透水瀝青路面的濕物理性能研究

楊秋俠，嚴苗瑜

(西安建筑科技大學 土木工程學院，陜西 西安 710055)

0 引言

透水瀝青路面相比較于傳統不透水路面，由于其多孔的物理結構，使其對雨水具有特殊的保存、滲透和蒸發等特性。這些和水有關的濕物理性能使得透水瀝青路面在改善城市雨水排水方式和室外熱環境等方面發揮重要的作用。

透水瀝青路面的滲透性能，不但考慮透水路面自身資料構成，也需要考慮不同降雨強度對其的影響。已有的研究，主要利用路面滲透速度、孔隙率、結構層厚度等參數，建立透水瀝青路面的儲水-滲透模型，并對其儲水、滲透功能進行預估和評價[1-2]。這些研究將透水路面滲透性能的評價重點都集中在透水路面自身資料構成的單一維度。但是，路面雨水滲透是路面與降雨水相配合的滲透系統。滲透能力不僅受路面材料和路面結構層的影響，還受到降雨強度的影響。不同降雨強度會產生不同的滲透效果。所以，現階段對透水瀝青路面滲透性能的評價缺乏第二維度考慮，即不同降雨強度對其滲透性能的影響。

透水瀝青路面的濕物理性能研究應該是多角度的連續過程性研究。現階段研究除了透水瀝青路面對雨水滲透功能以外，研究者研究了透水性能和保水性能之間的關系，結果表明透水路面不僅具有足夠的透水能力，還有較高的保水能力來滿足海綿城市蓄水方面的要求[3]。透水瀝青路面因為有保水性能，其保留的雨水在蒸發作用下對熱環境的影響也有一些研究。研究發現透水瀝青路面可以利用水分蒸發降溫，降低人工下墊面溫度，進而降低城市熱島效應[4-7]。同時也有學者探討了孔隙率、材質對透水地磚蒸發強度及表面溫度的影響[8]。而對于透水瀝青路面的保水及蒸發失水過程的研究僅為階段研究，缺乏保水與蒸發失水這一過程研究。同時，在研究透水路面蒸發失水對室外熱環境的影響時，僅用路面溫度等單一指標來評價蒸發效果。實際上，透水路面的保水和蒸發效果是一個連續不間斷發生的過程。尤其是透水路面在蒸發過程中對于熱環境的影響是持續動態變化的。同時，其對室外熱環境的影響評價不但要觀察溫度變化，還需要觀察相對濕度的變化。

現有對透水路面的研究多為室外實測研究，試驗結果受外部氣候變化的影響較大。另外,透水路面滲透性能的研究為點的研究，試驗僅選取某幾個時間點來觀測透水路面的滲透量，不能實時觀測到降雨過程中透水路面的透水量變化。透水路面蒸發降溫的研究僅觀測不同材質、不同孔隙率的透水路面蒸發過程中溫度的變化，沒有對透水路面蒸發降溫時路面的含水量變化、溫度以及相對濕度的變化進行全方面研究。

所以，本研究自主設計了試驗方案，并在實驗室進行相關試驗來收集穩定的試驗數據。主要目的是研究透水瀝青路面在不同降雨強度下雨水滲透隨時間的變化，通過最早下滲時間及雨水滲透率等參數綜合評價不同降雨強度下透水瀝青路面雨水滲透的能力。同時，通過試驗模擬透水瀝青路面保水與蒸發這一連續過程。記錄了路面溫度、路面上方的溫度與濕度等數據，并計算保水率等參數，研究蒸發過程中路面溫度、路面上方的溫度與濕度的變化規律。研究了路面含水量與路面上方溫度、濕度的關系，分析了透水瀝青路面降溫與增濕的最佳時間段，為透水瀝青路面的熱濕傳遞及其蒸發降溫效果的量化評價提供試驗依據。

1 透水路面試件

1.1 透水路面試件的材料

本研究主要研究全透型透水瀝青路面的濕物理性能，即材料的熱濕性能，分析了透水瀝青路面的透水性、保水性及蒸發失水性能。

根據《透水瀝青路面技術規程》可知，全透型瀝青路面面層由上層磨耗層和底層組成，上層磨耗層遵循標準OGFC-10，底層遵循標準ATPB-25。基于上述標準制作本次試驗的透水瀝青試件，選取空隙率為20%的透水瀝青混合料級配，透水瀝青混合料的各項參數，如表1、表2所示。

