于立澤，劉作強(qiáng)，張海濤，石振武，葛 琪

(1.東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150040; 2.黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院， 哈爾濱 150080;3.黑龍江工程學(xué)院 土木與建筑工程學(xué)院， 哈爾濱 150000)

隨著綠色環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及海綿城市的提出，推動(dòng)了排水功能性瀝青路面的發(fā)展。排水功能性瀝青路面是指具有較大的空隙率，粗集料多，能夠?qū)⒙繁砻娴乃皶r(shí)排出，以減緩地表蓄水的瀝青路面，通?？障堵蕿?0%左右。傳統(tǒng)的密級(jí)配瀝青路面基本不具備排水功能，噪聲大且容易產(chǎn)生雨后路面眩光[1-2]。排水功能性瀝青路面可以有效地排出路面積水，緩解路面徑流，減輕排水系統(tǒng)的壓力，改善城市水環(huán)境；由于排水功能性瀝青路面具有較大的空隙率，粗集料用量較多，會(huì)增大車輪和路面之間的摩擦力，從而增加行車安全性；排水功能性瀝青路面的大空隙率特征可以吸收消耗一部分行車噪音[3-6]。諸永寧等[7-9]研究路面兩端斷面的邊界條件，找出了斷面上的潛水層厚度與路面坡度及降雨強(qiáng)度之間的關(guān)系。馬翔等[10-12]分析了滲透系數(shù)與空隙率之間的關(guān)系，建立了橫向滲透系數(shù)、豎向滲透系數(shù)、空隙率、有效空隙率之間的關(guān)系。排水瀝青路面是一種綠色環(huán)保的功能性瀝青路面，隨著社會(huì)生態(tài)環(huán)保意識(shí)的加強(qiáng)以及海綿城市的提出，排水功能性瀝青路面將具有廣闊的應(yīng)用前景。

綜上所述，目前對(duì)于排水功能性瀝青混合料的研究，主要針對(duì)于小粒徑、滲透系數(shù)、空隙率等方面的研究，對(duì)于較大粒徑的排水功能研究以及綜合其力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能的排水功能的系統(tǒng)研究較少。本文對(duì)5種級(jí)配瀝青混合料的力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行研究，并用自制的滲水儀對(duì)滲水特性進(jìn)行分析研究，最后系統(tǒng)地對(duì)瀝青混合料的功能性排水特性進(jìn)行評(píng)價(jià)研究。

1 試驗(yàn)材料與瀝青混合料設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

1) 瀝青

采用90#基質(zhì)瀝青，其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 瀝青技術(shù)參數(shù)

2) 纖維穩(wěn)定劑

SMA瀝青混合料中摻加纖維穩(wěn)定劑可以增加低溫性能和疲勞性能。試驗(yàn)采用木質(zhì)素纖維(如圖1所示)，其技術(shù)參數(shù)如表2所示。SMA的木質(zhì)素纖維摻量為0.32%。

表2 木質(zhì)素纖維技術(shù)參數(shù)

圖1 木質(zhì)素纖維

3) 集料

試驗(yàn)所用的粗集料為石灰?guī)r，細(xì)集料為石灰?guī)r機(jī)制砂，填料為石灰?guī)r礦粉。為保證瀝青混合料均具有一定的排水功能，本研究將AC、SUP、SMA這3種級(jí)配集料最大公稱粒徑選定為20。由于OGFC結(jié)構(gòu)類型粗集料較多，為與前3種級(jí)配類型形成更為科學(xué)的對(duì)比，其最大公稱粒徑選為16。因此，本研究采用5種不同級(jí)配的瀝青混合料AC-20、SUP-20、SMA-20、OGFC-13、OGFC-16進(jìn)行分析研究，集料級(jí)配參數(shù)如表3所示。

表3 集料級(jí)配參數(shù)

1.2 瀝青混合料設(shè)計(jì)

采用以上5種集料級(jí)配的瀝青混合料(AC-20、SUP-20、SMA-20、OGFC-13、OGFC-16)進(jìn)行組成設(shè)計(jì)[13]，通過(guò)Marshall配合比設(shè)計(jì)得到最佳瀝青用量分別為4.2%、4.4%、5.2%、4.3%、4.0%。

2 瀝青混合料力學(xué)性能試驗(yàn)分析(結(jié)構(gòu)性指標(biāo))

瀝青混合料的路用性能(高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、水穩(wěn)定性等結(jié)構(gòu)性能)是研究瀝青混合料排水功能性指標(biāo)的前提，因此對(duì)5種瀝青混合料的路用性能進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2.1 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

采用高溫車轍試驗(yàn)測(cè)定瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 車轍試驗(yàn)結(jié)果

