潘艷珠, 王振忠, 曾衛(wèi)平

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510650)

0 概述

透水式磨耗層混合料(Permeable Friction Course或Porous Friction Courses，PFC)被認(rèn)為是升級版的OGFC，歐洲稱之為多空隙瀝青混合料(Porous Asphalt Mixture，PAM)，是一種特殊類型的熱拌瀝青混合料(HMA)。與密級配HMA相比，PFC具有較高的空隙率(AV)，一般為18%～25%[1]。為了獲得較高的空隙含量，需要降低細(xì)集料的摻量，通過粗集料顆粒間的石-石接觸形成混合料的骨架，保證混合料的穩(wěn)定性。這些特征使PFC混合料具備了良好的使用功能：高滲透性(抗滑和安全)和降噪效果，以及抵抗永久變形能力，并作為路面耐磨層，廣泛應(yīng)用于高速公路和城市干線道路。 一些研究還顯示，PFC還具有過濾雨水和降低路面夜間眩光等效果[2-3]。隨著我國海綿城市概念的提出，以及人們安全和環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)，透水(或排水)式路面有不斷增加的趨勢。然而，目前PFC還有一些技術(shù)問題沒有得到很好解決，其中最為突出的是使用壽命和造價(jià)的問題。為了獲得路面排水需要的空隙，人們在PFC材料設(shè)計(jì)時(shí)降低了細(xì)集料的摻量，使得瀝青混合料的強(qiáng)度形成原理由密實(shí)型變成嵌擠型，降低了集料顆粒的表面粘接或裹覆面積，增加了集料顆粒脫粒的風(fēng)險(xiǎn)。為了規(guī)避脫粒風(fēng)險(xiǎn)，一些規(guī)范規(guī)定PFC要采用高粘改性瀝青和硬質(zhì)中或堿性集料，但以脫粒為主要表現(xiàn)形式的早期損壞依然不能有效抑制。同時(shí)，使用高粘改性瀝青和遠(yuǎn)運(yùn)硬質(zhì)集料大幅度提高了PFC的造價(jià)，限制了這種安全環(huán)保型瀝青混合料的大范圍推廣應(yīng)用(國省公路或一般城市道路)。

近年來，由于X-ray CT掃描手段的引進(jìn)，人們借助數(shù)字圖像分析和試件重構(gòu)等技術(shù)對瀝青混合料的很多微細(xì)觀結(jié)構(gòu)有了新的認(rèn)識，使得瀝青混合料更加精準(zhǔn)的和優(yōu)化的設(shè)計(jì)成為可能。Kutay(2007)和吳文亮等(2012)分別基于室內(nèi)外試件和X-ray CT掃描研究了瀝青混合料空隙的分布，及其對滲透的影響[4-5]。其主要結(jié)論為，瀝青混合料中空隙沿厚度方向的分布是不均勻的，混合料試件中上部分的空隙率大于試件中下部分的空隙率，并進(jìn)而導(dǎo)致瀝青混合料橫向滲透系數(shù)(Kxx或Kyy)大于豎向滲透系數(shù)(Kzz)，一般Kxx或Kyy=2～3Kzz。潘艷珠等(2018)對大空隙瀝青混合料室內(nèi)外試件的孔隙分布和滲透性進(jìn)行了試驗(yàn)檢測和評價(jià)，基本得出了類似的結(jié)論。據(jù)此可以認(rèn)為，用試件的平均空隙率和試件的豎向滲透系數(shù)(Kzz)設(shè)計(jì)排水路面的瀝青混合料是不合理的(橫向排水)，會導(dǎo)致瀝青混合料上部空隙率偏大，增加脫粒的風(fēng)險(xiǎn)。例如，試件的平均空隙率為22%～25%時(shí)(這也是PFC通常的空隙率設(shè)計(jì)范圍)，試件上部的空隙率可能會大于29%～33%。顯然，過大的表面空隙率瀝青混合料是極易損壞的(脫粒和老化)。

由于操作簡便，實(shí)際工程中越來越多地使用真空法檢測PFC材料的最大理論密度，使用真空密封法檢測PFC材料試件的毛體積相對密度。Alvarez等(2009～2010)認(rèn)為真空法和真空密封法不適用于PFC材料[6-7]，因?yàn)?，PFC材料大多使用改性瀝青作為膠結(jié)料，較大的粘度影響了真空法最大理論密度檢測的重復(fù)性與再現(xiàn)性；真空密封法毛體積密度忽略了試件表面開口空隙，且受塑料包裝袋材質(zhì)的影響較大。黎霞等(2008)采用真空密封法和體積法，比較了兩種方法大空隙瀝青混合料毛體積相對密度和空隙率以及連通空隙率的差異[8]。從檢測數(shù)據(jù)可以看出，體積法空隙率和連通空隙率比真空密封法大3%。

