒水1 000 mL，测定试件透水系数，对试件清洗后再次测定试件透水系数。以此为1个循环，一共进行6个循环，直至堵塞物撒布量达到30 g为止。采用透水系数保有率评价清洗后渗水性能的恢复效果，计算如式（2）所示：

γ=CnC0×100%（2）

式中：γ——透水系数保有率（%）；

C0——初始透水系数（cm/s）；

Cn——循环n次后的透水系数（cm/s）。

清洗方式有人工洗刷、真空泵吸和高压冲刷。人工洗刷为使用毛刷将试件表面肉眼可见的颗粒刷除；真空泵吸为使用吸尘器在试件表面抽吸2 min；高压冲刷是使用高压水枪冲洗2 min。

2 试验结果及分析

2.1 堵塞敏感颗粒分析

下页图1为不同空隙率PAC-13试件堵塞颗粒的分布情况曲线图。观察发现，随着堵塞物粒径的增大，表面残留颗粒的比例也相应上升。当粒径超过0.6 mm的堵塞物进入PAC试件内部后几乎不会随水流流出，这部分堵塞物将会留在PAC内部对空隙造成堵塞，影响路面渗水性能。随着空隙率的增加，滤出0.15～0.3 mm颗粒的比例逐渐增大，说明具有较大空隙率的PAC路面有更好的抗堵塞性能。

比较不同空隙率的堵塞敏感性颗粒粒径分布可知，0.075～1.18 mm粒径范围内的堵塞物是造成空隙率为18%和20%的PAC试件堵塞的主要粒径，其中0.075～0.15 mm对两者的影响最大，残留在试件内部的比例分别为82.13%和79.73%。对于空隙率为22%的PAC试件，0.6～1.18 mm的堵塞物对其影响最大，残留在试件内部的比例为80.79%。基于前人研究［13-14］，粒径小于0.3 mm的堵塞物占总堵塞物的绝大多数，所以空隙率为22%的PAC路面在实际工况下具有更好的抗堵塞能力。

2.2 模拟车辆动载作用下PAC渗水性能变化

下页图2是未经堵塞的PAC试件透水系数随击实的变化情况曲线图，从图2可以看出，PAC的透水系数随击实次数的增加而衰减。空隙率为18%和20%的PAC试件随击实次数增加，其透水系数衰减呈先快后慢的趋势，并且在击实次数由25次增加至30次时，两者的透水系数呈现骤降趋势。22%空隙率的PAC试件的透水系数下降速度大于空隙率为18%和20%的PAC试件，且衰减趋势近似线性，没有呈现出先快后慢的趋势。对PAC试件击实，实际就是压缩试件内部的空隙，因此导致试件的透水系数衰减。对于空隙率为18%和20%的PAC试件，初始状态下试件的空隙较大，结构比较容易被压缩，所以试件透水系数衰减速度快，随着击实次数的增加，空隙难以被压缩，导致试件透水系数衰减速度减缓，但是随着击实次数的持续增加，导致试件内部的空隙结构被破坏，造成透水系数骤降。对于空隙为22%的PAC试件，其内部空隙丰富，空隙等效直径大，导致其透水系数在动载作用下并没有呈现明显的先快后慢的趋势，也没有出现透水系数骤降的情况。

统计3种空隙率的PAC试件在不同堵塞程度下随击实次数的增加，其透水系数变化规律如图3所示。由图3可知，在相同空隙率的情况下，随着堵塞程度加剧，路面透水系数下降速度有减缓趋势，这与前文中空隙越大越容易被压缩的观点一致。在20 g堵塞物的堵塞状态下，空隙率18%和20%的PAC试件在击实30次后，透水系数已经＜0.05 cm/s，几乎失去排水能力。空隙率22%的PAC试件在20 g堵塞状态下，击实次数达到30次后，其透水系数仍有0.3 cm/s左右，具备一定的排水能力，说明空隙率22%的PAC试件可以更好地抵抗堵塞和击实作用。

2.3 循环堵塞-清洗对PAC渗水性能恢复的影响

下页图4为PAC试件在循环堵塞-清洗过程中，采用不同清洗方式的透水系数变化趋势图。从图4可以看出，随着循环堵塞次数的增加18%和20%空隙率试件的透水系数衰减趋向平缓，而22%空隙率的透水系数衰减速率并没有减慢的迹象。以图4中（c）（f）（i）高压冲刷为例，试件在每次被堵塞后进行高压冲刷，其渗水性能可以恢复一部分，不同空隙率试件的恢复程度不同。以图4中（a）～（f）为例，经过6个循环堵塞-清洗后，18%和20%空隙率的PAC试件透水系数相差微小，这表明清洗方式对透水系数的影响并不显著。可能的原因在于，当空隙率较小时，试件的等效空隙直径相应减小，内部结构变得复杂，使进入试件内部的污染物难以清除，导致三种清洗方式只能清除试件表面的堵塞物，所以对于透水系数的恢复影响较为有限。对于22%空隙率的PAC试件，在循环结束后，采用人工洗刷、真空泵吸和高压冲刷的透水系数分别为0.152 cm/s、0.204 cm/s、0.244 cm/s。说明对于22%空隙率的PAC试件，高压冲刷的清洗效果最佳，人工洗刷的效果最差。这是由于人工洗刷只能作用于试件表面，对于进入试件内部的污染物无法清除，因此恢复效果较差。而使用高压冲刷时，试件内部的污染物可以在高压水流的作用下被冲出试件，透水系数的恢复效果较好。

图5为循环堵塞-高压冲刷下空隙率对PAC渗水系数保有率γ的影响趋势图。由图5可知，在相同循环次数下，随着空隙率的增加，试件的透水系数保有率也在增大。在循环结束后，22%空隙率PAC保有率为32.23%，而空隙率为18%和20%的PAC保有率分别为15.94%和22.70%，说明随着空隙率增加，高压冲刷对试件透水系数恢复效果加强。这是因为空隙率越大，其内部的等效空隙直径越大［15］，堵塞物进入试件后更加容易被排出，所以空隙率越大，清洗后PAC的透水系数恢复效果越好。

3 结语

（1）随着空隙率增加，PAC试件的堵塞敏感颗粒粒径增加。空隙率为18%和20%的PAC试件，0.075～0.15 mm范围内的颗粒是造成其堵塞的关键粒径；空隙率22%的PAC试件其堵塞敏感颗粒粒径为0.6～1.18 mm。

（2）空隙率越大，在击实作用下，PAC试件的渗水性能衰减越快；空隙率为22%的PAC试件可以更好地抵抗击实和堵塞作用。

（3）空隙率越大的PAC试件经过清洗后，透水系数恢复效果越好；对于空隙率为18%和20%的PAC试件，不同清洗方式对其渗水性能恢复效果影响不大；空隙率为22%的PAC试件，高压冲刷的清洗效果最佳，人工洗刷的效果最差。

（4）综合考虑不同空隙率PAC试件的堵塞敏感颗粒粒径、抗堵塞能力、抗击实作用以及清洗后渗水性能恢复效果，推荐空隙率22%作为排水路面的设计空隙，高压冲刷为路面的清洗方式。

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基金项目：广西住建厅科学技术计划项目“赤泥钢渣沥青混合料的性能研究及其在市政道路中的应用研究”（桂建函〔2020〕783号）

作者简介：贲梁良（1990—），工程师，主要从事道路工程研究工作。