從表4中可以看出，SMA-20的動(dòng)穩(wěn)定度最高，AC-20的動(dòng)穩(wěn)定度最低，這是因?yàn)檫B續(xù)型密級(jí)配瀝青混合料屬于密實(shí)-懸浮結(jié)構(gòu)，粗集料含量較少，不能形成骨架結(jié)構(gòu)，從而動(dòng)穩(wěn)定度偏低。而SMA-20中粗集料含量高，形成嵌擠結(jié)構(gòu)，所以其高溫性能最好。SUP-20粗集料含量相對(duì)有所增加，但其屬于連續(xù)級(jí)配，故其動(dòng)穩(wěn)定度較AC-20稍有提高。OGFC結(jié)構(gòu)類型雖然粗集料較多，但由于其具有大空隙率，集料間并未充分嵌擠，故其高溫穩(wěn)定性并不顯著。這說(shuō)明空隙率是影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的重要因素。

2.2 瀝青混合料低溫性能試驗(yàn)

采用小梁試件(300 mm×30 mm×35 mm)低溫彎曲試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料的低溫彎曲性能，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 瀝青混合料低溫彎曲試驗(yàn)結(jié)果 MPa

從表5中可以看出，SMA-20的低溫性能最好，其次是AC-20和SUP-20，OGFC結(jié)構(gòu)類型混合料的低溫性能均低于前三者。這是因?yàn)镾MA-20混合料礦粉多，瀝青用量多，低溫時(shí)提供了很好的變形能力，AC-20和SUP-20瀝青用量相近，均低于SMA-20。OGFC結(jié)構(gòu)類型混合料的大空隙率使其低溫性能降低，但滿足路用性能要求。結(jié)果表明，瀝青混合料的低溫性能與其低溫勁度模量成反比，空隙率的增加降低了瀝青混合料的低溫性能。

2.3 瀝青混合料水穩(wěn)定性試驗(yàn)

通過(guò)瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)分別測(cè)定殘留穩(wěn)定度和殘留強(qiáng)度比，據(jù)此對(duì)5種級(jí)配瀝青混合料的水穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

從表6中可以看出，SUP-20瀝青混合料的水穩(wěn)定性最好，OGFC結(jié)構(gòu)類型相對(duì)較差。這是因?yàn)镺GFC結(jié)構(gòu)類型瀝青混合料的空隙率較大，瀝青黏附性和填充效果不好，而且水分滯留在空隙中，冷凍時(shí)結(jié)冰，破壞了瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致水穩(wěn)定性降低。這就說(shuō)明，空隙率增大，水穩(wěn)定性相應(yīng)降低。

表6 浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果 %

3 瀝青混合料排水特性試驗(yàn)分析

通過(guò)以上基本路用性能的研究可以看出，5種級(jí)配的瀝青混合料的力學(xué)性能(結(jié)構(gòu)性指標(biāo))均滿足規(guī)范要求。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行5種級(jí)配的瀝青混合料排水特性分析研究。

3.1 試驗(yàn)方案

1) 瀝青混合料滲水試驗(yàn)

根據(jù)規(guī)范制作瀝青混合料試件，冷卻到規(guī)定的時(shí)間后脫模，并揭去成型試件時(shí)墊在表面的紙。每種級(jí)配制作3塊平行試件，在車轍板上，采用路面滲水儀(如圖2所示)進(jìn)行試驗(yàn)。

圖2 路面滲水試驗(yàn)裝置

2) 瀝青混合料排水特性試驗(yàn)

為了真實(shí)反映瀝青混合料試件的排水狀況，采用自制滲水儀(如圖3所示)進(jìn)行測(cè)試。采用大馬歇爾試件，水量梯度采用50、100、150、200、250、300 mL，在試驗(yàn)過(guò)程中，分別研究不同類型試件在5種水量下的橫向、豎向、整體滲水情況以及整體排水時(shí)的橫、豎向滲水時(shí)間差，綜合評(píng)價(jià)研究不同瀝青混合料的功能性排水特性。

圖3 自制排水特性測(cè)試裝置示意圖

3.2 瀝青混合料滲水試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)規(guī)范進(jìn)行瀝青混合料滲水試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 不同級(jí)配類型的瀝青混合料滲水試驗(yàn)結(jié)果

