高連通空隙特征的排水瀝青混合料技術(shù)研究

2023-03-15 04:38:40劉沛榮王燦升農(nóng)智雄

公路交通科技 2023年1期

黃豐，劉沛榮，王燦升，鄒杰，農(nóng)智雄

(1.廣西六賓高速公路建設(shè)發(fā)展有限公司，廣西南寧 530400；2.中路交建(北京)工程材料技術(shù)有限公司，北京 100176)

0 引言

排水瀝青混合料屬于開級(jí)配，具有排水、降噪、抗滑的功能。在下雨天，雨水可通過路面內(nèi)部連通空隙在橫坡的作用下排至路側(cè)排水溝中，從而減少傳統(tǒng)瀝青路面雨天積水產(chǎn)生雨水徑流的問題，有效提高路面雨天行駛安全性[1-2]。在瀝青混合料中空隙分開口空隙和閉口空隙兩種，只有開口空隙中的連通空隙才是降低行車噪音，排出路面積水的關(guān)鍵因素[3]。鄭幀等[4]研究了細(xì)集料級(jí)配對(duì)骨架瀝青混合料空隙率的影響，得出0.15～0.3 mm粒徑的集料填充對(duì)空隙率影響最大。肖晶晶等[5]以PAC-13為研究對(duì)象，研究了關(guān)鍵篩孔與空隙率之間的關(guān)系，最后得出結(jié)論：空隙率與2.36 mm篩孔通過率呈正比關(guān)系。李翔等[6]以排水瀝青混合料為研究對(duì)象，研究了不同瀝青種類以及集料的最大公稱粒徑對(duì)連通空隙的影響，得出在一定范圍內(nèi)瀝青黏度越低，集料公稱粒徑越大連通空隙越高?？蹬d祥等[7]為通過對(duì)空隙進(jìn)行細(xì)觀研究，提出空隙等效直徑、有效空隙率、空隙彎度等空隙指標(biāo)，為之后研究空隙奠定基礎(chǔ)。

綜上已有的研究成果僅是針對(duì)空隙率的研究，對(duì)于連通空隙率研究較少，且有關(guān)連通空隙率與排水、抗滑、降噪的研究幾乎沒有，為更好控制連通空隙率，優(yōu)化排水瀝青路面配合比設(shè)計(jì)，以發(fā)揮排水瀝青路面功能服務(wù)能力，本研究以PAC-10為研究對(duì)象，研究連通空隙率大小受什么因素影響，以及其與路面功能之間的相關(guān)性。

1 原材料

1.1 瀝青結(jié)合料

排水瀝青混合料使用的是高黏改性瀝青，是在SBS改性瀝青中添加8%HVA高黏改性劑制得[8]，其技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 高黏改性瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Tab.1 Test result of technical indicators of high viscosity modified asphalt

1.2 集料

試驗(yàn)中粗集料選擇玄武巖。粗細(xì)集料指標(biāo)見表2，表3所示。

表2 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Test result of fine aggregate technical indicators

表3 粗集料技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Tab.3 Test result of coarse aggregate technical indicators

1.2 礦粉

采用石灰?guī)r礦粉，技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

表4 礦粉技術(shù)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果Tab.4 Test result of mineral powder technical indicators

2 試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)方案

本次試驗(yàn)對(duì)象為PAC-10，混合料最大公稱粒徑為9.5 mm，重點(diǎn)研究9.5，4.75，2.36，0.075 mm，這4個(gè)關(guān)鍵篩孔通過率與連通空隙率之間的關(guān)系，因研究因素較多選用正交試驗(yàn)方法[9]。每個(gè)因素考慮4個(gè)水平，選擇L16(45)正交表試驗(yàn)方案如表5所示。試件最佳油石比通過析漏飛散試驗(yàn)確定，成型后分別測(cè)得每個(gè)試件的滲水系數(shù)，空隙率及連通空隙率分別用體積法和真空塑封法測(cè)得。

表5 所有的試驗(yàn)級(jí)配Tab.5 Test gradations

2.2 連通空隙測(cè)量方法

2.2.1 體積法

步驟：用卡尺測(cè)量馬歇爾試件直徑及高度。毛體積VDim計(jì)算公式如下：

(1)

