陳　俊　 孔　燕　 黃曉明　 徐　艷　 Wang Linbing

(1河海大學(xué)土木與交通學(xué)院, 南京210098)(2東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京210096)(3The Via Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA 24061, USA)

車轍對大空隙瀝青路面橫向排水影響的室內(nèi)模擬測試

陳俊1孔燕1黃曉明2徐艷1Wang Linbing3

(1河海大學(xué)土木與交通學(xué)院, 南京210098)(2東南大學(xué)交通學(xué)院, 南京210096)(3The Via Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA 24061, USA)

摘要:為了研究縱向車轍對大空隙瀝青路面橫向排水的影響,研發(fā)了大空隙瀝青混合料滲水系數(shù)的室內(nèi)測試儀,該儀器可模擬路面橫坡和雨水在大空隙瀝青混合料中的流動(dòng)過程.采用車轍試驗(yàn)儀對8種類型的OGFC瀝青混合料試件進(jìn)行往復(fù)荷載作用來模擬車轍變形,并利用研發(fā)的滲水系數(shù)測試儀,測試具有不同車轍深度的瀝青混合料橫向滲水系數(shù),計(jì)算得到因車轍引起的混合料滲水系數(shù)衰減度.結(jié)果表明:車轍會(huì)明顯降低大空隙瀝青混合料的橫向滲水系數(shù);動(dòng)穩(wěn)定度與滲水系數(shù)衰減度無明顯關(guān)系,而大空隙瀝青混合料的車轍深度與滲水系數(shù)衰減度具有一定的線性關(guān)系,因此可作為控制滲水系數(shù)衰減的指標(biāo);增大集料的公稱最大粒徑、使用高黏改性瀝青、增大混合料空隙率能有效降低車轍引起的排水系數(shù)衰減程度.

關(guān)鍵詞:大空隙瀝青路面;車轍;滲水系數(shù)測試儀;滲水系數(shù)

與傳統(tǒng)密級(jí)配瀝青混合料鋪筑的傳統(tǒng)路面相比,排水性瀝青路面和開級(jí)配抗滑磨耗層因采用空隙率大、連通空隙多的瀝青混合料作為路面表層,而具有優(yōu)越的抗滑、防水霧和水濺、降噪和防眩光等性能.但是,近年來工程技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)部分排水性瀝青路面在使用一段時(shí)間后,上述優(yōu)良性能會(huì)快速下降,喪失了其相比于傳統(tǒng)路面所具有的優(yōu)勢.研究表明,空氣中的灰塵、輪胎的橡膠粉末、交通垃圾等堵塞路表空隙而引起的瀝青混合料空隙率下降是重要因素[1-5].

除空隙堵塞導(dǎo)致空隙率下降外,近年來還發(fā)現(xiàn)瀝青混合料永久變形也會(huì)引起空隙率下降,從而導(dǎo)致滲水系數(shù)下降[6].這就給降雨條件下排水性瀝青路面的排水帶來了潛在隱患.在正常條件下,雨水降落到路表后,沿著豎向空隙滲透到OGFC瀝青混合料內(nèi)部,并沿著路面橫坡通過OGFC內(nèi)的連通空隙排出路面.但在包括我國在內(nèi)的許多國家,車輛沿著右側(cè)行駛,重載、慢速車輛往往行駛在半幅路面的右側(cè)車道,在高溫條件下右側(cè)車道輪跡帶位置容易產(chǎn)生路表車轍,車轍出現(xiàn)之處可能產(chǎn)生滲水的“瓶頸”.尤其是右側(cè)車道處于滲水路徑的下游,一旦“瓶頸”阻礙或延緩雨水的橫向滲流,雨水就會(huì)在路表形成水膜,使路面喪失了通過大空隙瀝青混合料內(nèi)部排水以達(dá)到抗滑、防水霧和水濺的目的.由此可見,因大空隙瀝青混合料永久變形可能導(dǎo)致橫向排水困難的問題值得重視和深入研究.