表1 透水瀝青上層磨耗層材料參數Tab.1 Parameters of materials for upper wear layer of permeable asphalt

表2 透水瀝青底層材料參數Tab.2 Parameters of materials of bottom layer of permeable asphalt

本研究試驗采用的透水瀝青試件由振動壓路機壓實。透水瀝青面層碾壓成型時共有初壓、復壓和終壓3個階段。初壓是壓實路面的基礎，主要是為了整平和穩定瀝青混合料，給復壓創造良好的壓實條件，壓實的平整性主要取決于這一工序；復壓時采用重型以上的壓路機使混合料密實、穩定、成型，混合料的密實程度主要取決于這一工序；終壓時不宜采用過重的壓路機進行碾壓，這是為了消除輪跡，最后形成平整的壓實面[9]。在碾壓成型的過程中，瀝青路面碾壓要按照高頻、低幅、勻速的原則進行碾壓作業，各個壓實階段采用規定的碾壓速度進行碾壓，碾壓過程中壓路機的檔位不能發生改變且壓路機的油門在碾壓過程中也不能發生變化。

1.2 透水瀝青路面試件的尺寸

雙面層的透水瀝青路面更有利于排水，這類透水瀝青路面適用于市政道路。透水路面面層設計為雙層透水時，其結構是由上、下兩層大空隙透水瀝青混合料鋪筑而成，且上層的厚度應小于下層的厚度，本研究全透型瀝青路面面層的濕物理性能，根據《透水瀝青路面技術規程》可知，上層磨耗層采用OGFC-10的結構形式，其厚度為40 mm，下層采用ATPB-25的結構形式，其厚度為60～80 mm。本試驗下層厚度取中間值70 mm，故該試驗所用的透水瀝青試件為11 cm厚。

本研究所有試驗均采用11 cm厚，半徑為30 cm的圓形透水瀝青試件，如圖1所示。

圖1 透水瀝青試件Fig.1 Permeable asphalt specimen

2 透水瀝青路面透水試驗

2.1 透水試驗的目的

透水試驗的目的是通過人工模擬降雨裝置，探究不同降雨強度下全透水瀝青試件透水量的變化[10]。

2.2 透水試驗的裝置

自主的設計透水試驗裝置由3個部分組成，如圖2所示。(1)人工模擬降雨裝置，主要由降雨盤、可伸縮支架、不銹鋼軟管以及水流量計等裝置組成。試驗時通過使用降雨盤來模擬降雨，試驗選用的降雨盤是半徑為15 cm的圓形不銹鋼盤，且上面均勻分布有120個大小相同的硅膠出水口，這些出水口可保證落下均勻的雨滴，所以降雨盤可以用來模擬雨水的降落。降雨盤通過可伸縮支架固定在支架底座上，通過可伸縮支架里的不銹鋼軟管與入水開關、水流量計連接。試驗時通過水流量計控制入水量的大小來模擬不同強度的降雨量，保障降雨的均勻性和降雨強度切換的靈活性。

圖2 透水試驗裝置Fig.2 Device for permeable experiment

(2)試件支撐裝置，由玻璃底座和玻璃保護罩組成，其材質均為有機玻璃。玻璃底座是由尺寸為40 cm× 50 cm的透水隔板與半徑為30 cm、高為10 cm 的玻璃罩連接組成，透水隔板上有分布均勻的半徑為1 cm 的孔洞。玻璃保護罩的半徑為30 cm,高為20 cm，試驗時放置在玻璃底座上。

(3)滲水稱量裝置，由電子秤和盛水容器組成。試驗時在支架底座下方放置電子秤，電子秤上放置半徑為40 cm的盛水容器，電子秤可實時稱量降雨時透水瀝青試件滲出的水量。

