透水瀝青路面清孔設備參數優化

白子玉， 趙麗華， 許斌

(1.大連交通大學土木工程學院， 大連 116000； 2. 中路高科(北京)公路技術有限公司， 北京 100088)

透水瀝青路面作為道路界解決熱島效應、交通安全和噪聲污染等難題的一大方案，在中國的很多城市中得到應用[1-4]。但這種路面在實際應用中也存在許多問題，如在使用初期，受環境條件(如飛灰、揚塵等)影響，其空隙會逐步堵塞，從而在通車一段時間后會喪失部分排水降噪功能[5-6]。因此，針對透水瀝青路面的養護手段是中國道路交通工作者面臨的一個重大難題。

中國自20世紀90年代開始了對透水瀝青路面的研究，從1995年起相繼在濟青高速、京滬高速等工程中鋪設試驗路段應用。在理論研究和試驗研究方面，張娜[7]采用自制試驗系統，模擬了地表強降雨作用下透水路面的堵塞過程。蔣瑋等[8]、王宏暢等[9]及宋東方等[10]分別提出空隙率和公稱最大粒徑越大，透水瀝青混合料的抗堵塞性能越好。例如，蔣瑋等[8]提出造成透水瀝青路面堵塞的關鍵粒徑為1.18～2.36 mm和0.15～0.3 mm。宋東方等[10]提出對PAC-13、PAC-16和 PAC-20的堵塞敏感粒徑分別為0.15～0.3、0.6～1.18和0.3～0.6 mm。張海濤等[11]研究發現增大透水瀝青混合料的粒徑和空隙率可以降低瀝青混合料試件排水性能的各向異性。Doe等[12]研究發現路表面內產生的沉積物中，造成堵塞現象最嚴重的為細土、細砂和部分有機材料，而大的砂石顆粒對路面產生堵塞的影響不大。Chopra等[13]調查了正在使用期的透水路面空隙中的堵塞物的粒徑分布，發現平均43%的堵塞物粒徑小于 0.075 mm，大部分為黏土狀的砂顆粒。洛輝[14]提出透水瀝青路面空隙中的堵塞物主要為顆粒較為細小的砂土以及油污、落葉等有機物，其中有機物的含量占比雖然小于10%，但因其具有一定的黏附性，易造成堵塞物的堆積。董星海等[15]根據透水瀝青路面的透水和凈化功能，提出了確定最佳清理時間點的方法。Mary等[16]研究發現堵塞物進入透水路面空隙內的最大深度約為12.7 mm，而一般的清掃車有效清洗深度約為3.18 mm。Winston等[17]對比了8種清洗方式的恢復效果，認為手持式真空泵、高壓清洗和銑刨能有效恢復堵塞的透水瀝青路面的滲水性能，其中銑刨25 mm后可完全恢復透水瀝青路面的滲水性能。

荷蘭和丹麥在20世紀90年代針對透水鋪裝的清洗開發了多種方法和不同的設備，其基本原理是采用噴嘴噴射水以及真空抽吸的方式進行機能恢復；日本的酒井重工開發的機能恢復設備采用了空氣抽吸的方式來完成作業，這種設備的工作速度可高達30 km/h，單位面積的養護成本較低，但效果較差，在路面建好之后需要采取高頻次的養護作業才能維持路面的排水機能[18]；日本世紀東急工業公司采取高壓水沖洗加負壓回收的方式開發一種透水瀝青路面機能恢復設備，這一設備的最佳工作速度是1 km/h，作業速度較低。

2009年，河南省高遠公路養護設備有限公司自行研制了國內首臺HGY5250TPH型排水性路面機能恢復車，其基本工作原理是先將高壓水噴射到路面內部，同時加入預置氣穴發生裝置產生大量的水泡而發生氣穴效應[19-20]。

目前國內現有的研究多為透水瀝青路面機能恢復車的整體研究，暫無對清孔方案本身的優化調整。現通過兩種設備組合模擬透水瀝青路面清孔設備中高壓噴水及負壓抽吸這兩個模塊的功能，采用正交試驗，根據不同設備參數下清孔的效果及其對混合料性能的影響，選出最佳參數組合，以提高透水瀝青路面清孔設備在實際應用中的經濟性及清孔效果。

1 混合料及設備準備

1.1 瀝青混合料準備

本研究重點在于對比不同清孔方式對同種路面的清孔效果及性能影響，無需進行特定的配合比研究，因此，直接采用交通部公路交通試驗場改性瀝青組PAC-13級配，并進行相應的基礎性能檢驗。選擇的PAC-13混合料配合比見表1，其中高黏劑與瀝青質量比為12∶88，礦粉占比5.9%，油石比為4.6%。基礎性能檢驗結果見表2。

表1 PAC-13透水瀝青混合料配合比Table 1 PAC-13 Porous asphalt mixture design

表2 PAC-13基礎性能檢測結果Table 2 Test results of basic performance of PAC-13 porous asphalt mixture

