大空隙瀝青混凝土空隙堵塞特性研究

顧盛 陳滿軍 林莉 王炯月 馬翔

摘 要：為研究排水性瀝青混凝土在使用過程中的堵塞特性，采用自行開發的大空隙瀝青混凝土滲透系數測試裝置，研究2種不同堵塞方式對大空隙瀝青混凝土滲透系數的影響，并通過CT掃描其內部細觀空隙結構。研究表明：滲流方向的滲透系數受堵塞劑影響嚴重;堵塞劑質量相同時，堵塞物含量小的堵塞劑對大空隙瀝青混合料的堵塞更嚴重;多次堵塞及一次性堵塞的試件，其豎向及橫向掃描出的長軸與短軸值均小于基準試件;堵塞過程中空隙率的減小主要是大孔數量及大孔比在減小，在細料堵塞后，大孔逐漸演變為中孔，導致中孔比增加。堵塞物沿著滲流方向在空隙中的滯留導致排水性路面滲透系數減小、排水功能衰減。

關鍵詞：大空隙瀝青混合料;CT掃描;堵塞行為;細觀空隙結構

中圖分類號：TU528.42 ? ?文獻標識碼：A ? 文章編號：1006-8023（2021）03-0126-05

Abstract：In order to study the clogging characterization of the porous asphalt concrete during the service period， the influence of two different plugging methods on the permeability coefficient of largevoid asphalt concrete was studied by using the selfdeveloped largevoid asphalt concrete permeability coefficient test device， and CT scanning was used to study the mesoscopic void structure of the plugged specimen. The results showed that the plugging agent mainly affected the permeability coefficient of the seepage direction. When the quality of the plugging agent was the same， the plugging agent with small plugging material content would be more serious to the large void asphalt mixture. For the specimens with multiple blockages and onetime blockage， the long axis and short axis values scanned vertically and horizontally were smaller than the reference specimen. The decrease of the void ratio during the blockage process was mainly due to the decrease in the number of large voids and the large void ratio. After the clogging of the fine material was added， the large void gradually evolved into medium void， resulting in an increase in the medium void ratio. The retention of the clogs in the void along the seepage direction lead to the decrease of the permeability coefficient and the attenuation of drainage function of the drainage pavement.

Keywords：Large void asphalt mixture; CT scanning; clogging behavior; mesoscopic void structure

0 引言

大空隙瀝青混凝土的空隙率一般為18%～25%，由于其大空隙特性使其路面具有良好的表面功能，尤其是雨天減低路面積水，提高行車的安全性[1-2]。在實際使用過程中，隨著空隙率受堵塞而衰減，大空隙瀝青混凝土各向滲透行為均有不同程度的衰減[3]。馬翔等[4]研究成果表明，降雨過程中懸浮顆粒的沉淀是排水路面空隙堵塞的主要原因，深截面堵塞比淺截面堵塞嚴重，沿著水流方向，越往外，空隙堵塞越嚴重。Deo等[5]認為細土、砂石及碎的有機材料是大空隙路面的主要堵塞物質。Chopra等[6]研究表明，透水路面的堵塞物以0.075 mm以下沙子含量最大。國內一些學者[7-9]在設計堵塞試驗的基礎上，通過大空隙瀝青混凝土滲透特性的變化研究其堵塞特性，對其內部堵塞行為缺乏深入研究，CT掃描技術已經廣泛應用于瀝青混凝土內部結構的研究[10-15]，Gong等[16]就基于CT掃描技術從微觀角度對凍融循環下瀝青混合料孔隙形狀及變化特征進行了研究。

本研究采用自制的滲水儀測試2種不同濃度堵塞物對大空隙瀝青混合料滲透系數影響，利用工業CT掃描其內部細觀空隙結構后采用圖像處理技術進行分析，基于分析結果研究大空隙瀝青混凝土的堵塞行為。

1 堵塞試驗

本研究對大空隙瀝青混合料PAC-13開展試驗，其組成原材料包括：高黏瀝青、玄武巖集料、石灰巖礦粉，試驗之前對各種原材料的性質進行評價，均滿足技術規范要求。為減小級配組成的差異對試驗結果的影響，配料時按照單一粒徑逐一抓配[17]。按照規范要求[18]，改變2.36 mm篩孔的通過率，初選3種進行對比分析，在此基礎上確定最優級配作為本研究最終選用級配，此成型大空隙瀝青混凝土為基準試件，此基準試件記為試件Ⅰ。

堵塞劑的配比基于已有研究成果[19]，級配組成見表1，模擬分析不同堵塞情況對大空隙瀝青混合料滲透系數的影響，利用自制滲水儀器對堵塞后試件的豎向及橫向滲透系數進行測試分析，具體滲透系數測試方法參照筆者前期研究成果[20]。

堵塞材料采用砂土和黏土的混配，0.075 mm以下的顆粒為黏土，0.075 mm以上的顆粒為砂石。實際路面堵塞時存在多次堵塞和污染物濃度的問題，研究過程中考慮了2種堵塞方式對大空隙瀝青混合料滲透特性的影響，1種是在250 mL水中加入10 g堵塞料作為1份堵塞劑，堵塞試驗時將4份此類材料由試件頂面灌入大空隙瀝青混凝土，該試件記作Ⅱ;另1種在250 mL水中加入40 g堵塞料作為1份堵塞劑，堵塞試驗時將1份此類材料由試件頂面灌入大空隙瀝青混凝土，該試件記作Ⅲ。2種堵塞試驗方式灌入大空隙瀝青混凝土中的堵塞料相等，均為40 g。堵塞試驗后2種試件表面如圖1所示。