2.3 透水試驗的試驗過程

透水試驗的第1步是將干燥的透水瀝青試件的圓周側面用保鮮膜包裹。然后，用膠帶將保鮮膜的接口粘結來完成封面處理，試件的上下兩個面不需要包裹。第2步，將封面處理過的透水瀝青試件放入裝置的玻璃底座內，套上玻璃保護罩。玻璃底座與玻璃保護罩連接處用生料帶封護。然后，用蠟油將透水瀝青試件與玻璃保護罩內壁連接處封護，以此保證降雨時雨水不能通過試件與玻璃保護罩內壁的縫隙流出。第3步是調節降雨盤的高度，使降雨盤與透水瀝青試件上表面距離達到1 m。最后，打開入水閥門，通過水流量計調節入水量的大小來模擬不同降雨強度。試驗時，以0.050 ，0.14，0.26 L/min 3種不同的雨量進行試驗，測量并記錄最早開始下滲時間和每隔1 min透過試件的雨水的質量。采用3個不同的透水瀝青樣品重復上述試驗得到最終的數據。

2.4 透水試驗的試驗數據及分析結果

2.4.1 透水瀝青試件在不同降雨強度下透水量的變化

采用3個試件試驗數據的平均值繪制了透水瀝青試件在不同降雨強度下透水量的變化圖，如圖3所示。

圖3 透水瀝青試件在不同降雨強度下透水量的變化Fig.3 Changes of permeable amount of permeable asphalt specimen under different rainfall intensities

2.4.2 透水瀝青試件的雨水滲透率和最早下滲時間

在持續降雨的動態過程中，透水瀝青路面的滲透性能可用雨水透過試件的最早時刻、雨水滲透率來評價。雨水滲透率是指每分鐘雨水透過透水瀝青路面的滲水量，用L/min表示。試件的最早下滲時間和雨水滲透率的數據見表3。

表3 透水試驗中雨水滲透率和最早下滲時間Tab.3 Rainwater permeability and earliest infiltration time in the permeation experiment

2.4.3 透水試驗數據的分析及結論

圖3表明，在降雨開始3 min內，降雨強度越大，滲透過試件的水量就越大。而且，降雨強度越大，水滲透的速度也越大。這說明降雨強度越大，雨滴就越大，雨水降落的壓強越大，降落的速率越快，雨水透過試件的時間就越短[11-12]。在降雨開始3 min后，從透水瀝青試件透過的水量就與降雨量相同，即降雨可全部透過透水瀝青試件。這是因為在降雨剛開始的3 min內，試件還處于干燥狀態，降落的雨水在透水瀝青材料和試件的半連通孔隙中儲存[13]。而3 min后，隨著降雨時間的延長，透水瀝青試件的半連通孔隙逐漸被雨水占滿，此時其余的雨水就通過全連通孔隙滲透出去。

3 透水瀝青路面保水與蒸發試驗

3.1 保水與蒸發試驗的目的

本次試驗的目的是探究全透水瀝青路面的含水量、路面表面和路面的上方溫度及濕度在透水瀝青保水和蒸發失水這一連續變化過程中的變化。

3.2 保水與蒸發試驗的裝置

保水試驗采用的裝置是尺寸為80 cm× 40 cm× 50 cm的玻璃水箱(如圖4所示)和量程為30 kg的電子秤。

圖4 玻璃水箱Fig.4 Glass water tank

蒸發試驗的試驗裝置為自主設計的裝置，分為兩個部分，如圖5所示。第1部分是陽光模擬裝置，用太陽光模擬燈來模擬一定程度的太陽輻射。該太陽模擬燈功率為300 W,以石英放電管和鎢絲混合輻射，光譜分布與自然陽光分布的擬合率可以達到70%。它的測試結果表明，輻射強度可以達到西安夏季室外晴天平均的輻射強度。第2部分為試驗樣品支撐裝置，由玻璃底座和玻璃保護罩組成，其材質均為有機玻璃。玻璃底座是由尺寸為40 cm× 50 cm的玻璃隔板與半徑為30 cm，高為10 cm的玻璃罩連接組成。玻璃保護罩的半徑為30 cm，高為20 cm，并放置在玻璃底座上。在玻璃保護罩上方15 cm處安裝一個平臺，用來放置測量試件上方的溫度和濕度的儀器，即溫度和濕度儀，將溫、濕度儀的探頭部分伸出平臺。同時，試驗過程中使用紅外測溫槍來測量試件表面的溫度。