1.2 設備及試件準備

1.2.1 高壓水噴沖模塊

采用圖1中所示設備模擬清孔設備中的高壓水噴沖模塊，此設備可調節出水形態及噴頭水壓，參考現有的透水瀝青路面機能恢復車的實際情況，初步選擇扇形噴沖作為設備出水形態，噴頭水壓擬定為5、10、15 MPa，出水角度擬定為30°、45°、60°，沖洗次數分別為1、2、3。

1.2.2 負壓抽吸模塊

采用圖2所示設備模擬清孔設備中的負壓抽吸模塊，此設備可通過調節功率改變其吸力，三檔功率分別為1 600、3 200、4 800 W。

圖1 高壓水噴沖模塊Fig.1 High pressure water jet module

圖2 負壓抽吸模塊Fig.2 Negative pressure suction module

1.2.3 模擬堵塞方法

(1)按1∶1的比例取0～3 mm的海砂與機制砂并混合均勻，將其撒布于試件上，拍打并抖動試件，使堵塞物盡量沿試件空隙下滲。

(2)在試件表面灑水使其浸濕，將堵塞物均勻抹開并充分壓實。

(3)將試件放置1～2 d。

(4)觀察試件表面及空隙中的堵塞物，待試件晾干后，重復前面步驟3～5次，至試件表面無法觀察到明顯空隙，即可視為試件堵塞完成。

1.2.4 清孔方法

將完成堵塞的試件放置于帶滲水架的水池上，設置好高壓水噴沖模塊的噴頭水壓及出水形態，并調整好出水角度，隨后開始清孔。模擬清孔設備在路面運行的方式，控制水流從試件一側緩慢移動至另一側的用時為5 s，沖洗后打開負壓抽吸模塊，按實驗方案設置其功率，控制吸頭從試件一側緩慢移動至另一側的用時亦為5 s，此為一次完整清孔步驟。

2 正交試驗設計

2.1 試驗計劃

采用正交試驗設計方法確定設備參數，包括噴頭水壓(A)，出水角度(B)，沖洗次數(C)和負壓抽吸功率(D)，對4個參數進行正交試驗設計，確定最佳參數組合，每種因素設置3個水平，故選用L9(34)安排試驗。通過資料分析確定各因素的水平見表3，試驗計劃見表4。

表3 正交試驗因素水平表Table 3 Orthogonal factor level

表4 正交試驗計劃表Table 4 Orthogonal test schedule

2.2 性能評價指標

2.2.1 滲水系數恢復率

按照所提供PAC-13混合料配合比，成型車轍板試件(300 mm×300 mm×50 mm)，測定其滲水系數A0，隨后對試件進行堵塞，堵塞完成后再次測定滲水系數A1，最后按后續不同清孔方法進行清孔，并測定清孔后滲水系數A2。

滲水系數恢復率a計算公式為

a= (A2-A1)/(A0-A1)×100%

(1)

式(1)中：a為滲水系數恢復率，%；A0為堵塞前試件滲水系數，mL/min；A1為堵塞后試件滲水系數，mL/min；A2為清孔后試件滲水系數，mL/min。

2.2.2 肯塔堡飛散損失

按照所提供PAC-13混合料配合比成型馬歇爾試件，按后續不同清孔方法進行清孔，隨后參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)中的《瀝青混合料肯塔堡飛散試驗》(T0733—2011)，將馬歇爾試件投入洛杉磯磨耗儀中，在不加鋼球的情況下以30～33 r/min的轉速，旋轉300次，試件肯塔堡飛散損失率ΔS1計算公式為

ΔS1=(m0-m1)/m0×100%

(2)

式(2)中：ΔS1為試件的肯塔堡飛散損失，%；m0為試驗前試件的質量，g；m1為試驗后試件的殘留質量，g。

2.2.3 大型平板飛散損失

按照所提供PAC-13混合料配合比，成型車轍板試件(300 mm×300 mm×50 mm)，按后續不同清孔方法進行清孔，將試件晾干并稱重后，將其放于大型飛散儀中，在設定的溫度、壓力及速度下進行大型飛散試驗，試件大型平板飛散損失率ΔS2計算公式為

ΔS2=(m0-m1)/m0×100%

(3)

