空隙堵塞狀態下排水瀝青混合料滲水性能衰變研究

賁梁良 李剛 李典 劉超

摘要：為研究排水瀝青混合料在堵塞和車輛動載作用下滲水性能的衰變規律，以及清洗后滲水性能的恢復情況，文章采用室內模擬試驗，以透水系數為指標對排水瀝青混合料滲水性能衰變規律進行研究。結果表明：隨著排水瀝青混合料空隙率增加，其堵塞物敏感顆粒粒徑隨之增加，抵抗堵塞和擊實作用能力越強；空隙率越大，排水瀝青混合料經過清洗后的透水系數恢復效果越好；對比三種不同清洗方式對排水瀝青混合料滲水性能的恢復效果，其中高壓沖刷的清洗效果最佳，人工洗刷的效果最差；綜合考慮不同空隙率試件的堵塞敏感顆粒粒徑、抗堵塞能力、抗擊實作用以及清洗后滲水性能恢復效果，推薦空隙率22%作為排水路面的設計空隙率，高壓沖刷為路面的清洗方式。

關鍵詞：排水路面；透水系數；空隙率；動載作用；清洗方式

中圖分類號：U416.03? ?文獻標識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0028-05

0 引言

與目前公路上應用最廣泛的密級配瀝青混合料相比，排水瀝青路面具有改善路表排水、有效減少積水造成的水霧和眩光等優勢，同時也具有高抗滑性能、吸收噪音、降低路表溫度等特點［1-2］。然而排水路面在運營過程中塵土、砂石和輪胎碎屑等污染物的堵塞以及車輛動載作用會導致其滲水性能嚴重衰減，這是制約排水瀝青路面（PAC）大規模應用的主要原因［3］。

瀝青混合料體積參數受級配和油石比影響，不同級配和油石比下，空隙空間分布形式和大小不同，對PAC初始排水性能和抗堵塞能力的影響也不同［4-5］。Liu［6］等通過室內降雨模擬器試驗確定PAC的最終排水能力，發現除了路面空隙率以外，路面寬度和車道數量也是影響排水能力的一個重要因素。Yoo［7］通過車轍試驗模擬荷載作用，研究了不同車轍深度與路面橫向排水能力之間的關系，為PAC設計過程中考慮長期交通荷載作用打下理論基礎。Liu［8］通過對PAC的長期觀測，發現應急車道透水性最差，堵塞最嚴重，而車速高的行車道透水性更好。Wu［9］利用開發的降水模擬器、滲透性測量裝置以及車轍試驗，研究了PAC體積參數與透水性能之間的關系，并量化了路面透水性能與服役時間的關系。此外PAC常用的養護方式有高壓水洗、真空泵吸以及人工掃刷等［10］。

綜上所述，目前國內外多數研究都是考慮單一因素對PAC滲水性能的影響。對堵塞物粒徑、車輛動載作用對PAC滲水性能影響研究較少，并且不同清洗方式對PAC滲水性能恢復效果的影響尚不明確。因此本文以PAC空隙率為變量，采用透水系數為評價指標，研究不同空隙率PAC的敏感顆粒粒徑、車輛動載作用對PAC滲水性能的影響，以及人工洗刷、真空泵吸和高壓沖刷對PAC滲水性能恢復效果的影響。

1 試驗方案

1.1 排水瀝青混合料的制備

本文以空隙率為變量，設計了3種不同空隙率的PAC-13瀝青混合料，分別為18%、20%和22%，其配合比信息如表1所示。

1.2 評價指標與試驗方法

本研究采用透水系數來評價排水路面的滲水性能，采用常水頭馬歇爾試件透水系數測量裝置，試驗步驟為：將不脫模的馬歇爾試件置于裝置的操作臺上，馬歇爾試件上表面朝上，將模具上部涂抹適量的凡士林，與儀器的套筒連接；打開儀器水龍頭，將出水量調節至合適大小，使得上部的溢流口和下部的出水口水流保持穩定，試件上部和下部水頭差保持穩定，并記錄當前穩定的水頭差；點擊試驗開始按鈕，用量筒接取從換流閥流出的水（持續接取5 s）；記錄量筒中的水量，并結合式（1）計算透水系數：

Crw=LQAh（t2-t1）（1）

式中：Crw——透水系數（cm/s）；

Q——滲透經過試件的水量（mL）；

t1、t2——測試的開始時間與結束時間（s）；

L——試件高度（cm）；

A——試件的橫截面面積（cm2）；

h——水頭高度（cm）。

[=XDL（]空隙堵塞狀態下排水瀝青混合料滲水性能衰變研究/賁梁良，李 剛，李 典，劉 超

1.3 堵塞敏感性顆粒試驗方法

堵塞物粒徑太粗或太細對路面的堵塞效果有限，根據相關研究［11］，當堵塞物粒徑＜0.075 mm時，幾乎不會對路面造成堵塞；當粒徑＞4.75 mm時，堵塞物無法進入路面內部空隙。所以選取0.075～4.75 mm的細集料，其組成如表2所示。