式中，D為試件平均直徑；H為試件平均高度；VDim為試件的體積法測(cè)得的毛體積。

2.2.2 真空塑封法

步驟：(1)將試件裝入密封袋抽真空密封；(2)稱取密封試件質(zhì)量記為A；(3)將密封試件放入溫度(25±1) ℃的水箱中稱取水中重量記為B；(4)從水中將密封試件取出，剪開密封袋拿出試件，稱取密封袋干燥質(zhì)量記為C。毛體積VVac計(jì)算公式如下：

(2)

式中，A為密封試件干燥質(zhì)量；B為密封試件水中質(zhì)量；C為密封袋的干燥質(zhì)量；F為密封袋的密度。

2.3 連通空隙率的測(cè)算

測(cè)量連通空隙率有兩種方法，體積法計(jì)算見式(3)，真空密封法計(jì)算見式(4)[10-14]。

(3)

(4)

式中，V′為連通空隙率；VC為集料與封閉空隙的體積。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 空隙率及連通空隙率與滲水系數(shù)相關(guān)性

用第2節(jié)中兩種試驗(yàn)方法測(cè)得每個(gè)級(jí)配的空隙率、連通空隙率以及滲水系數(shù)，數(shù)據(jù)如表6所示。

表6 所有的試驗(yàn)級(jí)配體積指標(biāo)Tab.6 Test gradation volume indicators

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，使用spss軟件建立4種空隙率與滲水系數(shù)線性擬合模型，試驗(yàn)結(jié)果如表7～表9所示[15]。

表7 4種空隙率與滲水系數(shù)的線性擬合優(yōu)度匯總Tab.7 Summary of linear fit goodnesses between 4 void ratios and water seepage coefficient

表8 模型的ANOVA檢驗(yàn)結(jié)果Tab.8 ANOVA test result of model

表9 模型回歸系數(shù)檢驗(yàn)結(jié)果Tab.9 Test result of model regression coefficients

從表7中可以看出連通空隙率相較于空隙率與滲水系數(shù)相關(guān)系數(shù)R的平方更大，線性擬合程度更高，可知連通空隙率更能夠反映排水瀝青混合料的排水能力，其中體積法測(cè)得的連通空隙率與滲水系數(shù)擬合得到相關(guān)系數(shù)最大，R2=0.991，最能反映排水能力。

ANOVA檢驗(yàn)是檢驗(yàn)一個(gè)因素對(duì)另一個(gè)特征值影響程度，從而判斷不同樣本之間是否存在顯著性差異，均方就是樣本方差，統(tǒng)計(jì)量F是組間方差對(duì)組內(nèi)方差的比值，在線性模型中，我們利用它進(jìn)行模型級(jí)別的顯著性檢驗(yàn)。P值是衡量控制組與試驗(yàn)組差異大小的指標(biāo)，其值越接近0回歸模型越具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，由表可知，4種測(cè)量方法P值均為零，有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。體積法連通空隙率計(jì)算得到的統(tǒng)計(jì)量F為1 568.55，數(shù)值最大，統(tǒng)計(jì)量越高說明兩者回歸效果越顯著，可得體積法連通空隙率與滲水系數(shù)回歸效果最顯著。

T值的大小反映回歸系數(shù)的優(yōu)劣，T值越大回歸系數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義就越大。體積法連通空隙率標(biāo)準(zhǔn)化系數(shù)為0.995，T值為39.605，均為最高。

4種空隙率與滲水系數(shù)線性模型：

體積法空隙率模型：

K=-2 296.884+348.872VVDim，R2=0.694。

真空塑封法空隙率模型：

K=-3 161.570+348.872VVVac，R2=0.719。

體積法連通空隙率模型：

K=-118.617+349.655VVDimeff，R2=0.991。

真空塑封法連通空隙率模型：

K=-154.970+351.831VVVaceff，R2=0.886。

將試驗(yàn)結(jié)果代入線性模型中，體積法連通空隙率模型相對(duì)誤差最小，最具有實(shí)際效用。從試驗(yàn)結(jié)果中可以看出，真空塑封法測(cè)得的空隙率相較于體積法要小一些，且隨著空隙的增加，差值變大，經(jīng)分析認(rèn)為，由于排水瀝青混合料試件空隙大，表面會(huì)有凹陷，邊角處會(huì)有部分損失，進(jìn)而導(dǎo)致真空塑封法測(cè)得的毛體積偏小，故所得空隙率偏小。

3.2 空隙率與連通空隙率之間的關(guān)系

選用體積法測(cè)得的空隙率與連通空隙率的數(shù)據(jù)繪制點(diǎn)線圖，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸，結(jié)果如圖1所示。