式(3)中：ΔS2為試件的大型平板飛散損失，%；m0為試驗前試件的質量，g；m1為試驗后試件的殘留質量，g。

大型平板飛散試驗裝置的參數設置見表5，試驗過程見圖3。

表5 大型平板飛散試驗參數設置Table 5 Parameter setting of large plate ravelling test

圖3 大型平板飛散試驗裝置Fig.3 Large plate ravelling test equipment

3 試驗結果及分析

3.1 正交試驗結果

正交試驗結果見表6。

表6 正交試驗結果Table 6 Orthogonal test results

3.2 正交試驗結果分析

由表6可得各個因素對不同指標影響大小順序如下。

滲水系數恢復率：A>B>D>C。

肯塔堡飛散損失：A≈B>D>C。

大型平板飛散損失：A>B=D>C。

各因素對指標影響見圖4。

圖4 各因素對3個指標的影響Fig.4 Influence of various factors on the three indicators

針對不同評價指標，正交試驗所確定的配方組分最佳方案并不相同。根據不同評價指標所初選的方案見表7。

表7 正交試驗初選方案Table 7 Primary scheme of orthogonal test

由表7可以看出，3個方案并不完全一致，為得到最優方案，采用綜合平衡法比較分析。

因素A(噴頭水壓)：對滲水系數恢復率來說，因素A以A3水平最優，達到55.36%，且A3水平相比較A1和A2水平而言，效果有明顯提升；對于兩種飛散損失來說，因素A均以A1水平最優，但相比較A2水平，A1水平下兩項飛散損失分別降低了0.47%和0.30%；而A3水平下，兩項飛散損失相比A1水平均只提高了1.33%，說明噴頭水壓對混合料飛散性能影響較小。對透水瀝青路面而言，在保證路面功能完整的前提下，滲水性能是主要指標，需滿足使用要求，且采用A3水平清孔后，其肯塔堡飛散指標(10.83%)仍滿足規范要求(15%)，因此綜合考慮后因素A選擇水平為A3。

因素B(入水角度)：3項指標中有兩項以B2水平為最優，只有大型平板飛散損失以B1為最優，且其與B2差距僅為0.33%，因此選擇B2為最優水平。

因素C(沖洗次數)：對滲水系數恢復率來說，因素C以C2水平最優，C2與C3水平非常接近。對于兩種飛散損失來說，因素C均以C2水平最優，且三項指標中，C因素的極差均為最低，說明因素C對清孔效果及路面損傷的影響最小，結合清孔成本，本文選擇C2作為最優水平。

因素D(回收功率)：對滲水系數恢復率來說，因素D以D3水平最優，原因可能為D1、D2水平功率較低，部分堵塞物未能吸出，因此滲水系數恢復水平較低。對兩種飛散損失來說，因素D均以D1水平最優，D3次之，D2最差，原因可能是D2水平可將部分堵塞物吸起，但并未完全吸出，這部分堵塞物在飛散試驗中掉出，造成試驗結果偏高；D1水平雖然優于D3，但二者差距極小，分別僅為0.07%和0.38%，且在滲水系數恢復率這一指標上二者差距較大，因此綜合考慮后，本文選擇D3作為最優水平。

通過綜合分析平衡后，選擇的最佳清孔方案為A3B2C2D3，即A噴頭水壓：15 MPa，B入水角度：45°，C沖洗次數：2，D回收參數：4 800 W。

4 現場清孔效果評價

交通運輸部公路交通試驗場改性瀝青組于2018年在公路交通試驗場內鋪筑了適用于機非混合道路面和停車場鋪裝全透水瀝青路面試驗路，并對該路進行了150 000次大型加速加載試驗，隨后采用本文方案對試驗路進行了現場清孔。試驗路的加速加載試驗所采用的設備為直線型加速加載試驗設備，該設備沿道路中線單向加載，為單軸雙輪軸載，加載軸載為10 t標準軸載。設備見圖5。選取路面點位D1、D2和D3，滲水系數試驗結果見表8。

圖5 加速加載設備Fig.5 Accelerated loading facility

表8 試驗路現場滲水系數試驗結果Table 8 Water permeability test results of test road

由表8可知，試驗路經過150 000次的加速加載及近3年的使用，堵塞已經非常嚴重，路面滲水系數由開始的10 240.7 mL/min下降至3 269.7 mL/min，低于規范中對其滲水系數的要求。在采用本文方案對堵塞的透水瀝青路面進行清孔后，路面的滲水系數恢復率可達45.7%，清孔后路面的滲水系數達到6 452.5 mL/min，滿足規范要求，說明本文方案可有效恢復堵塞的透水瀝青路面的滲水性能。

5 結論

設計了兩種設備組合模擬現有清孔設備中高壓噴水及負壓抽吸功能，該組合設備可以在一定區間內調節噴頭水壓、入水角度和負壓抽吸功率的數值，并設計正交試驗，以確定不同設備參數下清孔的效果及其對混合料性能的影響，最終得出的結論如下。

(1)參考現有的透水瀝青路面機能恢復車的實際情況，選擇扇形噴沖作為設備出水形態，并確定了具體的路面清孔設備運行的模擬方法。

(2)設計四因素三水平正交試驗，四因素分別噴頭水壓、出水角度、沖洗次數和負壓抽吸功率，以滲水系數恢復率、肯塔堡飛散損失及大型平板飛散損失為評價指標，分析試驗結果發現，噴頭水壓對試驗結果影響最大，出水角度和負壓抽吸功率其次，且二者較為接近，沖洗次數影響最小。

(3)綜合考慮3項評價指標及成本等因素，最終確定的最佳方案為噴頭水壓15 MPa、入水角度45°、沖洗次數2、回收功率4 800 W。

(4)采用本文方案對堵塞的透水瀝青試驗路清孔后，路面的滲水系數有較大提升，可恢復至滿足規范要求，說明本文方案可有效恢復路面的滲水性能。