圖5 蒸發試驗裝置Fig.5 Device for evaporation experiment

3.3 保水與蒸發試驗的試驗過程

首先，進行保水試驗，第1步是將透水瀝青試件放置在干燥通風的地方晾干水分。每隔20 min稱量透水瀝青試件的質量。當質量不再變化時，表明試件已經處于完全干燥狀態，記錄此時透水瀝青試件的質量；第2步是往玻璃水箱內加水，直至水面距玻璃容器底部35 cm，這是為了保證透水瀝青試件放入水中所有面均被浸泡；第3步把干燥的透水瀝青試件豎立起來快速放入盛好水的玻璃水箱內。預試驗的結果表明保水試驗時透水瀝青試件質量的增長速率為先快后慢。為了觀察試件質量的變化，所以試驗的前5 min測量兩次試件質量。然后，5～30 min這一時間段每隔5 min測量試件質量，30 min 以后每隔10 min測量試件質量，直至試件質量不再發生變化時停止試驗，此時透水瀝青試件達到飽和。測量保水試驗時透水瀝青試件的質量，應先把試件從玻璃水箱內快速打撈出來，靜置1 min后用濕抹布擦干試件表面的水分后再稱量試件的質量。

然后進行蒸發試驗，蒸發試驗的第1步是將保水試驗中已經飽和的透水瀝青試件放到圖5所示的玻璃底座內，再將玻璃保護罩放在玻璃底座上，防止太陽輻射向裝置周圍環境擴散影響試驗精度。第2步將太陽光模擬燈懸掛在試驗裝置的正上方且燈底部距離試件上表面的高度為30 cm，并測量此時透水瀝青試件表面的溫度與試件上表面上方15 cm處溫度及相對濕度。第3步打開太陽光模擬燈來模擬太陽輻射進行蒸發試驗，經過20，40，60，80，100，120，140，160， 180，200，220，260，320，380，440，680 min分別測量試件表面中心溫度、試件表面周圍溫度、試件上表面上方15 cm處溫度、相對濕度，然后再稱量試件質量，并記錄相關數據。采用3個不同的透水瀝青試件重復上述的試驗得到3組試驗數據。

3.4 保水與蒸發試驗的數據分析及結論

3.4.1 透水瀝青保水與蒸發試驗中試件質量的變化

采用3個試件的試驗數據繪制了透水瀝青保水與蒸發試驗中試件含水質量變化的曲線圖，如圖6所示。

圖6 透水瀝青保水與蒸發試驗中試件含水質量的變化Fig. 6 Changes in water mass of permeable asphalt specimens in water retention and evaporation test

3.4.2 透水瀝青蒸發試驗試件上表面上方15 cm處相對濕度的變化

采用3個試件的試驗數據繪制了透水瀝青試件上表面上方15 cm處相對濕度變化的曲線圖，如圖7所示。

圖7 透水瀝青試件上表面上方15 cm處相對濕度變化Fig. 7 Changes of relative humidity at 15 cm above upper surface of permeable asphalt specimens

3.4.3 透水瀝青蒸發試驗試件表面溫度、中心溫度、試件上表面上方15 cm處溫度的變化

采用3個試件的試驗數據繪制了透水瀝青蒸發試驗表面溫度、中心溫度、試件上表面上方15 cm處溫度變化的曲線圖，如圖8所示。

圖8 透水瀝青蒸發試驗相關溫度的變化Fig.8 Changes of relevant temperature of permeable asphalt during evaporation experiment

3.4.4 保水與蒸發試驗的分析及結論

圖6可知，保水試驗開始的2 min內，試件大量吸水，2～15 min內試件含水質量緩慢增加；15 min后，試件含水質量小幅度減小直至試件達到飽和。這是由于材料的吸水性、透水瀝青試件中存在的半聯通孔隙。前2 min內，透水瀝青試件接觸水時，水分子可以迅速擴散到透水瀝青材料以及半聯通孔隙中去，這使得試件含水質量迅速增大。但隨著試驗的進行，在2～15 min時間段內，透水瀝青試件中半連通孔隙幾乎被充滿，有一部分水分因毛細力的作用進入毛細小孔中[14]。這個時間段里試件含水質量緩慢增加。15 min后，隨著透水瀝青試件的半連通孔隙吸水飽和且連通孔隙表面附著的水分子的擴散，試件含水質量小幅度地減少，直至透水瀝青試件達到飽和。