盡管永久變形可能會(huì)引起路面橫向排水困難,但一直未針對該問題開展有效研究,其主要原因是,目前路面和室內(nèi)瀝青混合料滲水系數(shù)測試儀均不能完整地模擬雨水在大空隙瀝青混合料中的流動(dòng)過程、路面橫坡和排水“瓶頸”對橫向排水的阻礙作用[7-10].為此,本文將研發(fā)一種能夠模擬路面橫坡和雨水在大空隙瀝青混合料中流動(dòng)的變水頭滲水系數(shù)測試儀,并結(jié)合車轍試驗(yàn),測試不同車轍試驗(yàn)時(shí)間(不同的車轍深度)下瀝青混合料的滲水系數(shù),并與未產(chǎn)生車轍時(shí)的混合料滲水系數(shù)進(jìn)行比較,計(jì)算因車轍引起的橫向滲水系數(shù)衰減度.在此基礎(chǔ)上,研究了車轍對大空隙瀝青路面橫向排水的影響程度,并從瀝青混合料設(shè)計(jì)角度,獲得延緩或降低車轍對路面橫向排水負(fù)面影響的方法.

1滲水系數(shù)的變水頭測試儀

圖1是三車道組成的半幅排水瀝青路面示意圖,圖中雨水流動(dòng)有2個(gè)過程,即雨水先在OGFC內(nèi)豎向滲透,再通過連通空隙沿橫坡排出.

圖1　排水性瀝青路面雨水流動(dòng)路徑

根據(jù)這2個(gè)過程,本文研發(fā)了變水頭的滲水系數(shù)測試儀,如圖2所示.該測試儀的主要功能是:① 能模擬雨水在OGFC中的實(shí)際流動(dòng)狀態(tài);② 通過測試一定體積的水在OGFC板式試件(尺寸為300mm×300mm×50mm)內(nèi)流動(dòng)的時(shí)間,反映其橫向滲水系數(shù)的大小;③ 結(jié)合對OGFC板式試件的車轍試驗(yàn),能測試車轍對滲水系數(shù)的影響;④ 能通過旋轉(zhuǎn)圖2(a)左端的螺帽,實(shí)現(xiàn)對試件坡度的調(diào)節(jié),以模擬路面橫坡.

(a) 各組成部件圖

(b) 實(shí)體圖

大空隙瀝青混合料的滲水系數(shù)P按下式計(jì)算:

(1)

式中,m為測試儀中水箱內(nèi)注入水的質(zhì)量,g;t為從水閥打開至沒有水再滲出瀝青混合料試件的時(shí)間,s.

滲水系數(shù)的測試步驟如下:

① 根據(jù)研究的需要,旋轉(zhuǎn)螺帽調(diào)整好放置瀝青混合料試件平臺(tái)的坡度,本文采用的橫坡坡度為1%.

② 對瀝青混合料板式的4個(gè)表面(3個(gè)側(cè)面和1個(gè)底面),即圖3所示的未標(biāo)陰影表面,采用石蠟封住表面空隙,留一個(gè)側(cè)面(圖3中右側(cè)標(biāo)陰影面)作為滲水面.放入測試儀內(nèi),并在水箱內(nèi)注入500g水,測試瀝青混合料的初始滲水系數(shù)P0.

圖3　石蠟封住試件4個(gè)表面(未標(biāo)陰影)的空隙

③ 把試件放入車轍試驗(yàn)儀中,且保證車轍試驗(yàn)時(shí)橡膠輪運(yùn)動(dòng)方向與滲水側(cè)面平行;在60 ℃和0.7MPa條件下,橡膠輪往復(fù)運(yùn)動(dòng)10min后取出試件,放入滲水系數(shù)測試儀中,測試滲水系數(shù)P10.為了避免混合料試件溫度不明顯下降,給后續(xù)車轍試驗(yàn)造成不便,滲水系數(shù)測試儀水箱內(nèi)注入的水的溫度應(yīng)與瀝青混合料溫度相當(dāng),均為60 ℃,且滲水系數(shù)測試需在3min內(nèi)完成.

④ 重復(fù)步驟③,分別測試得到車轍試驗(yàn)20,30,40,50,60min后的瀝青混合料滲水系數(shù)P20,P30,P40,P50,P60,并按照下式計(jì)算車轍引起的滲水系數(shù)衰減度:

(2)

式中,Li為車轍試驗(yàn)imin后混合料滲水系數(shù)衰減度,%;Pi為車轍試驗(yàn)imin后混合料的滲水系數(shù),g/s.

