大空隙瀝青混凝土空隙參數(shù)與滲透特性相關性

馬 翔, 戎漢誠， 周培圣, 王炯月, 王紅祥

(1.南京林業(yè)大學 土木工程學院,江蘇 南京 210037; 2.江蘇現(xiàn)代路橋有限責任公司,江蘇 南京 210049)

大空隙瀝青混凝土因其良好的表面功能特性已經(jīng)逐步在瀝青路面建設過程中得到推廣應用,尤其在“海綿城市”理念提出后,大空隙瀝青混凝土已經(jīng)成為道路工程界的研究熱點[1-3]。大空隙瀝青混凝土在路面材料中的主要技術優(yōu)勢是其優(yōu)良的排水功能,這種排水功能使雨水通過路面體內排出或收集,在雨天路表無水膜,提高行車安全。大空隙瀝青混凝土的排水功能與其滲透特性密切相關,為了掌握大空隙瀝青混凝土的排水功能優(yōu)劣需要研究其滲透特性。

大空隙瀝青混凝土的滲透特性受到組成設計、施工及運營過程中各種內、外部因素的影響。研究[4-6]表明混凝土內部空隙率對滲透性能影響最大,而關鍵篩孔通過率是影響排水性瀝青混凝土空隙率的重要因素[7],此外施工過程中的壓實度、運營過程中的壓密等都會影響大空隙瀝青混凝土的滲透特性。在滲流力學中,多孔介質的滲透特性用滲透系數(shù)來表征[8],國內外測量滲透系數(shù)的儀器多為自制,文獻[9]采用自制儀器測量了瀝青混凝土的豎向滲透系數(shù),發(fā)現(xiàn)其結果與橫向滲透系數(shù)一致;文獻[10]對橫向及豎向滲透系數(shù)采用了2種不同的裝置測量,發(fā)現(xiàn)橫向滲透系數(shù)明顯大于豎向滲透系數(shù),相關研究結果不具一致性,這種自制的儀器只能測試單向的滲透系數(shù),橫、豎向滲透系數(shù)采用不同方法成型試件且測試儀器不同影響了測試結果對比關系的可靠性。

為了可靠研究大空隙瀝青混凝土滲透特性的影響情況,本文使用自制滲水儀器測定滲透系數(shù)。該滲水儀能對同一試件進行橫向和豎向滲透系數(shù)測定,克服了不同設備、不同試件分別測試橫向、豎向滲透系數(shù)所帶來的誤差,基于測試結果對比分析了大空隙瀝青混凝土空隙率對其滲透特性的影響程度。

1 滲透系數(shù)測試方法

滲透系數(shù)又稱為水力傳導系數(shù),表示流體在空隙骨架中流動的難易程度。水流速度較慢時,在水頭差的作用下,斷面的滲透平均速度與水力坡度成正比,即為達西(Darcy)定律:

v=ki

(1)

其中,v為水的平均滲透系數(shù);k為滲透系數(shù);i為水力坡度。

室內滲透系數(shù)測試儀器通常分為常水頭滲透儀和變水頭滲透儀,常水頭法適用于滲透系數(shù)較大的砂類土等材料,滲透系數(shù)一般大于10-2cm/s;變水頭法一般用于測定滲透性能差、流量較小難測定的材料,滲透系數(shù)一般小于10-3cm/s。對于大空隙瀝青混凝土,其滲透系數(shù)一般在1×10-2cm/s以上,因此采用常水頭方法進行測試[11]。

1.1 滲透系數(shù)測試裝置

本研究采用的滲透系數(shù)測試裝置參照文獻[10]中滲透儀進行改進,可對同一個試件分別測量其豎向和橫向滲透系數(shù),操作簡單、方便,模具與鋼板之間由螺栓連接,自制的儀器所成型的瀝青混凝土的規(guī)格是150 mm×150 mm×150 mm的立方體,試件成型于模具中,采用液壓千斤頂靜壓,如圖1所示。

圖1 滲水儀器示意圖

1.2 測試方法

該滲透裝置主要由不銹鋼板制成,試驗過程中試件密封于滲透儀內,為保證試件與模具之間完全密封,采用RTV室溫固化硅橡膠加涂于螺栓與模具上。

滲透系數(shù)試驗首先要保證試件的水流狀態(tài)滿足達西定律的范圍,即水流保證層流狀態(tài),文獻[10]在前人已有成果及大量試驗分析的基礎上提出,對于大空隙瀝青混凝土,其合理水力梯度應不大于0.03,故本研究將水力梯度控制在0.03(對應本研究的水位高差為4.5 mm)以下。