圖6表明，在蒸發試驗中，透水瀝青試件含水質量會隨著時間的增長而下降。但是，在試驗時間達到60～120 min時，試件含水質量快速減小；試驗時間達到120～160 min內試件含水質量緩慢減小；160 min后試件含水質量以較大的速度減小。這是因為60～120 min內屬于蒸發試驗開始階段。透水瀝青試件上部的半聯通孔隙與外部環境接觸緊密，這些孔隙被熱空氣所占據。它們內部的水分會首先蒸發，變為水蒸汽排出，使得試件含水質量快速減小。試驗時間達到120～160 min時，由于試件內部孔隙分布復雜，試件內的熱空氣向試件下部分的半連通孔隙擴散的速度較慢。這使得下部的半連通孔隙內水分不能有效地蒸發成水蒸汽排出。故該時間段試件含水質量緩慢減小。試驗時間達到160 min后，熱空氣可快速擴散至試件內的各個聯通和半聯通孔隙[15]。這使得材料內的水分可以有效地蒸發形成水蒸汽從聯通孔隙中排出，此時，試件含水質量以較快的速度減小。但是，試驗時間達到740 min后，試件內還有一部分的水分沒有蒸發。這是因為在重力的影響下試件內的部分水通過聯通孔隙流到裝置的底部。由于裝置四周都為密封狀態，模擬的太陽光不能照射到裝置底部，導致裝置底部溫度不夠高[16]。所以，裝置底部的水分不能蒸發排出。

圖7表明，在整個蒸發試驗階段，透水瀝青試件上表面上方15 cm處相對濕度會隨著時間的增長而下降。但是，在160～200 min時間段內相對濕度會出現小幅度上漲的情況，之后相對濕度持續下降。這是因為試驗開始后，在太陽光模擬燈的照射下，透水瀝青試件上方的溫度急劇升高。透水瀝青試件上部距離太陽光模擬燈較近，其蒸發的水蒸汽經過試件表面擴散到空氣中。此時，試件內水分的蒸發速度小于空氣中水蒸汽的擴散速度，所以相對濕度會隨著時間的增長而下降。但160～200 min這個時間段，隨著太陽光模擬燈的持續照射，試件溫度也在持續升高。試件內水分的蒸發速度顯著提高，大量的水蒸汽擴散至試件外。此時，試件內水分的蒸發速度大于空氣中水蒸汽的擴散速度，所以，會出現相對濕度小幅度上升的情況。隨著蒸發試驗的持續進行，試件中大孔隙內的水分已完全蒸發，而吸附在孔壁中水分的蒸發由于毛細效應而需要更高的蒸發溫度[17]。此外，水蒸汽在小孔內的擴散速率也因為孔壁的物理阻礙作用而降低。此時，試件內水分的蒸發速度又小于空氣中水蒸氣的擴散速度。這使得透水瀝青試件上表面上方15 cm處相對濕度隨時間的增長而降低。

圖8可知，在蒸發試驗的整個過程中，試件表面中心、試件表面周圍、試件上表面上方15 cm處溫度均在快速增長。而且，試件表面中心的溫度一直高于試件表面周圍和試件上表面上方15 cm處溫度。這是因為蒸發試驗開始后，模擬太陽光向外輻射能量，并傳遞到透水瀝青試件表面。試件表面中心接受的是太陽光的直射，其四周接受的是太陽光斜射。所以，傳遞到試件表面中心的熱量高于試件表面周圍的熱量。由于模擬太陽光的照射，空氣中形成一定的溫度差，這使得熱量向溫度低的方向傳遞，并且空氣的導熱系數小于透水瀝青的導熱系數，透水瀝青的導熱性能比空氣好[18]。所以，距試件15 cm 處的熱量低于試件表面中心吸收的熱量。因此，試件表面中心的溫度一直高于試件表面周圍和試件上表面上方15 cm處的溫度。試件表面周圍溫度和試件上表面上方15 cm處溫度變化關系如下。在蒸發試驗的前半部分，試件上表面上方15 cm處溫度高于試件表面周圍溫度，隨著試驗的進行，在蒸發試驗的后半部分，試件表面周圍溫度逐漸高于試件上表面上方15 cm處溫度。在蒸發試驗的前半部分，由于試件上表面上方15 cm處的測試點距離太陽光模擬燈很近，傳遞到該處的熱量大于傳遞到試件表面周圍的熱量。所以，試件上表面上方15 cm處溫度高于試件表面周圍溫度。在蒸發試驗的后半部分，隨著試驗的持續進行，傳遞到試件表面周圍的熱量不斷增多。由于透水瀝青的導熱性能比空氣好，所以試件表面周圍溫度逐漸高于試件上表面上方15 cm處溫度。