從表7可以看出，排水性能依次為：OGFC-16>OGFC-13>AC-20>SMA-20>SUP-20。AC-20、SUP-20、SMA-20三者相差不大，滲水系數(shù)均較小，且被測(cè)試件的底部均只有少量水滲出。AC-20、SUP-20、SMA-20的孔隙分布特征是上部較多而下部較少，由此可以得出，水分更多地從試件橫向滲出。OGFC結(jié)構(gòu)類型的滲水系數(shù)遠(yuǎn)大于其余三者。這說(shuō)明OGFC結(jié)構(gòu)類型所具有的大空隙率使其排水性能顯著增加。此外，OGFC-13和OGFC-16空隙率均為20%，而OGFC-16的排水性能比OGFC-13好，由此可見，空隙率相同的條件下，隨著瀝青混合料最大公稱粒徑的增大，其排水性能有所增強(qiáng)。這是因?yàn)闉r青混合料的最大公稱粒徑的增大導(dǎo)致粗集料增多，粗集料間相互嵌擠使試件內(nèi)部的連通空隙增多，增強(qiáng)了瀝青混合料的排水性能。由于最大公稱粒徑的增大，OGFC-16的空隙明顯比OGFC-13多，且OGFC-16的空隙長(zhǎng)度比OGFC-13長(zhǎng)。所以空隙率、集料的最大粒徑以及開口孔隙是影響混合料排水性能的重要因素。

3.3 瀝青混合料豎、橫向排水特性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

采用自制滲水儀進(jìn)行瀝青混合料排水特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 試件滲水速度隨水量變化曲線

從圖4(a)可以看出，OGFC-13和OGFC-16這2種級(jí)配的豎向滲水速度明顯大于其余三者。AC-20、SUP-20、SMA-20三者相差不大，SUP-20的滲水速度最小。OGFC 結(jié)構(gòu)類型當(dāng)水量小于200 mL時(shí)，滲水速度及其增幅逐漸增大，當(dāng)水量超過(guò)200 mL時(shí)，滲水速度增幅逐漸減小，且速度逐漸趨于穩(wěn)定。

對(duì)比圖4(a)(b)可以看出，瀝青混合料試件的橫向滲水速度普遍大于豎向滲水速度。研究認(rèn)為，OGFC結(jié)構(gòu)類型的瀝青混合料橫向與豎向滲水速度相差不大，是因?yàn)镺GFC型瀝青混合料空隙率大且橫、縱向分布較均勻。AC-20、SUP-20、SMA-20三者橫向滲水速度都較OGFC結(jié)構(gòu)類型低，但都高于其各自的豎向滲水速度，是因?yàn)榉植加谌邫M向的空隙多余豎向，故其橫向排水速度大于豎向。

3.4 瀝青混合料整體滲水試驗(yàn)結(jié)果分析

試件整體滲水速度隨水量變化的情況如圖5所示。

從圖5可以看出，整體滲水速度隨水量的增加而增加，對(duì)于OGFC結(jié)構(gòu)類型，當(dāng)水量小于200 mL時(shí)，滲水速度及其增幅逐漸增大，當(dāng)水量超過(guò)200 mL時(shí)，滲水速度增幅逐漸減小，且速度逐漸趨于穩(wěn)定。AC-20，SUP-20，SMA-20這3種結(jié)構(gòu)類型基本呈現(xiàn)出來(lái)的規(guī)律是隨著水量的增加，滲水速度及其增幅逐漸增大。OGFC-13和OGFC-16的排水性能大于AC-20，SUP-20，SMA-20。

圖5 試件整體滲水速度隨水量變化曲線

3.5 瀝青混合料橫、豎向與整體滲水情況分析

瀝青混合料橫、豎向與整體滲水情況如圖6所示。

圖6 瀝青混合料試件橫豎向與整體滲水速度曲線

從圖6(a)(b)可以看出，OGFC-13和OGFC-16在水量較小時(shí)滲水速度的增幅較大，當(dāng)水量較大時(shí)滲水速度的增幅減小。對(duì)于OGFC結(jié)構(gòu)類型，橫向和豎向的滲水速度相差不大，在試件排水過(guò)程中起著同樣重要的作用，隨著最大公稱粒徑的增大，瀝青混合料試件橫、豎向以及整體滲水速度均有所增大。從圖6(c)可以看出，AC-20橫向滲水速度在整個(gè)滲水過(guò)程中始終大于豎向和整體滲水，說(shuō)明AC-20結(jié)構(gòu)類型的瀝青混合料排水主要依賴于橫向滲水。隨著水量的增加，豎向滲水速度也開始增加，表明在實(shí)際道路工程中，當(dāng)雨量較大或者由于行車路面水壓力增大，都會(huì)增強(qiáng)豎向滲水能力。從圖6(d)(e)可以看出，SUP-20、SMA-20豎向滲水速度很小，橫向滲水速度相對(duì)于豎向較大，在SUP-20、SMA-20結(jié)構(gòu)類型的瀝青混合料試件滲水過(guò)程中，橫向滲水起主要作用。