測試步驟如下:① 準備。首先將稱量好的大空隙瀝青混凝土稱量倒入試模中,用壓力機進行靜壓壓實,制成150 mm×150 mm×150 mm的試件。② 豎向滲透流量測量。待試件冷卻1 d后,拆卸底板及相應的配套螺栓,不脫模,裝上橡膠墊及上下蓋,做好密封處理,通過進水箱的位置來改變水頭差,測量相應的豎向滲透系數(shù),待水頭差穩(wěn)定,記錄流經(jīng)試件的水流量和時間。③ 豎向滲透系數(shù)計算。對記錄的水流量和試件數(shù)據(jù)按照(2)式進行計算。④ 橫向滲透流量測量。在測量完豎向滲透流量后,拆下上下蓋及中隔鋼板,裝好上、下密封鋼板,通過改變進水箱的位置來改變水頭差,待水頭差穩(wěn)定,記錄流經(jīng)試件的水流量和時間。⑤ 橫向滲透系數(shù)計算。對記錄的水流量和試件數(shù)據(jù)按照(2)式進行計算橫向滲透系數(shù)。

滲透系數(shù)k計算公式如下:

(2)

其中，Q為單位時間滲流量;k為滲透系數(shù);A為斷面面積;Δh為水位高差高差;l為水流經(jīng)長度,ρw為水的密度。

1.3 有效性驗證

研究過程中為了驗證滲水儀測試結果的有效性,基于文獻[10]的研究成果,首先對不同水力梯度下目標空隙率為20%的PAC-13瀝青混合料豎向滲透系數(shù)、橫向滲透系數(shù)進行測試,測試結果如圖2所示。

圖2 水力梯度與滲水系數(shù)的關系

從圖2可以看出,當水力梯度不大于0.03時,其滲透系數(shù)隨水力梯度的變化區(qū)別較小,可見流速與水力梯度之間呈線性關系,滿足Darcy定律,這與已有研究成果具有較好的一致性。

與此同時,采用本測試裝置,在水頭差為10 cm的條件下測試了密級配瀝青混合料AC-13在60 min的滲水量,其中豎向滲水量為259 g,橫向滲水量為97 g。假定其滿足達西定律,則橫向滲水系數(shù)為1.8×10-4cm/s,豎向滲水系數(shù)為4.8×10-4cm/s,由此可見,密級配瀝青混合料基本不滲水,與此同時也驗證了滲水裝置的密水性良好。

2 不同因素大空隙瀝青混合料設計

本研究以典型的大空隙瀝青混凝土PAC-13為研究對象,基準試件所采用的原材料如下:瀝青采用高黏瀝青,集料為玄武巖集料,礦粉為石灰?guī)r礦粉,研究之初首先對各種原材料性能進行檢測,均滿足技術規(guī)范的要求?；诨鶞试嚰?模擬分析內外部因素變化對大空隙瀝青混凝土滲透系數(shù)的影響情況,其中內部因素為級配的改變,外部因素為壓實程度的變化。

2.1 不同級配混合料設計

已有相關研究成果表明[12],在大空隙瀝青混凝土PAC-13中2.36 mm通過率對其空隙率影響最為顯著,為此,在基準試件的基礎上(編號II),結合其級配范圍,通過±3%機制砂(0～3 mm)用量考慮級配對大空隙瀝青混凝土滲透特性的影響,具體組成見表1所列。

表1 大空隙瀝青混合料組成設計

為減小級配誤差對試驗結果的影響,研究過程中大空隙率瀝青混合料配料時，基于表1中的合成級配按照單一粒徑逐一抓配。

2.2 不同壓實程度混合料設計

研究過程中,為模擬排水性瀝青路面施工時壓實度的差異以及使用過程中車輛壓密對其滲透特性的影響,在基準試件的基礎上又設計了2種體積相同(同一試模)質量不同的試件進行滲透系數(shù)試驗,一種是在基準試件的基礎上增加3%混合料質量,其體積法測得的密度增加3%,空隙率相應減小,模擬使用過程中的壓密或施工時的超壓,記為試件Ⅳ;另一種是在基準試件的基礎上減少3%質量,模擬施工時的欠壓,記為試件Ⅴ。

3 大空隙瀝青混凝土滲透特性分析

在滲透系數(shù)測試過程中,保持水頭梯度小于0.03,即本研究的水頭差在4.5 mm以內滿足達西定律。5組試件實測空隙率、滲透系數(shù)等參數(shù)匯總見表2所列。分別采用體積法、表干法測定空隙率,由于大空隙的存在使得表干法所得數(shù)據(jù)誤差較大,表2中空隙率為體積法所測得。文獻[13]認為瀝青混凝土的滲透系數(shù)與空隙率、連通空隙率呈現(xiàn)正相關的關系,空隙率與連通空隙率對大空隙瀝青混凝土滲透性能影響顯著。對于連通空隙率Ve,首先測量試件的空氣中重和水中重,再按照下式進行計算，即