按上述測試步驟對大空隙瀝青混合料進(jìn)行大量試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析表明所研發(fā)的滲水系數(shù)測試儀可靠性高,測試值的穩(wěn)定性和可重復(fù)性好,可以用于測試大空隙瀝青混合料的滲水系數(shù).

2車轍對滲水系數(shù)的影響

2.1原材料

大空隙瀝青混合料采用鎮(zhèn)江茅迪生產(chǎn)的玄武巖集料和石灰石礦粉,瀝青為SBS改性瀝青和一種高黏度改性瀝青(HVA).在表1所示的4種級(jí)配、2種設(shè)計(jì)空隙率下,采用輪碾法成型8組大空隙瀝青混合料試件,尺寸為300mm×300mm×50mm.

表1　試驗(yàn)用大空隙瀝青混合料原材料

注:d為篩孔尺寸.

2.2車轍試驗(yàn)不同時(shí)間后的滲水系數(shù)

采用研發(fā)的滲水系數(shù)測試儀,對按表1成型的混合料試件,測試獲得初始滲水系數(shù)以及車轍試驗(yàn)過程中每隔10min的滲水系數(shù),如圖4所示.可看出,隨車轍試驗(yàn)時(shí)間延長,8種類型的大空隙瀝青混合料的滲水系數(shù)均呈現(xiàn)先快速下降、后緩慢下降的趨勢,這說明車轍永久變形在大空隙瀝青混合料內(nèi)部形成了滲水的“瓶頸”,延緩或部分阻礙了水流的順利滲透.

圖4　車轍試驗(yàn)不同時(shí)間后混合料的滲水系數(shù)

為了分析集料公稱最大粒徑、瀝青品種和混合料空隙率對滲水系數(shù)衰減度的影響,對圖4中每隔10min采集的滲水系數(shù),按式(2)計(jì)算滲水系數(shù)衰減度,如圖5所示.由圖可見,滲透系數(shù)衰減的8條曲線主要分為2簇:一簇為滲透系數(shù)較小的試件1～試件4(空隙率為20%),另一簇為滲透系數(shù)較大的試件5～試件8(空隙率為25%).這表明盡管大空隙瀝青混合料的滲水系數(shù)均隨著車轍時(shí)間延長而下降,但空隙率較大混合料衰減后的滲透系數(shù)仍然大于空隙率較小的混合料.

圖5　車轍試驗(yàn)不同時(shí)間后混合料滲水系數(shù)衰減度

比較圖5中試件1與試件2的曲線,可發(fā)現(xiàn)在空隙率、級(jí)配完全相同情況下,采用高黏改性瀝青的試件2,其滲水系數(shù)衰減度小于試件1.對比試件3與試件4、試件5與試件6、試件7與試件8,也可得到相同的結(jié)論.可見,采用高黏改性瀝青有助于降低因車轍引起的滲水系數(shù)衰減.

比較圖5中試件1與試件3的曲線,可發(fā)現(xiàn)在空隙率和瀝青品種相同時(shí),集料最大公稱粒徑為9.5mm的試件3混合料,其滲水系數(shù)衰減度大于最大公稱粒徑為13.2mm的試件1混合料.對比試件2與試件4、試件5與試件7、試件6與試件8,也可得出類似的結(jié)論.這說明,采用公稱粒徑較大的集料對降低大空隙瀝青混合料車轍引起的滲水系數(shù)衰減有一定作用.由上述分析可知,通過使用高黏改性瀝青和公稱最大粒徑較大的集料可有效減少大空隙瀝青混合料滲水系數(shù)的衰減.

2.3車轍深度和動(dòng)穩(wěn)定度與滲水系數(shù)衰減度的關(guān)系

由2.2節(jié)可知,車轍引起的永久變形會(huì)導(dǎo)致大空隙瀝青混合料滲水系數(shù)的衰減.為了從控制永久變形角度限制滲水系數(shù)的衰減,本節(jié)研究常用于表征高溫抗變形能力的指標(biāo)與滲水系數(shù)衰減度的關(guān)系.

在車轍試驗(yàn)(60 ℃，0.7MPa)過程中,采集了荷載往復(fù)運(yùn)動(dòng)45和60min時(shí)的車轍深度D45和D60.并按照下式計(jì)算得出瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度:

(3)

同時(shí),由圖4和式(2)計(jì)算得到60min車轍試驗(yàn)結(jié)束后瀝青混合料滲水系數(shù)衰減度L60.