2 堵塞對滲透系數影響

在已有研究成果的基礎上[21]，利用自制滲水儀器測試經過堵塞試驗后的大空隙瀝青混合料試件的體積參數及滲透系數，為了滿足達西定律，試驗時水頭差控制在4.5 mm以內，滲透試驗測試結果見表2。

從表2中的數據結果可以看出：

（1）堵塞后豎向滲透系數顯著減小，而橫向滲透系數變化不明顯，由此可見，堵塞試驗中堵塞劑主要降低滲流方向的滲透系數。

（2）在固體顆粒質量相同時，固體顆粒濃度小的堵塞劑對滲透系數的影響更顯著，試件Ⅱ的豎向滲透系數比試件Ⅲ降低嚴重。

3 空隙堵塞特征研究

3.1 CT圖像處理

X-ray CT掃描可在無損狀態下，對檢測物體進行多方向的掃描，采集X射線在被檢物體中的衰減信息，將掃描斷面用灰度圖像展現。本研究對前述滲水試驗后的15 cm立方體大空隙瀝青混凝土試件進行鉆芯取樣，基于掃描精度的需要，在試件中心取出4.5 cm×5 cm圓柱體試件進行CT掃描試驗。分別從TOP、RIGHT 2個方向進行掃描，以分別獲取試件豎向、橫向的圖像。

將掃描獲取的圖像導出，并保存為256級灰度圖像，灰度圖像如圖2（a）所示。采用Image Pro-Plus（IPP）軟件對圖像進行處理，處理過程中首先對圖像進行二值化處理，結果如圖2（b）所示，圖中黑色部分代表空隙，白色部分代表集料和膠漿。

3.2 空隙細觀結構分析

3.2.1 空隙率空間分布

基準試件與經過堵塞試驗后試件空隙率的空間分布如圖3所示，沿試件高度方向為豎向掃描，掃描圖片按間距1 mm選取，沿圓柱體直徑方向為橫向掃描，橫向掃描圖片為長度不等的矩形，靠近端部的圖片長度很小，導致空隙率誤差較大，因此，分析橫向圖片時選擇中部的32張圖像進行分析。

圖3為3種狀況下橫向、豎向的空隙率分布圖。豎向掃描結果顯示，分4次灌入堵塞物的試件Ⅲ上部和下部的空隙率分布曲線明顯均較未堵塞試件的曲線靠左，說明在此范圍內堵塞嚴重;1次性灌入堵塞物的試件Ⅲ在上部空隙率更小，堵塞嚴重，其余深度處空隙率在20%左右波動，堵塞不顯著。由此可見，堵塞劑中固體物質濃度高主要是堵塞大空

隙瀝青混凝土淺處的空隙，而濃度低時可堵塞更深處的空隙。

橫向掃描結果顯示，10 mm附近未堵塞試件空隙率偏差較大，局部空隙率小于15%，這是由于試件中空隙的不均勻所致。總體而言，堵塞后的試件較未堵塞試件空隙率偏左，其中分4次堵塞試件空隙率偏左更嚴重，由此可見堵塞后試件橫向掃描圖片的空隙率也減小，分4次堵塞后空隙率減小更顯著。

3.2.2 空隙形態特征

空隙形態分析是其細觀分析中不可或缺的一部分，可反映堵塞行為對空隙結構的穩定性和變化趨勢的影響。本研究基于圖像處理技術獲得的空隙，根據典型的特征參數分析了堵塞試驗后混合料試件與基準試件的空隙形態，本研究采用的特征參數包括平均等效直徑、長軸和短軸等，各參數統計結果見表3。

從表3的數據對比可看出，堵塞試驗后空隙的平均等效直徑增大，無論是分4次堵塞后還是1次性堵塞后的試件，其豎向及橫向掃描出的長軸與短軸值均小于基準試件，且1次性堵塞后試件的長軸與短軸值最小，1次性堵塞對試件內部空隙形態分布影響更大，說明堵塞物濃度越大，對混合料的空隙形態影響更大，2種不同堵塞方式下試件的長短軸之比均小于基準試件。

3.2.3 空隙分布特征

為了研究堵塞行為對空隙大小、數量特征的影響，定義空隙等效直徑在0～1 mm范圍內的空隙稱為小孔，≥1～5 mm的空隙稱為中孔，>5 mm的空隙稱為大孔，統計分析了各類孔的分布規律，各參數分析結果見表4。

從表4可以看出，2種堵塞試驗后，試件內部的總孔數均下降，主要是大孔數量的減少，大孔數量的減少導致大孔比例的減小;堵塞后2試件的中孔比顯著增大，1次堵塞試件的空隙變化幅度更明顯;與基準試件相比，分4次堵塞后試件的小孔占比減小，1次性堵塞后試件的小孔占比增大。說明堵塞過程中空隙率的減小主要是大孔數量及大孔占比在減小，由于細料的堵塞，大孔將會成為中孔或小孔，一個大孔可能變為多個中孔，導致中孔占比增加，小孔影響因素多，變化復雜，沒有固定的規律，多次堵塞時小孔占比減小，1次性堵塞濃度較高時小孔占比增大。

4 結語

（1）堵塞劑主要影響滲流方向的滲透系數，固體顆粒在空隙中的殘留導致堵塞試驗后大空隙瀝青混凝土豎向滲透系數顯著減小。

（2）固體顆粒質量相同時，濃度高的堵塞劑主要殘留在大空隙瀝青混凝土的上部，而濃度低的堵塞劑可堵塞更深處的空隙，導致滲透系數降低更顯著。

（3）堵塞試驗后的大空隙瀝青混凝土內部空隙的長軸、短軸以及長短軸之比均減小，堵塞物濃度越大，對其空隙形態參數影響越大。

（4）堵塞過程中大空隙瀝青混凝土空隙率的減小主要是大孔數量及大孔占比在減小，而大孔演變為中孔，導致中孔占比增加。

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