將表2中的堵塞材料分三次均勻撒布在試件表面，適當震蕩試件后在其表面均勻灑水1 000 mL，并收集從試件濾出的水。烘干濾出試件顆粒至恒重后進行篩分；每次試驗完畢后，用毛刷收集未進入試件的顆粒，烘干至恒重后篩分。將各檔料的總質量減去未進入試件和濾出試件的顆粒質量即可得到堵塞在試件內顆粒的質量。

1.4 車輛動載模擬參數確定

本研究在室內采用馬歇爾擊實儀模擬行車荷載，參考車轍試驗的加熱條件，先將試件在60 ℃的烘箱內加熱5 h以上，并使用擊實儀進行0～30次的擊實，以5次為間隔，來模擬車輛動荷載作用［12］。同時，在試件上分別撒布0 g、5 g、10 g、15 g、20 g的堵塞物分別進行試驗，每擊實5次后測定其透水系數。

1.5 循環堵塞-清洗試驗方法

為模擬PAC在服役過程中的實際工況，采用循環堵塞-清洗的試驗方法，測定試件的初始透水系數后；在試件表面撒布5 g堵塞物，并在試件表面均勻灑水1 000 mL，測定試件透水系數，對試件清洗后再次測定試件透水系數。以此為1個循環，一共進行6個循環，直至堵塞物撒布量達到30 g為止。采用透水系數保有率評價清洗后滲水性能的恢復效果，計算如式（2）所示：

γ=CnC0×100%（2）

式中：γ——透水系數保有率（%）；

C0——初始透水系數（cm/s）；

Cn——循環n次后的透水系數（cm/s）。

清洗方式有人工洗刷、真空泵吸和高壓沖刷。人工洗刷為使用毛刷將試件表面肉眼可見的顆粒刷除；真空泵吸為使用吸塵器在試件表面抽吸2 min；高壓沖刷是使用高壓水槍沖洗2 min。

2 試驗結果及分析

2.1 堵塞敏感顆粒分析

下頁圖1為不同空隙率PAC-13試件堵塞顆粒的分布情況曲線圖。觀察發現，隨著堵塞物粒徑的增大，表面殘留顆粒的比例也相應上升。當粒徑超過0.6 mm的堵塞物進入PAC試件內部后幾乎不會隨水流流出，這部分堵塞物將會留在PAC內部對空隙造成堵塞，影響路面滲水性能。隨著空隙率的增加，濾出0.15～0.3 mm顆粒的比例逐漸增大，說明具有較大空隙率的PAC路面有更好的抗堵塞性能。

比較不同空隙率的堵塞敏感性顆粒粒徑分布可知，0.075～1.18 mm粒徑范圍內的堵塞物是造成空隙率為18%和20%的PAC試件堵塞的主要粒徑，其中0.075～0.15 mm對兩者的影響最大，殘留在試件內部的比例分別為82.13%和79.73%。對于空隙率為22%的PAC試件，0.6～1.18 mm的堵塞物對其影響最大，殘留在試件內部的比例為80.79%。基于前人研究［13-14］，粒徑小于0.3 mm的堵塞物占總堵塞物的絕大多數，所以空隙率為22%的PAC路面在實際工況下具有更好的抗堵塞能力。

2.2 模擬車輛動載作用下PAC滲水性能變化

下頁圖2是未經堵塞的PAC試件透水系數隨擊實的變化情況曲線圖，從圖2可以看出，PAC的透水系數隨擊實次數的增加而衰減。空隙率為18%和20%的PAC試件隨擊實次數增加，其透水系數衰減呈先快后慢的趨勢，并且在擊實次數由25次增加至30次時，兩者的透水系數呈現驟降趨勢。22%空隙率的PAC試件的透水系數下降速度大于空隙率為18%和20%的PAC試件，且衰減趨勢近似線性，沒有呈現出先快后慢的趨勢。對PAC試件擊實，實際就是壓縮試件內部的空隙，因此導致試件的透水系數衰減。對于空隙率為18%和20%的PAC試件，初始狀態下試件的空隙較大，結構比較容易被壓縮，所以試件透水系數衰減速度快，隨著擊實次數的增加，空隙難以被壓縮，導致試件透水系數衰減速度減緩，但是隨著擊實次數的持續增加，導致試件內部的空隙結構被破壞，造成透水系數驟降。對于空隙為22%的PAC試件，其內部空隙豐富，空隙等效直徑大，導致其透水系數在動載作用下并沒有呈現明顯的先快后慢的趨勢，也沒有出現透水系數驟降的情況。