圖6給出了表1中8種瀝青混合料車轍試驗(yàn)結(jié)束時(shí)車轍深度、動(dòng)穩(wěn)定度與滲水系數(shù)衰減度L60的關(guān)系.由圖可見,經(jīng)過60min車轍試驗(yàn)后,大空隙瀝青混合料的滲水系數(shù)出現(xiàn)明顯下降,其下降程度在35%～60%之間,且車轍深度越大的瀝青混合料,其滲水系數(shù)衰減度L60越大,兩者呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系.

圖6　車轍深度和動(dòng)穩(wěn)定度與滲水系數(shù)衰減度的關(guān)系

從圖6還可看出,瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度與L60不存在明顯的關(guān)系,若兩者呈現(xiàn)線性關(guān)系,就會(huì)得出動(dòng)穩(wěn)定度越大的混合料,滲水系數(shù)衰減得越小的結(jié)論.但動(dòng)穩(wěn)定度大的大空隙瀝青混合料,其滲水系數(shù)衰減程度可能并不小.從這個(gè)角度,我國相關(guān)規(guī)范雖采用動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)評價(jià)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,但用在對大空隙瀝青混合料滲水系數(shù)的控制上可能行不通.因此,在控制大空隙瀝青混合料滲水系數(shù)衰減方面,通過控制車轍深度或永久變形量來實(shí)現(xiàn)要優(yōu)于通過控制動(dòng)穩(wěn)定度.本文試驗(yàn)對象只是表1所示的8組瀝青混合料,上述研究結(jié)論需要更多的試驗(yàn)樣品以及對實(shí)際路面性能的觀測加以驗(yàn)證.

3結(jié)論

1) 研發(fā)的大空隙瀝青混合料滲水系數(shù)測試儀,不僅能模擬路面的橫坡、雨水流動(dòng)的過程,而且與車轍試驗(yàn)相結(jié)合,能測試車轍對滲水系數(shù)的衰減作用.

2) 車轍會(huì)明顯降低大空隙瀝青混合料的橫向滲水系數(shù);大空隙瀝青混合料的車轍深度與滲水系數(shù)衰減度具有一定的線性關(guān)系,可作為控制滲水系數(shù)衰減的指標(biāo).

3) 使用高黏改性瀝青和公稱最大粒徑較大的集料可有效減少大空隙瀝青混合料滲水系數(shù)的衰減.

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Laboratoryevaluationoftheeffectoflongitudinalruttingontransversalpermeabilityinporousasphaltpavement

ChenJun1KongYan1HuangXiaoming2XuYan1WangLinbing3

(1CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China) (2SchoolofTransportation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China) (3TheViaDepartmentofCivilandEnvironmentalEngineering,VirginiaPolytechnicInstituteandStateUniversity,Blacksburg,VA24061,USA)

Abstract:To investigate permeability loss or reduction due to longitudinal rutting, a permeameter was developed with consideration of both rainwater flowing procedure and the pavement transversal slope. Wheel rutting tests were conducted on the eight types of open graded friction course (OGFC) samples to simulate the rutting deformation. The developed permeameter was used to test the permeability of OGFC samples with different rutting depths. The permeability loss due to rutting deformation was calculated. Results show that permeability loss due to deformation-related clogging is significant. The permeability coefficient has no significant relationship with the dynamic stability, but it decreases linearly with the increasing rutting depth of the OGFC mixtures. The rutting depth is recommended as a design index to control the permeability loss of the OGFC mixture rather than the dynamic stability. Permeability loss due to deformation-related clogging can be reduced effectively by using large nominal maximum aggregate size, high viscosity asphalt binder and large air voids.

Key words:porous asphalt pavement; rutting; permeameter; permeability

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.021

收稿日期:2015-09-18.

作者簡介:陳俊(1981—), 男, 博士, 副教授, chen_jun2728@163.com.

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51208178)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2015B17014).

中圖分類號(hào):U414

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1001-0505(2016)03-0584-05

引用本文: 陳俊,孔燕,黃曉明，等.車轍對大空隙瀝青路面橫向排水影響的室內(nèi)模擬測試[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(3):584-588.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.021.