向 浩，朱洪洲，陳柳曉，鐘偉明

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

水損害是我國(guó)瀝青路面早期病害之一，其主要原因在于路面局部空隙率過大，外部水滲入路面后，動(dòng)水壓力反復(fù)沖刷作用使瀝青混凝土中集料與瀝青分離，最終導(dǎo)致路面坑槽、松散等病害。而離析是造成路面局部空隙率過大的重要原因，瀝青混合料在拌和、運(yùn)輸和攤鋪過程中受環(huán)境和工藝影響導(dǎo)致溫度與集料出現(xiàn)差異[1-4]。由于差異存在，瀝青混合料在壓實(shí)過程中出現(xiàn)各區(qū)域壓實(shí)不均勻和空隙率不均勻的現(xiàn)象，從而影響瀝青混合料的滲透性能。然而，我國(guó)JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[5]中對(duì)混合料離析沒有相應(yīng)要求。

諸多研究者對(duì)路面離析進(jìn)行了研究。例如：鄭曉光等[6]通過現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)分析了現(xiàn)場(chǎng)溫度變化規(guī)律，得到了溫度離析嚴(yán)重的區(qū)域容易導(dǎo)致路面出現(xiàn)水損害和疲勞破壞；胡力群等[7]采用紅外熱像儀拍攝路面得到溫度分布狀況，分析后提出以溫度離析度來評(píng)價(jià)溫度均勻性；鄧德毅[8]采用網(wǎng)格法對(duì)滲水系數(shù)進(jìn)行分析，最終提出一種以滲水系數(shù)作為離析評(píng)價(jià)指標(biāo)的綜合離析評(píng)價(jià)方法；李立寒等[9]通過室內(nèi)試驗(yàn)分析混合料級(jí)配離析狀態(tài)和離析程度對(duì)混合料路用性能的影響，得到粗集料集中區(qū)域滲水性增大，對(duì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性極為不利。但這些研究卻未將溫度離析和級(jí)配離析對(duì)路面滲透性能的影響進(jìn)行對(duì)比，也很少將離析程度與滲透系數(shù)關(guān)系進(jìn)行量化。因此，筆者通過設(shè)計(jì)室內(nèi)試驗(yàn)分析離析對(duì)瀝青混合料滲透性能的影響，對(duì)比溫度離析和級(jí)配離析對(duì)滲透性不同的影響，提出了離析容許變化程度等相關(guān)建議。

1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

1.1 原材料

本次試驗(yàn)瀝青為70 #基質(zhì)瀝青，其基本性質(zhì)見表1[10]。

表1 瀝青的基本性質(zhì)Table 1 Basic properties of asphalt

1.2 集 料

集料采用石灰?guī)r礦料，礦粉采用石灰?guī)r礦粉(密度為2.718 g/cm3)，按照J(rèn)TG E42—2015《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》[11]要求進(jìn)行試驗(yàn)，其基本性能見表2。

表2 集料基本性質(zhì)Table 2 Basic properties of aggregate

1.3 混合料級(jí)配

為研究溫度離析對(duì)混合料滲透性能的影響，試驗(yàn)中采用瀝青混合料級(jí)配類型分別為AC-13、AC-20、ATB-25，這3種瀝青混合料的級(jí)配值見表3。通過馬歇爾試驗(yàn)確定了AC-13的最佳油石比為4.8%，AC-20的最佳油石比為4.3%，ATB-25的最佳油石比為3.8%。

表3 瀝青混合料級(jí)配組成Table 3 Gradation composition of asphalt mixture

目前各國(guó)對(duì)級(jí)配離析程度指標(biāo)尚未達(dá)成統(tǒng)一共識(shí)，但多以各篩孔通過率變異系數(shù)作為主要評(píng)價(jià)指標(biāo)[12-13]。美國(guó)國(guó)家聯(lián)合公路研究所重點(diǎn)研究了瀝青路面離析的檢驗(yàn)及評(píng)價(jià)方法，通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果和室內(nèi)模擬試驗(yàn)的結(jié)果之間的相互對(duì)比，分析了不同程度的離析對(duì)混合料性能以及路面關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的影響，并通過NCHRP-441項(xiàng)目提出混合料離析程度標(biāo)準(zhǔn)[14](表4)。麻旭榮等[15]、LI Xuelian等[16]和L.N.MOHAMMAD等[17]分別認(rèn)為瀝青混合料級(jí)配離析程度可用級(jí)配偏差值、瀝青用量、空隙率和理論最大密度差值等指標(biāo)進(jìn)行判別和評(píng)價(jià)。

