多孔瀝青混合料最佳設計空隙率研究

王 偉

（山西省交通規劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

多孔瀝青混合料（Porous asphalt,PA）由于其獨特的透水、降噪及高抗滑等功能特征在國外得到了廣泛的應用。但目前在我國的工程應用還十分有限，限制其發展的主要原因是其大空隙結構導致的易松散剝落，為了解決該問題國內外的研究人員先后開發研究了多種高黏改性瀝青。徐世國等人采用SINOTPS改性劑制備改性瀝青并鋪筑了PA路面試驗段，結果表明該種改性劑能夠保證路面有較好的高低溫及耐久性能[1]。謝澤華等人研制了橡膠復合改性高黏瀝青并將其應用于炎熱地區，研究顯示該瀝青比常用高黏瀝青性能更好且適用于炎熱地區[2]。袁東東等人將SBS、橡膠以及高黏瀝青的流變性能進行了對比研究，研究認為高黏瀝青的高低溫性能最優[3]。此外，朱旭偉還研究了PA的空隙堵塞特征及堵塞物的關鍵粒徑，并認為0.15～2.36 mm粒徑范圍內的堵塞物顆粒是造成PA試件堵塞的關鍵粒徑[4]。肖晶晶等人研究了集料關鍵篩孔與PA空隙率的關系，結果顯示2.36 mm與4.75 mm集料含量對PA空隙率影響最為明顯[5]。章澤宇等人總結了PA的凈化雨水效果及其機理，雨水在PA結構內的下滲過程中會由于過濾、吸附及截留等作用而被凈化[6]。然而目前的研究比較注重其單一功能，還未能考慮基于PA的功能與性能平衡的設計方法。因此本文將考慮PA主要的功能特征及其路用性能，綜合其功能及性能的基礎上推薦合適的空隙率范圍，以便于指導工程實踐。

1 材料及技術指標

1.1 瀝青

PA由于具有大空隙，在早期的使用過程中可能會出現較嚴重的石料松散和剝落現象。為了改善PA的路用性能，本文采用TPS高黏改性劑對基質瀝青進行改性，主要技術指標如表1所示。

表1 高黏改性瀝青的性質

1.2 級配選擇

PA主要應用于瀝青路面表面層，《排水瀝青路面設計與施工技術規范》（JTG/T 3350-03—2020）中推薦了PA-05、PA-10、PA-13、PA-16、PA-20五個級配類型。本研究選擇PA-13級配類型為研究對象。由于2.36 mm集料的通過率直接影響合成級配的空隙率，根據規范推薦并主要對2.36 mm集料通過率進行調整，空隙率按16%、18%、20%、22%、24%的PA-13進行設計，其級配曲線如圖1所示。粗集料采用玄武巖，細集料采用石灰巖，其性質如表2所示。

圖1 PA的合成級配

表2 粗、細集料技術指標

1.3 多孔瀝青混合料設計方法

多孔瀝青混合料設計方法采用馬歇爾配合比設計方法[7]，通過析漏試驗確定最大瀝青用量并利用飛散試驗確定最小瀝青用量，如圖2所示。

圖2 最佳瀝青用量的確定方法[7]

通過室內試驗，確定了上述5種級配的最佳瀝青用量分別為5.2%、5.0%、4.9%、4.6%、4.3%。根據室內試驗數據可知，隨著PA-13空隙率的增大，最佳瀝青用量逐漸減少。這是因為PA-13空隙率增大的本質是細集料的減少，并且細集料具有相對較大的比表面積，空隙率增大的同時混合料的表面積減小，假設瀝青膜厚度一致，即直接導致了最佳瀝青用量的減小。

2 多孔瀝青混合料抗滑與透水性分析

2.1 多孔瀝青混合料抗滑性能

2.1.1 抗滑性能測試方法

PA-13由于具有較大空隙結構而導致其表面的構造深度較深，對于密級配混合料一般采用鋪砂法測試構造深度，然而PA-13的空隙結構存在較多的連通空隙，使用鋪砂法并不能達到測試效果。因此，本文采用三維激光掃描儀測試PA-13的表面宏觀構造。同時使用擺式摩擦儀測試混合料表面的摩擦系數。

2.1.2 空隙率對抗滑性能的影響

通過室內試驗研究了不同空隙率條件下的PA-13表面的抗滑性能，試驗結果如圖3所示。

圖3 抗滑性能變化趨勢

由圖3可知，隨著PA-13空隙率的增大，其表面的構造深度也不斷增大，并且當空隙率小于20%時增長較快而大于20%時增長相對緩慢。PA-13表面的擺值也隨空隙率的增大而增大，其趨勢與構造深度的變化相似，在空隙率由20%增大至24%的過程中變化緩慢，但兩者均在空隙率為24%時達到最大。

