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(guī)律，以及清洗后滲水性能的恢復(fù)情況，文章采用室內(nèi)模擬試驗，以透水系數(shù)為指標(biāo)對排水瀝青混合料滲水性能衰變規(guī)律進(jìn)行研究。結(jié)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(qiáng)；空隙率越大，排水瀝青混合料經(jīng)過清洗后的透水系數(shù)恢復(fù)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(fù)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(fù)效果，推薦空隙率22%作為排水路面的設(shè)計空隙率，高壓沖刷為路面的清洗方式。

關(guān)鍵詞：排水路面；透水系數(shù)；空隙率；動載作用；清洗方式

中圖分類號：U416.03? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-4874（2024）04-0028-05

0 引言

與目前公路上應(yīng)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(yōu)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(dǎo)致其滲水性能嚴(yán)重衰減，這是制約排水瀝青路面（PAC）大規(guī)模應(yīng)用的主要原因［3］。

瀝青混合料體積參數(shù)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(nèi)降雨模擬器試驗確定PAC的最終排水能力，發(fā)現(xiàn)除了路面空隙率以外，路面寬度和車道數(shù)量也是影響排水能力的一個重要因素。Yoo［7］通過車轍試驗?zāi)M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(guān)系，為PAC設(shè)計過程中考慮長期交通荷載作用打下理論基礎(chǔ)。Liu［8］通過對PAC的長期觀測，發(fā)現(xiàn)應(yīng)急車道透水性最差，堵塞最嚴(yán)重，而車速高的行車道透水性更好。Wu［9］利用開發(fā)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(shù)與透水性能之間的關(guān)系，并量化了路面透水性能與服役時間的關(guān)系。此外PAC常用的養(yǎng)護(hù)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(nèi)外多數(shù)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(fù)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(shù)為評價指標(biāo)，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(fù)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(shè)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(biāo)與試驗方法

本研究采用透水系數(shù)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(shù)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(diào)節(jié)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(wěn)定，試件上部和下部水頭差保持穩(wěn)定，并記錄當(dāng)前穩(wěn)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(xù)接取5 s）；記錄量筒中的水量，并結(jié)合式（1）計算透水系數(shù)：

Crw=LQAh（t2-t1）（1）

式中：Crw——透水系數(shù)（cm/s）；

Q——滲透經(jīng)過試件的水量（mL）；

t1、t2——測試的開始時間與結(jié)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(tài)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(xì)對路面的堵塞效果有限，根據(jù)相關(guān)研究［11］，當(dāng)堵塞物粒徑＜0.075 mm時，幾乎不會對路面造成堵塞；當(dāng)粒徑＞4.75 mm時，堵塞物無法進(jìn)入路面內(nèi)部空隙。所以選取0.075～4.75 mm的細(xì)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(dāng)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(jìn)行篩分；每次試驗完畢后，用毛刷收集未進(jìn)入試件的顆粒，烘干至恒重后篩分。將各檔料的總質(zhì)量減去未進(jìn)入試件和濾出試件的顆粒質(zhì)量即可得到堵塞在試件內(nèi)顆粒的質(zhì)量。

1.4 車輛動載模擬參數(shù)確定

本研究在室內(nèi)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(nèi)加熱5 h以上，并使用擊實儀進(jìn)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(jìn)行試驗，每擊實5次后測定其透水系數(shù)。

1.5 循環(huán)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(huán)堵塞-清洗的試驗方法，測定試件的初始透水系數(shù)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(shù)，對試件清洗后再次測定試件透水系數(shù)。以此為1個循環(huán)，一共進(jìn)行6個循環(huán)，直至堵塞物撒布量達(dá)到30 g為止。采用透水系數(shù)保有率評價清洗后滲水性能的恢復(fù)效果，計算如式（2）所示：