筆者借鑒美國(guó)NAPA離析技術(shù)指標(biāo)的思路，提出以4.75 mm篩孔作為粗細(xì)集料關(guān)鍵篩孔，4.75 mm篩孔以下集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化比例作為判斷離析程度的評(píng)價(jià)指標(biāo)，如式(1)：

(1)

式中：n為離析程度(越趨近于1表明離析程度越大)；a為未離析時(shí)通過4.75 mm篩孔的集料質(zhì)量；b為離析后通過4.75 mm篩孔的集料質(zhì)量。

表4 NAPA判定離析的技術(shù)指標(biāo)Table 4 Technical indicators for segregation determined by NAPA

級(jí)配離析試驗(yàn)以AC-13、AC-20、ATB-25級(jí)配中值為參考級(jí)配，視為未離析(n=0)；選擇n=0、0.3、0.5、0.75作為試驗(yàn)級(jí)配，具體級(jí)配曲線通過反算得到，如圖1。

圖1 各類型混合料級(jí)配離析后級(jí)配曲線Fig. 1 Gradation curves of various types of mixtures after gradationsegregation

結(jié)合美國(guó)NAPA判定離析技術(shù)指標(biāo)中的級(jí)配變化與瀝青含量變化評(píng)價(jià)方法，發(fā)現(xiàn)與文中所提瀝青混合料級(jí)配離析程度評(píng)價(jià)指標(biāo)吻合度很高，而該評(píng)價(jià)方法與指標(biāo)更直觀易懂、便于計(jì)算，因此選用表5中級(jí)配離析程度評(píng)價(jià)指標(biāo)用于研究。

表5 離析程度評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 5 Evaluating index of segregation degree

1.4 試驗(yàn)設(shè)備

鑒于國(guó)內(nèi)對(duì)馬歇爾試件滲透系數(shù)測(cè)定暫無統(tǒng)一儀器，筆者參照達(dá)西定律理論和國(guó)內(nèi)外滲透儀設(shè)計(jì)方法[18-20]，設(shè)計(jì)并制作了用于室內(nèi)馬歇爾試件滲透系數(shù)測(cè)定的變水頭滲透儀，如圖2。

圖2 自制變水頭滲透儀結(jié)構(gòu)Fig. 2 Osmotic structure of self-made variable head permeameter

該設(shè)備基本工作原理是通過試件不脫模達(dá)到改善側(cè)邊滲水的目的，優(yōu)點(diǎn)在于驗(yàn)操作簡(jiǎn)單、適用性強(qiáng)，具體操作步驟為：試驗(yàn)開始，安裝好試驗(yàn)儀器；打開2、6號(hào)閥門，從8號(hào)管通水至1號(hào)量筒內(nèi)一定高度后，關(guān)閉閥門2、6；打開閥門6，讓試件下方多余水從閥門6流出后，關(guān)閉閥門6；打開閥門2、6時(shí)，記錄開始t1時(shí)間、量筒內(nèi)液面高度h1，記錄結(jié)束t2時(shí)間、量筒內(nèi)液面高度h2。

變水頭滲透系數(shù)K計(jì)算如式(2)：

(2)

式中：K為滲透系數(shù)，cm/s；a為滲透試件橫截面面積，cm2；L為滲透試件平均高度，cm；A為量筒內(nèi)截面面積，cm2；t為滲透時(shí)間，t=t2-t1，s。