2.2 多孔瀝青混合料透水性能

2.2.1 透水性能測試方法

PA-13的透水性能可分為橫向透水和縱向透水，橫向透水性能主要是面向單層多孔瀝青路面，其功能是將水分橫向排到道路兩側。而縱向透水性能是適用于全透式瀝青路面將水分沿路面各個結構層向下滲透。本研究使用變水頭測試方法研究不同空隙率的PA-13在無側限條件下的橫向與縱向透水性能以及有側限條件下的縱向透水性能。其透水性能評價指標采用單位時間內的透水量，即記錄多孔瀝青混合料在每個30 s過程中的總透水量，然后計算平均透水速度。

2.2.2 空隙率對透水性能的影響

不同空隙率PA-13的縱向與橫向的透水率試驗結果如圖4所示。

圖4 空隙率與透水性能的關系

由圖4可知，當PA-13空隙率從16%增大至18%時，PA-13的縱向透水率與橫向透水率均隨之增大，而且橫向透水率增大迅速且在18%時大于縱向透水率。這是由于空隙率增大時混合料內部的橫向空隙連通效果得到進一步提高，并且混合料內部的縱向連通空隙并不是垂直的，因此水分在混合料內部是曲折的流動狀態導致橫向透水效果優于縱向透水。當然這種結果的出現與混合料的厚度存在一定聯系，混合料越厚橫向透水效果可能越顯著。當PA-13空隙率大于18%時，縱向透水率與空隙率基本呈現正相關而橫向透水率與其呈現負相關。這是由于空隙率的進一步增大導致了空隙直徑增大，水分在重力作用更易向下流動，雖然PA-13的橫向空隙也在增大但其縱向空隙及其連通率對透水的影響更加顯著。

圖4反映了PA-13在水分流動同時縱橫向的透水效果，而對于透水型瀝青路面應關注其縱向透水率，因此本文對車轍板試件四周進行了密封并測試了其縱向透水率。試驗結果如圖5所示。

圖5 空隙率對縱向透水率的影響

根據圖5可以看出，在有側限的條件下PA-13的縱向透水率隨空隙率的增大而增大，并且當空隙率由18%增大至20%時其增速十分明顯，這是由于當空隙小于18%時PA-13內部的連通空隙狀態較差，而當空隙率增大時不僅其空隙直徑增大且其內部的空隙連通程度也隨之增大。但空隙率增大至20%以后時PA-13縱向透水率增速逐漸放緩，表明空隙率的增大對其內部的連通影響逐漸減小。

3 空隙率對路用性能的影響

PA-13作為一種新型的路面材料，除了應該達到一定的功能特性還應保證其路用性能滿足要求。

3.1 高溫性能

在室內制備了不同空隙率的PA-13車轍試件，通過車轍試驗測試混合料的高溫性能，溫度為60℃，試驗結果如圖6所示。

圖6 動穩定度的變化趨勢

由圖6可知，PA-13的高溫性能受空隙率的影響，但其穩定度均在5 000次/mm以上，說明PA-13的高溫性能在一定的空隙范圍內表現較好。這主要是由于PA-13是骨架空隙結構，粗集料之間的嵌擠作用形成了較好的骨架強度，因此PA-13的高溫性能表現更好。可以看出穩定度隨空隙的增大先增大后減小，這是由于細料較多時難以形成骨架，而空隙較大時其骨料之間相互推擠嵌擠效果較差。因此，PA-13的抗車轍性能在空隙率為20%時效果最佳。

3.2 低溫性能

在室內制備了不同孔隙率的PA-13車轍試件并切割成小梁試件，通過低溫彎曲試驗測試混合料的低溫性能，溫度為-10℃。在本文中采用應變能評價混合料的低溫性能，試驗結果如圖7所示。

圖7 低溫性能變化趨勢

根據圖7可知，PA-13的低溫性能隨著空隙率的增大近似直線下降，由此表明空隙率對PA-13低溫性能影響十分明顯。這是由于隨著空隙率的增大，PA-13內部的集料接觸面積減小，在低溫彎曲的過程中更易形成應力集中而導致破壞。因此為了PA-13的低溫性能應控制空隙率處于一定的范圍之內。

綜合上述PA-13路表的抗滑、排水功能以及高低溫性能等試驗結果，綜合推薦PA-13的空隙率應控制在18%～20%之間，此范圍既能達到一定的抗滑排水功能特性又能夠滿足路用性能要求。

4 結論

a）本文在功能方面僅考慮排水和抗滑，后續可以針對不同的地區綜合選擇降噪、抗滑、透水以及凈化雨水等功能進行材料組成均衡設計。

b）PA-13的抗滑和排水性能隨空隙率增大而提高，并且PA-13的縱橫向排水性能存在明顯差異，對于透水和排水路面的透水設計時應明確透水方向。

c）PA-13的高溫性能受空隙率影響但其整體抗車轍性能較好，其低溫性能隨空隙率增大而不斷減小，說明空隙率對PA-13的低溫性能影響更為明顯。

d）為了減少在工程應用時比較多種空隙率而導致的繁多級配設計，在考慮PA-13抗滑、透水功能以及混合料高低溫性能的基礎上推薦PA-13采用空隙率為18%～20%作為設計空隙率。