瀝青混合料滲透性研究

■江 溹 桂 甜

(江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，南昌 330103)

1 引言

隨著我國十三五道路規(guī)劃的落實，國內(nèi)各高速公路與國省道公路建設(shè)項目增多。 隨之瀝青路面病害也不斷發(fā)生， 瀝青路面災(zāi)害已成為相關(guān)工作者的主要研究問題[1]。相關(guān)研究表明水侵害是瀝青路面主要病害， 瀝青混合料的滲透性能成為解決瀝青路面病害的決定性因素[2]。研究有哪些因素影響瀝青混合料滲透性能及影響機理可為瀝青路面病害防治提供指導(dǎo)。

本文為了研究各因素對瀝青混合料滲透性能的影響關(guān)系， 設(shè)計相應(yīng)試驗。 選取瀝青針入度、 瀝青占比、2.36mm 篩孔通過百分比、0.075mm 篩孔通過百分比、級配最大粒徑與空隙百分比等6 個影響因素， 借助灰色關(guān)聯(lián)理論，計算各自的灰色關(guān)聯(lián)度。分析其影響程度并深度挖掘影響機理，力求指導(dǎo)工程實踐。

2 試驗設(shè)計

2.1 原材料介紹

試驗瀝青選擇AH-70 號(I)、AH-70 號(II)與SBS 改性瀝青，集料選擇石灰?guī)r，填料選擇石灰?guī)r礦粉，各原材料的各性能參數(shù)檢測值記錄在表1 與表2。

2.2 試驗方案設(shè)計

根據(jù)之前研究成果[3-4]，主要分析瀝青針入度、瀝青占比、2.36mm 篩孔通過百分比、0.075mm 篩孔通過百分比、級配最大粒徑與空隙百分比6 個變化因素的影響作用。其中瀝青針入度設(shè)置7.2mm、6.9mm、5.7mm3 種， 瀝青用量占比利用馬歇爾試驗標(biāo)定。 礦料級配種類包括AC-13.0、AC-16.0、AC-20.0、SMA-13.0 等4 種。 單個種類級配選用2 條級配曲線，具體情況見圖1。 各級配曲線全部達到相應(yīng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。空隙百分比通過表干法檢測獲得，基質(zhì)瀝青混合料相對密度理論最大值通過真空密封法檢測獲得， 改性瀝青混合料相對密度理論最大值通過計算法檢測獲得。

表1 試驗所用瀝青各性能指標(biāo)檢測值

表2 集料各相對密度的檢測值

圖1 各級配曲線對比圖

在本文研究中選擇自制變水頭滲透儀， 選用未脫模馬歇爾試件來進行試驗， 這樣可以有效減少材料用量和工作強度。 借助防水涂層與未脫模方式來降低側(cè)邊滲水現(xiàn)象的發(fā)生。

2.3 滲透試驗介紹

制備馬歇爾試驗樣品， 其規(guī)格為直徑64mm、 高為102mm 的圓柱體。 首先在模具內(nèi)側(cè)涂抹均勻的一層防水涂層，然后利用自主研制的變水頭滲透儀(圖2)完成試驗。 最后對試驗數(shù)據(jù)進行標(biāo)定，調(diào)節(jié)成20.0℃試驗條件下的數(shù)值，為了降低試驗數(shù)據(jù)的偏差，各組試驗數(shù)值選擇4組可重復(fù)性試驗的平均值。

圖2 自主研制的變水頭滲透儀構(gòu)造示意圖

檢測時，安設(shè)好試驗儀器。 將2、6 號閥門開放，通過8 號管加水到1 號量筒中， 至指定高度后將2、6 號閥門關(guān)閉。開放2、6 號閥門，樣品構(gòu)件下部多出的水經(jīng)6 號閥門流凈后方可關(guān)閉。 開放2、6 號閥門時， 統(tǒng)計開始時刻t1，量筒內(nèi)初始液面高度值h1，待結(jié)束后統(tǒng)計結(jié)束時刻t2與兩桶內(nèi)液面最后高度值h2。

滲透系數(shù)的求解公式見公式1。

式中，K 代表滲透系數(shù)值，s 代表滲透試件的橫斷面面積值，h 代表滲透試件高度的平均值，S 代表量筒內(nèi)部橫斷面面積值，t 代表滲透時長。

3 各影響因素影響關(guān)系分析

3.1 灰色關(guān)聯(lián)度計算

研究中選擇灰色關(guān)聯(lián)分析法完成瀝青混合料滲透性能因素的分析， 通過關(guān)聯(lián)度數(shù)值大小來表征自變量和因變量直接的緊密性，尤其擅長于分析多因素、非線性的因素間關(guān)系。

具體計算方法有下列4 步：

①給出分析數(shù)列。依據(jù)數(shù)列表征系統(tǒng)行為特點，設(shè)定數(shù)列Y={Y(k)|k=1,2,3L,n}，設(shè)定影響因素的數(shù)據(jù)序列的數(shù)列Xi={Xi(k)|k=1,2,3L,n}，i=1,2,L,m。

②變量無量綱化處理。對全部數(shù)據(jù)進行歸一化處理，以消除變量因量綱差異影響計算結(jié)果的弊端， 其計算公式見公式2。

③求出關(guān)聯(lián)系數(shù)值。代表數(shù)列第個元素的關(guān)聯(lián)系數(shù)，代表分辨系數(shù)值，其值大小與分辨率呈反比，一般情形設(shè)定值0.50，計算公式見公式3。