3.4.5 透水瀝青試件的保水率的計算

保水試驗是為了測得透水瀝青持有水的特性。首先，測量試件尺寸得到體積V。再將試件放在通風處晾干，干燥的試件質量記為m1。然后，將試件完全浸泡于水中。每隔規定的時間取出試件用濕抹布擦干試件表面的水分后進行稱重。觀察保水試驗中透水瀝青試件吸水的變化過程。當試驗時試件質量不再變化時停止試驗。此刻試件的質量記為m2，計算出該試件的保水率。

(1)

式中，m1為干燥的試件質量；m2為試件完全吸水飽和時的質量；V為試件的體積。

采用3個試件保水率的平均值作為標準透水瀝青試件的保水率，透水瀝青保水試驗保水率的相關數據如表4所示。透水瀝青試件的保水率為45.036 kg/m3。

表4 透水瀝青試件的保水率Tab.4 Water retention rates of permeable asphalt specimens

3.4.6 透水瀝青試件含水量與試件上表面上方15 cm處溫度、相對濕度的關系

圖9 蒸發試驗中試件含水量與試件上表面上方15 cm處溫度、相對濕度的關系Fig.9 Relationships of water content of specimen with temperature and relative humidity at 15 cm above upper surface of specimens

根據圖9可知，隨著試件含水量的逐漸降低，試件上表面上方15 cm處溫度逐漸升高，試件上表面上方15 cm處相對濕度逐漸降低。含水量為2.33%左右時，是溫度和相對濕度變化比較明顯的節點，即溫度在此節點之前快速上升，在此節點之后緩慢上升，而相對濕度在此節點之前處于快速下降階段，在此節點之后處于緩慢下降階段。

4 結論

(1)透水瀝青路面透水試驗中，3種不同降雨強度下透水瀝青路面的透水穩定時間約為5 min。在透水量穩定的情況下，透水瀝青路面的平均透水率為98%。并且，降雨強度越大，透水瀝青路面的最早下滲時間就越短。

(2)透水瀝青路面保水與蒸發試驗中，平均空隙率為20%的瀝青透水路面面層的飽和保水率為45.036 kg/m3。保水與蒸發試驗中保水開始2 min后，透水瀝青路面的水量達到飽和情況下的99.9%。透水瀝青路面在蒸發時，它的保水質量是逐漸下降的。60～120 min這一時間段保水質量下降速率最快，隨后保水質量下降速率降低。

(3)在保水與蒸發試驗結束時，透水瀝青路面的蒸發量約為飽和吸水量的21.57%。如果透水瀝青路面孔隙內儲存的水分要被完全蒸發，需要大于上述試驗很長的時間。

(4)透水瀝青路面在整個蒸發試驗期間，試件上表面上方15 cm處的相對濕度逐漸下降，但在160～200 min期間相對濕度會出現小幅度上漲。試件的3個部位溫度逐漸升高。試件表面中心溫度增長速率大于試件表面周圍溫度的增長速率，試件表面周圍溫度的增長速率大于試件上表面上方15 cm處溫度的增長速率。這表明透水瀝青路面蒸發對周圍熱環境的溫度和相對濕度有一定的改變作用。

(5)路面含水量為2.33%時，是透水瀝青路面上方溫度和相對濕度變化比較明顯的節點。

(6)由于透水瀝青路面試驗面積比較小，為了減少實驗室內空氣溫度、濕度等對試驗結果的影響，試件上方放置圓形保護罩阻止了試件表面及上方空氣的對流換熱，使得試驗結果比實際情況略有不同。