(3)

(4)

其中，Ve為連通空隙率；V為試件體積;B為集料和封閉空隙的體積；A為試件空氣中重;C為試件水中重。

表2 滲透系數(shù)測試結果

本研究采用自制滲水儀器測試了級配和壓實程度2種因素對大空隙瀝青混凝土的豎向及橫向滲透系數(shù),并控制水力梯度在0.03以內。各試件的空隙參數(shù)為空隙率與連通空隙率;滲透特性參數(shù)為豎向滲透系數(shù)與橫向滲透系數(shù),下節(jié)研究它們的相關關系。

3.1 不同級配大空隙瀝青混凝土

為了研究級配變化對大空隙瀝青混凝土的滲透特性,不同級配大空隙瀝青混凝土的體積參數(shù)和滲透系數(shù)之間的關系如圖3所示。

圖3 級配變化時各滲透特性相關參數(shù)關系

從圖3可以看出:

(1) 隨著2.36 mm通過率的減小,大空隙瀝青混凝土的空隙率和連通空隙率均變大,豎向滲透系數(shù)和橫向滲透系數(shù)也均變大,基于本研究所采用的標準級配,增加3%細集料比減小3%細集料對大空隙瀝青混凝土的體積參數(shù)和滲透特性的影響更大。

由此可見,在合適的級配范圍內,減少2.36 mm篩孔通過率對大空隙瀝青混合料滲透特性的影響逐步減弱。

(2) 大空隙瀝青混凝土的體積參數(shù)空隙率、連通空隙率均與滲透系數(shù)間具有較好的正相關性,相比較而言,橫向滲透系數(shù)與連通空隙率的相關性最好。

(3) 大空隙瀝青混凝土的空隙率和連通空隙率的相關性較差,豎向滲透系數(shù)和橫向滲透系數(shù)具有良好的正相關性。

3.2 不同壓實程度大空隙瀝青混凝土

不同壓實程度下,各試件的滲透特性相關參數(shù)關系如圖4所示。

圖4 壓實程度變化時各滲透特性相關參數(shù)關系

從圖4可以看出:

(1) 與常識一致的是隨著壓實程度的加強,大空隙瀝青混凝土的空隙率變小,滲透系數(shù)變小,相比較而言,壓實程度的改變對連通空隙率的影響更大,對橫向滲透系數(shù)的影響更大。

(2) 不同壓實程度下,無論是空隙率還是連通空隙與大空隙瀝青混凝土的滲透系數(shù)相關性均較差,隨著空隙率的增加,空隙率對滲透系數(shù)的影響增加,如果欠壓會顯著增加其滲透特性,超壓會略微減弱其滲透特性;對橫向滲透系數(shù)的影響明顯大于豎向滲透系數(shù),鑒于空隙率和滲透系數(shù)之間的關系可知,在大空隙瀝青混凝土逐步壓密的過程中,橫向空隙結構變化明顯大于豎向空隙結構。

(3) 排水路面施工時的壓實度一般小于100%,即欠壓狀態(tài)下,使用過程中在車輛荷載的反復作用下進一步壓密,達到標準壓實甚至超壓狀態(tài),因此,排水路面開放交通一段時間后排水功能明顯弱于開放交通初期。

(4) 不同壓實程度下,空隙率和連通空隙率保持著良好的正相關性,可見大空隙瀝青混凝土逐步壓密過程中空隙率與連通空隙率等比例減小,相關關系式的斜率大于1,說明連通空隙率的減小比例大于空隙率。

4 結 論

本研究采用自行研發(fā)的能測試同一試件豎向、橫向滲透系數(shù)的滲水裝置,考慮大空隙瀝青混凝土的級配組成及壓實程度測試其滲透系數(shù),與空隙參數(shù)相對比研究,主要得到如下結論:

(1) 本研究自行研制的滲透系數(shù)測試裝置操作方法簡便,能夠測試同一試件的豎向滲透系數(shù)和橫向滲透系數(shù),測定的結果具有可靠的相關性,可以用來評價大空隙瀝青混凝土及類似材料的滲透特性。

(2) 連通空隙率比空隙率與大空隙瀝青混凝土的滲透特性有更好的相關性,其中連通空隙率與橫向滲透特性相關性最好。

(3) 減少細集料的用量將增加大空隙瀝青混凝土的空隙率、改善其滲透性能,但隨著用量的減少,其改善效果逐漸減弱。

(4) 壓實程度的改變對連通空隙率的影響比空隙率大,對橫向滲透系數(shù)的影響比縱向滲透系數(shù)大,欠壓會顯著增加其滲透特性,超壓會略微減弱其滲透特性,大空隙瀝青混凝土路面開放交通早期會因為壓密而明顯降低其排水功能,后期的影響減弱。