2 溫度離析

2.1 溫度與空隙率關(guān)系

試驗(yàn)溫度分別采用140、120、100、80、60 ℃；試件空隙率的測(cè)定采用表干法，得到各類型混合料壓實(shí)溫度與空隙率的關(guān)系，如圖3。

圖3 溫度與空隙率的關(guān)系Fig. 3 Relationship between temperature and void ratio

由圖3得到3種不同級(jí)配類型瀝青混合料具有相似變化規(guī)律。同類級(jí)配材料，空隙率隨壓實(shí)溫度的升高而降低，且相關(guān)性良好；粒徑較大的級(jí)配在相同壓實(shí)溫度下空隙率更大，變化幅度也略大于粒徑較小的級(jí)配，壓實(shí)溫度每降低10 ℃空隙率約增大1.3%；3種不同級(jí)配類型壓實(shí)溫度與空隙率的關(guān)系式可歸納為表6。

表6 壓實(shí)溫度與空隙率關(guān)系Table 6 Relationship between compaction temperature and void ratio

2.2 溫度離析對(duì)滲透系數(shù)的影響

利用自制變水頭滲透儀對(duì)混合料試件滲透系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，得到各級(jí)配類型試件滲透系數(shù)隨壓實(shí)溫度離析的試驗(yàn)結(jié)果，如表7。并根據(jù)表7壓實(shí)溫度離析試驗(yàn)結(jié)果得到壓實(shí)溫度、空隙率與滲透系數(shù)的關(guān)系，如圖4。

圖4為壓實(shí)溫度與滲透系數(shù)的關(guān)系曲線，滲透系數(shù)取值為對(duì)應(yīng)壓實(shí)溫度的滲透系數(shù)均值。結(jié)果表明：壓實(shí)溫度和空隙率均與滲透系數(shù)有良好的相關(guān)性，3種不同類型混合料的滲透系數(shù)隨著壓實(shí)溫度的降低而增大，且增加幅度越來越大。3條曲線均在120 ℃左右處有明顯拐點(diǎn)，壓實(shí)溫度大于120 ℃時(shí)，滲透系數(shù)很?。粔簩?shí)溫度小于120 ℃后，滲透系數(shù)明顯增加，特別是當(dāng)溫度低于100 ℃時(shí)，滲透系數(shù)增長(zhǎng)速率迅速提高。此外，最大粒徑較大的混合料滲透系數(shù)在溫度較高時(shí)略大于最大粒徑較小的混合料；隨著壓實(shí)溫度降低，粒徑較大的瀝青混合料滲透系數(shù)增幅要大于粒徑較小混合料，空隙率與滲透系數(shù)關(guān)系和壓實(shí)溫度與滲透系數(shù)關(guān)系相似。

表7 壓實(shí)溫度離析試驗(yàn)結(jié)果Table 7 The test result of compaction temperature segregation analysis

(續(xù)表7)

圖4 壓實(shí)溫度、空隙率與滲透系數(shù)關(guān)系Fig. 4 Relationship among compaction temperature, void ratio and permeability coefficient

3 級(jí)配離析

3.1 級(jí)配與空隙率關(guān)系

試件空隙率測(cè)定采用表干法，得到各級(jí)配混合料試件離析程度與空隙率的關(guān)系，如圖5。

圖5 級(jí)配離析程度與空隙率關(guān)系Fig. 5 Relationship between degree of gradation segregation and void ratio

由圖5可知：AC-13、AC-20和ATB-25這3種級(jí)配未離析時(shí)空隙率均值分別為：4.81%、4.74%、5.1%；輕度離析時(shí)均值空隙率為：7.37%、7.78%、8.35%；中度離析時(shí)均值空隙率為：9.99%、10.71%、12.32%；重度離析時(shí)均值空隙率為：14.14%、15.35%、16.60%。結(jié)果表明：瀝青混合料隨著離析程度增大，空隙率也逐漸增大；相同級(jí)配離析程度下，粒徑較大級(jí)配混合料空隙率大于粒徑較小的級(jí)配混合料；輕度離析(n=0.30)混合料空隙率較未離析混合料增大數(shù)值約為3.01%，增加幅度約為61.51%；中度離析(n=0.50)混合料空隙率較未離析混合料增大數(shù)值約為6.12%，增加幅度約為125.51%；重度離析(n=0.75)混合料空隙率較未離析混合料增大數(shù)值約為10.48%，增加幅度約為214.72%。