從上面的分析和國內(nèi)外的研究可以看出，想要兼顧PFC材料的排水能力和耐久性(脫粒和老化)，做出平衡設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是根據(jù)排水的需要精準(zhǔn)地控制空隙率。而精準(zhǔn)控制空隙率主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：預(yù)測空隙率的需求與空隙率的檢測和評價(jià)方法。潘艷珠等(2007)對PFC材料的空隙率需求預(yù)測和大空隙瀝青混合料設(shè)計(jì)，以及混合料骨架評估進(jìn)行了深入研究，并提出了相應(yīng)的方法[9]。因此，本研究在已有研究的基礎(chǔ)上擬主要開展的工作為：改進(jìn)PFC材料毛體積相對密度檢測和評價(jià)的體積法、開展PFC材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)、通過試驗(yàn)路的方式探索和考察國省道公路瀝青路面PFC(普通改性瀝青與普通集料)的可行性。

1 PFC材料設(shè)計(jì)

1.1 PFC原材料

本研究所用原材料取自廣東省某省道二級公路瀝青路面改造工程。從研究的目的考慮，以及工程造價(jià)的限制，本研究沒有在原改造工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對原材料提出更高的要求。粗細(xì)集料為廣東韶關(guān)石灰?guī)r軋制的碎石和石屑，礦粉采用廣東韶關(guān)產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉，瀝青為某品牌SBS改性瀝青。上述原材料均基本滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)的相關(guān)技術(shù)要求。

1.2 PFC-13材料配合比設(shè)計(jì)

本研究采用逐級摻配的方法設(shè)計(jì)PFC-13材料的配合比[9]。對應(yīng)試件平均空隙率分別為15%、18%和21%的合成級配如表1所示，混合料設(shè)計(jì)結(jié)果如表2。從表2可以看出，體積參數(shù)對試件的強(qiáng)度(穩(wěn)定度)有很大的影響，密度越大或空隙率越小試件的強(qiáng)度越高，這一點(diǎn)和其它相關(guān)研究的結(jié)論是一致的。即使是大空隙或透(排)水瀝青混合料，在滿足透(排)水要求的前提下，也要盡可能做到密實(shí)。

表1 PFC-13大空隙瀝青混合料級配

表2 PFC-13大空隙瀝青混合料設(shè)計(jì)結(jié)果

1.3 體積法檢測試件毛體積相對密度的問題和改進(jìn)

表2中的體積參數(shù)(試件的毛體積相對密度和空隙率)是直接量取馬歇爾試件的尺寸(直徑和高度)以及試件的空氣中重量，計(jì)算得出的。這樣的方法存在兩個(gè)問題：(1)試件側(cè)面表面構(gòu)造產(chǎn)生的開口空隙影響，顯然這部分開口空隙是不應(yīng)該考慮的；(2)試件側(cè)面的表面狀況與實(shí)際工程路面取芯試件不一致，無法作為實(shí)際工程質(zhì)檢的參考值。為此，對馬歇爾試件做鉆芯取樣處理，干燥至恒重后再實(shí)施體積法檢測試件的體積參數(shù)。改進(jìn)前后的試件體積參數(shù)對比如表3所示。從表3可以看出，試件側(cè)面表面構(gòu)造產(chǎn)生的開口空隙的影響大致在1.7%左右。

表3 試件側(cè)面表面構(gòu)造(開口空隙)對體積參數(shù)的影響

2 PFC材料的性能評價(jià)

2.1 PFC材料排水性能評價(jià)

Masad等人(2006)提出的改進(jìn)版Kozeny-Carman方程[11]，用于預(yù)測熱瀝青混合料的滲透系數(shù)，如式(1)所示。Kutay等人[4]利用波茲曼格子模型和實(shí)測數(shù)據(jù)對公式(1)進(jìn)行了驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果顯示：(1)公式是可用的，其精度可以滿足工程的要求；(2)公式不僅可以用于密實(shí)型瀝青混合料滲透性評價(jià)，也可以用于大空隙瀝青混合料的滲透性評價(jià)。

(1)

式中：k—中等飽和狀態(tài)的滲透系數(shù)(m/s)；C—回歸常數(shù)；n—空隙率(%)；μ=10-3kg/ms，流體的粘度(水)；γ=9.79kN/m3，流體單位重量(水@20℃)；Ds—集料的平均粒徑；Gb—膠結(jié)料比重；Pba—被吸收的膠結(jié)料占集料重量的百分比；Pb—瀝青含量(瀝青用量占混合料總重量的百分比)；Gsb—集料的毛體積比重。

潘艷珠(2018)利用實(shí)測數(shù)據(jù)對公式(1)進(jìn)行了擬合分析[6]，擬合分析的結(jié)果顯示，公式(1)中的回歸常數(shù)C=0.002。同時(shí)，從圖1還可以看出，公式(1)具有較高的精度。