④求得關(guān)聯(lián)度值，把各關(guān)聯(lián)系數(shù)集中后構(gòu)成關(guān)聯(lián)度，求解曲線上個點關(guān)聯(lián)系數(shù)的算術(shù)平均值得到關(guān)聯(lián)度值，計算公式見公式4。

3.2 滲透性影響因素探究

將滲透系數(shù)k 設(shè)定參考數(shù)列， 上述6 類影響因素設(shè)置成比較數(shù)列，整理成表3。 上述2 類數(shù)列參數(shù)完成無量綱化處置， 并設(shè)置分辨系數(shù)值0.50 后求解6 類因素的關(guān)聯(lián)系數(shù)值，整理成表4。 求出的6 個因素關(guān)聯(lián)度值見圖3柱形圖。

4 數(shù)值分析探討

從圖3 中柱形圖可以看出， 上述6 類影響因素關(guān)聯(lián)度值從高至低的次序為： 空隙百分比、2.36mm 通過百分比、級配粒徑最大、油石比例、0.075mm 通過百分比、針入度。 當(dāng)分辨系數(shù)值設(shè)置0.50 時，關(guān)聯(lián)度值大于0.60 的因素很大程度上影響結(jié)果， 所以可看出空隙百分比對瀝青混合料的滲透性影響最大，2.36mm 通過百分比、 級配粒徑最大、油石比例、0.075mm 通過百分比全部顯著影響著瀝青混合料的滲透性能， 針入度此因素幾乎不影響滲透性。 充分考慮6 個因素的影響原理，深度挖掘灰色關(guān)聯(lián)度數(shù)值所含意義。

表3 滲透試驗各評價指標(biāo)檢測值

表4 6 個因素關(guān)聯(lián)度的計算值匯總表

圖3 研究6 類影響因素灰色關(guān)聯(lián)度值對比

研究表明瀝青混合料空隙百分比與其滲透性能呈正相關(guān)關(guān)系[5-8]，8.0%作為分界點，低于8.0%時滲透性較小，超過8.0%滲透性較好，并且滲透性能增長隨空隙百分比增幅變大。 空隙百分比可作為表征瀝青混合料滲透性能力的指標(biāo)。

2.36mm 通過百分比與0.075mm 通過百分比因為均具有混合料級配特征，2.36mm 可作為AC-13.0、AC-16.0、SMA-13.0 級配的關(guān)鍵篩孔，其數(shù)值大小可以直接反映空隙百分比的高低。 計算數(shù)據(jù)可看出，影響程度只小于空隙百分比。 大部分石灰?guī)r礦粉組成粒徑可通過0.075mm 篩孔，僅有少量的可在混合料中充當(dāng)填充，所以推出其基本不會影響混合料的滲透性。 關(guān)聯(lián)度值為0.64，位于顯著和非顯著的臨界點，僅大于針入度。

級配最大粒徑嚴(yán)重影響著混合料結(jié)構(gòu)。 粒徑大的混合料骨架大，造成空隙通道大，從而混合料滲透性大。 在同等情形時AC-13.0 滲透系數(shù)低于AC-20.0 的滲透系數(shù)，在空隙百分比為8.0%，前者僅為后者的2/3。 分析其原因是AC-13.0 折算滲透通道的直徑遠小于AC-20.0。

油石比例通過連通空隙的大小變化來影響混合料的滲透性。 油石比例同連通空隙比例具有很好的線性關(guān)聯(lián)性。 油石比例過大會釋放大量自由瀝青，充斥在連通空隙內(nèi)，從而造成混合料滲透性減小。 油石比例很小引起瀝青脫落，滲透性能上升。 所以適當(dāng)?shù)挠褪壤枰獫M足無自由瀝青與滲透性的雙重要求。

經(jīng)過對灰色關(guān)聯(lián)度比較能夠得出： 針入度基本不影響瀝青混合料的滲透性， 而結(jié)構(gòu)特征很大程度上影響著混合料的滲透性。 由于針入度僅影響瀝青的軟硬性與抗剪切性，所以基本不影響混合料的結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

本文為了研究各因素對瀝青混合料滲透性能的影響關(guān)系，設(shè)計相應(yīng)試驗。選取瀝青針入度、瀝青占比、2.36mm篩孔通過百分比、0.075mm 篩孔通過百分比、級配最大粒徑與空隙百分比等6 個主要因素，借助灰色關(guān)聯(lián)理論，計算各自的灰色關(guān)聯(lián)度。 分析其影響程度并深度挖掘影響機理。 最后得到如下3 個重要結(jié)論：

(1)灰色關(guān)聯(lián)度的計算能夠客觀反映6 個影響因素的影響程度， 可作為一項科學(xué)有效方法分析瀝青混合料滲透性能影響因素影響程度。

(2) 通過灰色關(guān)聯(lián)度的計算分析， 最后得到選用的6個影響因素的影響程度由高到低排序為： 空隙百分比、2.36mm 篩孔通過百分比、級配最大粒徑、油石比例、0.075 mm 篩孔通過百分比、針入度。 其中前5 個因素影響十分顯著，僅針入度因素基本不影響瀝青混合料滲透性。

(3)深度挖掘6 個影響因素的影響機理，全部通過改變混合料內(nèi)部連通空隙來實現(xiàn)， 因此可推斷空隙比例是影響瀝青混合料滲透性能的決定因素。