3.2 級(jí)配離析對(duì)滲透系數(shù)的影響

利用自制變水頭滲透儀對(duì)混合料試件滲透系數(shù)進(jìn)行測(cè)定，得到各級(jí)配類型試件滲透系數(shù)隨級(jí)配離析的試驗(yàn)結(jié)果(表8)。由表8的級(jí)配離析試驗(yàn)結(jié)果得到級(jí)配、空隙率與滲透系數(shù)的關(guān)系，如圖6。

由表8可得知：AC-13、AC-20、ATB-25這3種級(jí)配在離析狀態(tài)下空隙率范圍分別為：4.55%～15.54%、4.44%～16.07%、4.77%～17.21%；滲透系數(shù)范圍分別為：8.01E-05～0.145、9.91E-05～0.351、6.77E-05～0.633 cm/s。滲透系數(shù)隨級(jí)配離析程度的增加而增大：在輕度離析(n≤0.4)范圍以內(nèi)，混合料滲透系數(shù)增加較緩慢；達(dá)到中度離析(0.4

表8 級(jí)配離析試驗(yàn)結(jié)果Table 8 Test results of gradation segregation

圖6 級(jí)配離析程度、空隙率與滲透系數(shù)關(guān)系Fig. 6 Relationship amongdegree of gradation segregation, void ratio and permeability coefficient

4 分析與小結(jié)

對(duì)比AC-20和ATB-25這兩種級(jí)配混合料在溫度離析和級(jí)配離析狀態(tài)下的測(cè)定結(jié)果，可得到溫度離析和級(jí)配離析對(duì)滲透性能不同的影響。

同一類型瀝青混合料、相同空隙率情況下〔圖7(a)〕，發(fā)生溫度離析和級(jí)配離析后的滲透系數(shù)有差異，尤其是當(dāng)空隙率較大的時(shí)候，發(fā)生溫度離析混合料滲透系數(shù)要小于發(fā)生級(jí)配離析的滲透系數(shù)，且空隙率越大差異值越大。例如：AC-20混合料在溫度離析、空隙率均值為14%時(shí)，滲透系數(shù)均值為0.12 cm/s，而級(jí)配離析相同空隙率情況下，滲透系數(shù)均值為0.14 cm/s，級(jí)配離析滲透系數(shù)比溫度離析滲透系數(shù)約高16.7%；ATB-25混合料在溫度離析、空隙率均值為16%時(shí)，滲透系數(shù)均值為0.41 cm/s；而級(jí)配離析相同空隙率情況下，滲透系數(shù)均值為0.52 cm/s，級(jí)配離析的滲透系數(shù)比溫度離析滲透系數(shù)約高25%。

同一種類離析類型、相同離析程度情況下〔圖7(b)〕，粒徑較大的混合料滲透系數(shù)大于粒徑較小混合料滲透系數(shù)。例如：ATB-25混合料在壓實(shí)溫度為80 ℃狀態(tài)下滲透系數(shù)均值為0.077 cm/s；而相同溫度離析情況下，AC-20混合料滲透系數(shù)均值為0.053 cm/s，ATB-25混合料滲透系數(shù)比AC-20混合料約高45%；ATB-25混合料在重度級(jí)配離析狀態(tài)下滲透系數(shù)均值為0.53 cm/s；而相同離析程度情況下，AC-20混合料滲透系數(shù)均值為0.28 cm/s，ATB-25混合料滲透系數(shù)比AC-20混合料約高95%。

圖7 離析狀態(tài)下空隙率與滲透系數(shù)關(guān)系Fig. 7 Relationship between void ratio and permeability coefficient under segregation