γ=CnC0×100%（2）

式中：γ——透水系數(shù)保有率（%）；

C0——初始透水系數(shù)（cm/s）；

Cn——循環(huán)n次后的透水系數(shù)（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(jié)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(fā)現(xiàn)，隨著堵塞物粒徑的增大，表面殘留顆粒的比例也相應(yīng)上升。當(dāng)粒徑超過0.6 mm的堵塞物進(jìn)入PAC試件內(nèi)部后幾乎不會隨水流流出，這部分堵塞物將會留在PAC內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)部的比例為80.79%?；谇叭搜芯浚?3-14］，粒徑小于0.3 mm的堵塞物占總堵塞物的絕大多數(shù)，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(jīng)堵塞的PAC試件透水系數(shù)隨擊實的變化情況曲線圖，從圖2可以看出，PAC的透水系數(shù)隨擊實次數(shù)的增加而衰減?？障堵蕿?8%和20%的PAC試件隨擊實次數(shù)增加，其透水系數(shù)衰減呈先快后慢的趨勢，并且在擊實次數(shù)由25次增加至30次時，兩者的透水系數(shù)呈現(xiàn)驟降趨勢。22%空隙率的PAC試件的透水系數(shù)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(xiàn)出先快后慢的趨勢。對PAC試件擊實，實際就是壓縮試件內(nèi)部的空隙，因此導(dǎo)致試件的透水系數(shù)衰減。對于空隙率為18%和20%的PAC試件，初始狀態(tài)下試件的空隙較大，結(jié)構(gòu)比較容易被壓縮，所以試件透水系數(shù)衰減速度快，隨著擊實次數(shù)的增加，空隙難以被壓縮，導(dǎo)致試件透水系數(shù)衰減速度減緩，但是隨著擊實次數(shù)的持續(xù)增加，導(dǎo)致試件內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)被破壞，造成透水系數(shù)驟降。對于空隙為22%的PAC試件，其內(nèi)部空隙豐富，空隙等效直徑大，導(dǎo)致其透水系數(shù)在動載作用下并沒有呈現(xiàn)明顯的先快后慢的趨勢，也沒有出現(xiàn)透水系數(shù)驟降的情況。

統(tǒng)計3種空隙率的PAC試件在不同堵塞程度下隨擊實次數(shù)的增加，其透水系數(shù)變化規(guī)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(shù)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(tài)下，空隙率18%和20%的PAC試件在擊實30次后，透水系數(shù)已經(jīng)＜0.05 cm/s，幾乎失去排水能力?？障堵?2%的PAC試件在20 g堵塞狀態(tài)下，擊實次數(shù)達(dá)到30次后，其透水系數(shù)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(huán)堵塞-清洗對PAC滲水性能恢復(fù)的影響

下頁圖4為PAC試件在循環(huán)堵塞-清洗過程中，采用不同清洗方式的透水系數(shù)變化趨勢圖。從圖4可以看出，隨著循環(huán)堵塞次數(shù)的增加18%和20%空隙率試件的透水系數(shù)衰減趨向平緩，而22%空隙率的透水系數(shù)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(jìn)行高壓沖刷，其滲水性能可以恢復(fù)一部分，不同空隙率試件的恢復(fù)程度不同。以圖4中（a）～（f）為例，經(jīng)過6個循環(huán)堵塞-清洗后，18%和20%空隙率的PAC試件透水系數(shù)相差微小，這表明清洗方式對透水系數(shù)的影響并不顯著?？赡艿脑蛟谟冢?dāng)空隙率較小時，試件的等效空隙直徑相應(yīng)減小，內(nèi)部結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，使進(jìn)入試件內(nèi)部的污染物難以清除，導(dǎo)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(shù)的恢復(fù)影響較為有限。對于22%空隙率的PAC試件，在循環(huán)結(jié)束后，采用人工洗刷、真空泵吸和高壓沖刷的透水系數(shù)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(jìn)入試件內(nèi)部的污染物無法清除，因此恢復(fù)效果較差。而使用高壓沖刷時，試件內(nèi)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(shù)的恢復(fù)效果較好。

圖5為循環(huán)堵塞-高壓沖刷下空隙率對PAC滲水系數(shù)保有率γ的影響趨勢圖。由圖5可知，在相同循環(huán)次數(shù)下，隨著空隙率的增加，試件的透水系數(shù)保有率也在增大。在循環(huán)結(jié)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(shù)恢復(fù)效果加強(qiáng)。這是因為空隙率越大，其內(nèi)部的等效空隙直徑越大［15］，堵塞物進(jìn)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(shù)恢復(fù)效果越好。

3 結(jié)語

（1）隨著空隙率增加，PAC試件的堵塞敏感顆粒粒徑增加?？障堵蕿?8%和20%的PAC試件，0.075～0.15 mm范圍內(nèi)的顆粒是造成其堵塞的關(guān)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(jīng)過清洗后，透水系數(shù)恢復(fù)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(fù)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(fù)效果，推薦空隙率22%作為排水路面的設(shè)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(xué)技術(shù)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(yīng)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。