4 瀝青混合料排水特性的細(xì)觀結(jié)構(gòu)機(jī)理分析

采用CDD工業(yè)相機(jī)拍攝不同級(jí)配瀝青混合料試件的斷面圖(如圖7所示)。分析斷面的細(xì)觀結(jié)構(gòu)可以看出，之所以O(shè)GFC-13和OGFC-16的豎向滲水速度明顯大于AC-20、SUP-20、SMA-20，是因?yàn)镺GFC-13和OGFC-16具有大空隙率(圖7(a)(b))，而其余三者空隙率均很小(圖7(c)(d)(e))。雖然OGFC-13和OGFC-16空隙率相同，但從圖中可以很明顯地發(fā)現(xiàn)OGFC-16的開口空隙以及連通空隙均比OGFC-13多，所以O(shè)GFC-16具有相對(duì)較好的豎向排水能力。AC-20和SMA-20具有較少的豎向空隙，其豎向滲水能力較弱。SUP-20的空隙最少，故其豎向滲水能力最弱，這是因?yàn)镾UP-20采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的方法，雖然粒徑較大，但壓實(shí)程度高，滲水速度最小。AC-20、SUP-20、SMA-20滲水速度及其增幅逐漸都呈現(xiàn)出隨水量的增加而增加的規(guī)律。

圖7 不同級(jí)配瀝青混合料試件斷面圖(圖與試件斷面比例1∶1)

5 瀝青混合料力學(xué)性能與排水性能的關(guān)系

通過(guò)對(duì)比分析可以得到瀝青混合料的力學(xué)性能與排水性能的關(guān)系(如圖8所示)，可以看出：瀝青混合料的力學(xué)性能隨著空隙率的增加而減少，而瀝青混合料的排水性能隨著空隙率的增加而增加。AC、SUP、SMA級(jí)配類型瀝青混合料的最大公稱粒徑提升至20時(shí)，其有效空隙明顯增加。選擇小粒徑時(shí)，幾乎不透水的AC、SUP、SMA級(jí)配類型瀝青混合料，最大公稱粒徑增大后開始滲水，可見集料最大公稱粒徑越大，則形成更多有效空隙；瀝青混合料的空隙率增大，其滲水系數(shù)也隨之增大；瀝青混合料空隙率增大，有效空隙率也隨之增大，二者具有一致性。通過(guò)對(duì)比分析可以發(fā)現(xiàn)，提高瀝青混合料粗集料用量，選擇較大公稱粒徑，排水功能明顯提升的同時(shí)，力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能也有所改善，瀝青混合料表面的開口空隙也隨之增多，更加有利于排水。從5種瀝青混合料試件的斷面圖中也可以看出，大粒徑形成了較多的開口孔隙，開口空隙和有效空隙共同決定了排水性能。

圖8 瀝青混合料的力學(xué)性能與排水性能的關(guān)系直方圖

通過(guò)大空隙OGFC結(jié)構(gòu)類型與小空隙率AC、SUP、SMA級(jí)配類型瀝青混合料對(duì)比得出，AC-20、SUP-20、SMA-20級(jí)配瀝青混合料具有相對(duì)穩(wěn)定的力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能，但其排水性能較差。OGFC-16和OGFC-13級(jí)配瀝青混合料具有相對(duì)較好的排水性能，但其力學(xué)性能、高溫穩(wěn)定性和水穩(wěn)定性較差。研究表明：適當(dāng)增大集料粒徑后，其力學(xué)、結(jié)構(gòu)性能以及排水功能都有明顯增加。在工程設(shè)計(jì)研究中，可適當(dāng)增大集料粒徑并在滿足排水功能前提下合理控制空隙率，使排水功能性瀝青路面達(dá)到耐久且滿足排水要求的理想狀態(tài)。

6 結(jié)論

1) 自行研制的滲水儀測(cè)試方便，準(zhǔn)確反映了瀝青混合料路面滲水情況，可用于瀝青混合料的滲水情況研究。

2) OGFC結(jié)構(gòu)類型和SMA結(jié)構(gòu)類型比SUP-20 和AC-20的高溫穩(wěn)定性好，但OGFC結(jié)構(gòu)類型空隙率大，易受水流沖刷，低溫性能和水穩(wěn)定性較差，SMA-20高、低溫性能較好。SUP-20壓實(shí)緊密，抗水損壞的能力較強(qiáng)。

3) 在整體排水過(guò)程中，橫向排水性能均大于豎向排水，起主要排水作用。大空隙率以及適當(dāng)增大最大公稱粒徑可以提升排水性能。適當(dāng)增大粒徑可以形成更多的開口空隙、有效空隙和連通空隙，更加有利于路面排水，在力學(xué)、結(jié)構(gòu)性能和排水功能之間呈現(xiàn)出此消彼長(zhǎng)的規(guī)律性。

4) 在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可適當(dāng)增大集料粒徑，并根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤昵闆r確定合理的空隙率，使排水和路用性能達(dá)到均衡，即對(duì)常用的AC、SMA等結(jié)構(gòu)類型進(jìn)行優(yōu)化排水。研究結(jié)果可為排水功能性瀝青混合料的設(shè)計(jì)提供參考。