結(jié)合溫度離析和級(jí)配離析混合料試件試驗(yàn)結(jié)果以及試驗(yàn)現(xiàn)象，筆者對(duì)密級(jí)配瀝青混合料滲透性能進(jìn)行了總結(jié)(表9)，并發(fā)現(xiàn)現(xiàn)行JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中對(duì)密級(jí)配瀝青混合料滲透性能規(guī)范要求值120 mL/min(參照文獻(xiàn)[21]中轉(zhuǎn)換公式〔式(3)〕可轉(zhuǎn)換為0.001 9 cm/s)偏高，上限值的滲透量仍十分可觀。

CW=62 373K+0.478 8

(3)

式中：CW為滲水系數(shù)，mL/min；K為滲透系數(shù)，cm/s。

表9 混合料滲透性能總結(jié)Table 9 Mixture permeability performance summary

因此，筆者認(rèn)為需更為嚴(yán)格地控制密級(jí)配瀝青路面滲透性能，降低其最高要求值，建議將滲透系數(shù)上限定為0.001 cm/s，即85 mL/min。該指標(biāo)數(shù)值也與美國(guó)瀝青技術(shù)研究中心推薦的細(xì)級(jí)配瀝青混合料臨界值不謀而合，其中0.001 cm/s的滲透系數(shù)在試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的空隙率臨界值約為7%(圖8)。為保證路面在使用過程中有良好抗?jié)B透性能，建議將7%的現(xiàn)場(chǎng)空隙率作為滲透性質(zhì)量檢測(cè)指標(biāo)，與滲透系數(shù)(85 mL/min)組成雙重標(biāo)準(zhǔn)用于路面設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量控制。針對(duì)推薦的空隙率和滲透系數(shù)臨界值，對(duì)應(yīng)在瀝青混合料施工過程中，瀝青混合料壓實(shí)溫度應(yīng)不低于130 ℃，溫度變化應(yīng)控制在10 ℃以內(nèi)；級(jí)配離析臨界值n=0.21，施工過程應(yīng)控制在輕度離析范圍以內(nèi)。

圖8 空隙率臨界值Fig. 8 Critical value of void ratio

5 結(jié) 論

1)針對(duì)室內(nèi)滲透試驗(yàn)，筆者自制未脫模變水頭滲透儀，利用馬歇爾試件不脫模和密封圈改善了試驗(yàn)側(cè)邊沿漏水問題，使試驗(yàn)更簡(jiǎn)便，結(jié)果更精確。

2)溫度離析時(shí)，壓實(shí)溫度和空隙率均與滲透系數(shù)有良好的相關(guān)性，3種不同類型混合料的滲透系數(shù)隨著壓實(shí)溫度降低而增大，且增加幅度越來越大；級(jí)配離析時(shí)，瀝青混合料隨離析程度增加滲透性能增大。輕度離析時(shí)，瀝青混合料呈弱滲水性能；中度離析時(shí)，瀝青混合料呈一般滲水性能；重度離析時(shí)，瀝青混合料呈較好滲水性能。

3)密級(jí)配瀝青混合料在空隙率和最大粒徑相同時(shí)，發(fā)生級(jí)配離析較發(fā)生溫度離析，瀝青混合料滲透系數(shù)更大，滲透性能更好；在空隙率相同，對(duì)于最大粒徑不同的密級(jí)配混合料，發(fā)生級(jí)配離析較發(fā)生溫度離析時(shí)所造成的滲透性能差異更大。

4)根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象，筆者發(fā)現(xiàn)規(guī)范中對(duì)密級(jí)配瀝青混合料的滲透性能規(guī)范要求值偏高，建議滲透臨界值降低為85 mL/min(0.001cm/s)，并將對(duì)應(yīng)的7%現(xiàn)場(chǎng)空隙率與滲透系數(shù)組成雙重標(biāo)準(zhǔn)用于路面設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量控制；針對(duì)推薦臨界值，得到密級(jí)配瀝青混合料壓實(shí)溫度應(yīng)不低于130 ℃，溫度變化應(yīng)控制在10 ℃以內(nèi)；級(jí)配離析臨界值為n=0.21，施工時(shí)應(yīng)控制在輕度離析范圍以內(nèi)。