統計3種空隙率的PAC試件在不同堵塞程度下隨擊實次數的增加，其透水系數變化規律如圖3所示。由圖3可知，在相同空隙率的情況下，隨著堵塞程度加劇，路面透水系數下降速度有減緩趨勢，這與前文中空隙越大越容易被壓縮的觀點一致。在20 g堵塞物的堵塞狀態下，空隙率18%和20%的PAC試件在擊實30次后，透水系數已經＜0.05 cm/s，幾乎失去排水能力。空隙率22%的PAC試件在20 g堵塞狀態下，擊實次數達到30次后，其透水系數仍有0.3 cm/s左右，具備一定的排水能力，說明空隙率22%的PAC試件可以更好地抵抗堵塞和擊實作用。

2.3 循環堵塞-清洗對PAC滲水性能恢復的影響

下頁圖4為PAC試件在循環堵塞-清洗過程中，采用不同清洗方式的透水系數變化趨勢圖。從圖4可以看出，隨著循環堵塞次數的增加18%和20%空隙率試件的透水系數衰減趨向平緩，而22%空隙率的透水系數衰減速率并沒有減慢的跡象。以圖4中（c）（f）（i）高壓沖刷為例，試件在每次被堵塞后進行高壓沖刷，其滲水性能可以恢復一部分，不同空隙率試件的恢復程度不同。以圖4中（a）～（f）為例，經過6個循環堵塞-清洗后，18%和20%空隙率的PAC試件透水系數相差微小，這表明清洗方式對透水系數的影響并不顯著。可能的原因在于，當空隙率較小時，試件的等效空隙直徑相應減小，內部結構變得復雜，使進入試件內部的污染物難以清除，導致三種清洗方式只能清除試件表面的堵塞物，所以對于透水系數的恢復影響較為有限。對于22%空隙率的PAC試件，在循環結束后，采用人工洗刷、真空泵吸和高壓沖刷的透水系數分別為0.152 cm/s、0.204 cm/s、0.244 cm/s。說明對于22%空隙率的PAC試件，高壓沖刷的清洗效果最佳，人工洗刷的效果最差。這是由于人工洗刷只能作用于試件表面，對于進入試件內部的污染物無法清除，因此恢復效果較差。而使用高壓沖刷時，試件內部的污染物可以在高壓水流的作用下被沖出試件，透水系數的恢復效果較好。

圖5為循環堵塞-高壓沖刷下空隙率對PAC滲水系數保有率γ的影響趨勢圖。由圖5可知，在相同循環次數下，隨著空隙率的增加，試件的透水系數保有率也在增大。在循環結束后，22%空隙率PAC保有率為32.23%，而空隙率為18%和20%的PAC保有率分別為15.94%和22.70%，說明隨著空隙率增加，高壓沖刷對試件透水系數恢復效果加強。這是因為空隙率越大，其內部的等效空隙直徑越大［15］，堵塞物進入試件后更加容易被排出，所以空隙率越大，清洗后PAC的透水系數恢復效果越好。

3 結語

（1）隨著空隙率增加，PAC試件的堵塞敏感顆粒粒徑增加。空隙率為18%和20%的PAC試件，0.075～0.15 mm范圍內的顆粒是造成其堵塞的關鍵粒徑；空隙率22%的PAC試件其堵塞敏感顆粒粒徑為0.6～1.18 mm。

（2）空隙率越大，在擊實作用下，PAC試件的滲水性能衰減越快；空隙率為22%的PAC試件可以更好地抵抗擊實和堵塞作用。

（3）空隙率越大的PAC試件經過清洗后，透水系數恢復效果越好；對于空隙率為18%和20%的PAC試件，不同清洗方式對其滲水性能恢復效果影響不大；空隙率為22%的PAC試件，高壓沖刷的清洗效果最佳，人工洗刷的效果最差。

（4）綜合考慮不同空隙率PAC試件的堵塞敏感顆粒粒徑、抗堵塞能力、抗擊實作用以及清洗后滲水性能恢復效果，推薦空隙率22%作為排水路面的設計空隙，高壓沖刷為路面的清洗方式。

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基金項目：廣西住建廳科學技術計劃項目“赤泥鋼渣瀝青混合料的性能研究及其在市政道路中的應用研究”（桂建函〔2020〕783號）

作者簡介：賁梁良（1990—），工程師，主要從事道路工程研究工作。