圖1 空隙率與連通空隙率關(guān)系Fig.1 Relationship between void ratio and connected void ratio

由圖可以看出空隙率與連通空隙率在空隙率大于20%時(shí)，線性相關(guān)性良好，但當(dāng)空隙率小于20%時(shí)，開始偏離擬合直線，分析原因認(rèn)為空隙較小時(shí)，細(xì)集料易堵塞開口空隙，從而將空隙變?yōu)殚]口空隙，導(dǎo)致連通空隙率的降低。

3.3 關(guān)鍵篩孔對(duì)連通空隙率的影響

以體積法測(cè)得的連通空隙率為應(yīng)變量，以4.75，2.36，1.18，0.075 mm篩孔孔徑為自變量，線性回歸連通空隙率與各關(guān)鍵篩孔通過率，篩選變量選用前進(jìn)法，當(dāng)自變量達(dá)到3時(shí)終止，得到的回歸方程如式(7)所示[16-18]。變量篩選回歸過程如表10所示。

表10 前進(jìn)法篩選變量逐步回歸過程Tab.10 Stepwise regression process for screened variables by forward method

y=25.23-0.35P2.36(R2=0.485 27)，

(5)

y=30.78-0.35P2.36-0.002P4.75(R2=0.741 13)，

(6)

y=26.75-0.35P2.36-0.2P4.75+0.04P9.5(R2=0.753 05)。

(7)

從式中可以看出，2.36 mm篩孔通過率系數(shù)最大為0.35，其次是4.75 mm篩孔通過率系數(shù)為0.2，最后是9.5 mm篩孔通過率的系數(shù)為0.04。從式(7)中可知，確定了2.36 mm以及4.75 mm篩孔通過率，連通空隙率的大小就可以大概估算出來。從系數(shù)正負(fù)可知降低2.36 mm以及4.75 mm篩孔通過率，增加9.5 mm篩孔通過率可提高排水瀝青混合料PAC-10的連通空隙率。

為此在對(duì)排水瀝青混合料PAC-10進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首先考慮2.36 mm及4.75 mm篩孔通過率，依據(jù)目標(biāo)連通空隙率在確定這兩者之后調(diào)整其余篩孔通過率并通過性能驗(yàn)證。

3.4 連通空隙率對(duì)抗滑降噪的影響

排水瀝青混合料不僅具有排出路表積水的作用，同時(shí)還兼具提高抗滑，降低噪音的能力，這主要源于其內(nèi)部大空隙結(jié)構(gòu)。但空隙的大小對(duì)其抗滑降噪能力呈現(xiàn)何種關(guān)系，還未明確。為此本節(jié)體積法測(cè)得的連通空隙率為控制因素，研究連通空隙率與抗滑降噪的相關(guān)性。

成型車轍試件，以擺式儀測(cè)得的擺值表征抗滑能力，以IMP-PI-SCT吸聲系數(shù)測(cè)試儀在頻率為800 Hz條件下測(cè)得的吸聲系數(shù)表征降噪能力。依據(jù)表6的試驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選連通空隙率從小到大差值在2%左右的5個(gè)級(jí)配成型車轍試件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表11。

表11 連通空隙率與抗滑降噪關(guān)系Tab.11 Relationship between connected void ratio and anti-slip denoising

由表11可知，擺值及吸聲系數(shù)都隨著連通空隙率的增大而逐漸增大，說明抗滑及降噪效果隨著連通空隙的增大而增大。分析原因認(rèn)為連通空隙的增大，成型的車轍試件表面的構(gòu)造深度將變大，從而汽車輪胎與路面的摩擦系數(shù)增大，路面抗滑能力得到提高；排水瀝青路面的降噪主要是其內(nèi)部空隙吸收輪胎噪音的結(jié)果，內(nèi)部空隙的增多自然會(huì)增加其降噪效果。

由圖2可知，擺值與吸聲系數(shù)并不是與連通空隙率呈現(xiàn)線性關(guān)系，其增長速度隨著連通空隙率的增加而逐漸下降，當(dāng)連通空隙率超過18%之后增長速度下降明顯，這表明并不是連通空隙越大越好。由目前工程經(jīng)驗(yàn)知當(dāng)連通空隙率超過18%，路面力學(xué)性能將顯著下降，故建議將連通空隙率控制在18%左右。