圖1 計(jì)算滲透系數(shù)與測量滲透系數(shù)的比較

為了分析空隙分布的不均勻性對大空隙瀝青混合料滲透性能的影響，按試件空隙分布的特征，將試件分成上下兩個(gè)部分(對于較厚的試件可以分成上、中、下三部分)，分別計(jì)算了試件上下部和試件整體的滲透系數(shù)，如表4所示。表4計(jì)算結(jié)果與張璠(2010)的測試結(jié)果基本一致[11]。從表4計(jì)算結(jié)果可以看出，水分的橫向遷移或流動(dòng)主要發(fā)生在試件的上部，這是因?yàn)樵谶@部分區(qū)域存在較大的空隙或連通空隙。然而，試件的豎向滲透性由試樣中下部的滲透特性來決定，其滲透系數(shù)僅僅是上部或整體平均滲透系數(shù)的1/2。從這個(gè)意義上講，壓實(shí)的PFC材料的滲透性是有方向性的，透水路面和排水路面應(yīng)該采用不同的滲透系數(shù)。Kandhal(2002)認(rèn)為，PFC材料可以接受的最小滲透系數(shù)為：k=0.116cm/s[12]。比較表4的數(shù)據(jù)可以看出，如果不考慮空隙率分布的不均勻性，則瀝青混合料的最小空隙率為18%，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)行規(guī)范的要求是一致的。但如果考慮空隙率分布的不均勻性，則瀝青混合料的最小空隙率為15%。顯然，降低瀝青混合料的空隙率水平，對于改善路用性能、延長使用壽命和降低造價(jià)是有益的。

表4 不同類型試件滲透系數(shù)分布

2.2 PFC材料路用性能的評價(jià)

PFC材料的路用性能試驗(yàn)檢測結(jié)果如表5所示。

表5 PFC材料的路用性能試驗(yàn)檢測結(jié)果

從表5可以看出，三組試件的各項(xiàng)路用性能指標(biāo)均能滿足規(guī)范的要求，隨著油石比的增加和空隙率的降低，PFC材料的各項(xiàng)指標(biāo)略有改善。需指出的是，目前所采用的這些路用性能指標(biāo)和檢測方法還都是屬于現(xiàn)象學(xué)的范疇，還無法揭示PFC材料損壞的機(jī)理，以及指標(biāo)差異對使用性能和壽命的影響，更加深入的有關(guān)性能定量模型的研究還有待于進(jìn)一步開展。

3 PFC試驗(yàn)路及其效果觀測

3.1 PFC試驗(yàn)路結(jié)構(gòu)

本研究試驗(yàn)路結(jié)合省道S342線南雄分水坳至雄州段路面改造工程開展，長度為全斷面500m，路面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)路路面結(jié)構(gòu)

3.2 試驗(yàn)路芯樣空隙率與滲透性評價(jià)

為了評價(jià)試驗(yàn)路效果，對試驗(yàn)路進(jìn)行了滲透試驗(yàn)，并對試驗(yàn)路芯樣進(jìn)行了CT掃描和空隙率分布特征分析，相關(guān)結(jié)果如表6。從表6可以看出，試驗(yàn)路空隙率和滲水系數(shù)均滿足相關(guān)規(guī)范的要求。由于考慮了空隙率的不均勻分布，不存在上部空隙率偏大的問題，這對于路面的耐久性是有益的，也為降低造價(jià)提供了操作空間。

表6 芯樣空隙特征與滲透性評價(jià)結(jié)果

4 結(jié)論

鑒于透水式瀝青混合料磨耗層造價(jià)高、壽命短，無法大面積推廣應(yīng)用等問題，本研究嘗試通過改進(jìn)大空隙瀝青混合料試件毛體積密度的檢測方法，考慮瀝青混合料橫縱向排水性能的差異，對透水式瀝青混合料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過試驗(yàn)路驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用普通改性瀝青和普通石灰?guī)r集料修筑國省道公路瀝青路面低造價(jià)長壽命排水式磨耗層的目標(biāo)。主要結(jié)論包括：

(1)應(yīng)用體積法檢測室內(nèi)成型的大空隙瀝青混合料試件毛體積密度時(shí)，需要先用取芯機(jī)鉆取試件的芯樣，并對芯樣實(shí)施毛體積密度檢測，以消除試件側(cè)面表面構(gòu)造產(chǎn)生的開口空隙的影響，這個(gè)影響的程度大致在1.7%左右。

(2)由于壓實(shí)的大空隙瀝青混合料空隙沿厚度方向的分布是不均勻的，導(dǎo)致壓實(shí)的PFC材料的滲透性具有方向性的，透水路面和排水路面應(yīng)該采用不同的滲透系數(shù)。

(3)考慮到壓實(shí)的大空隙瀝青混合料橫向滲透系數(shù)一般可以是豎向滲透系數(shù)的兩倍，在設(shè)計(jì)排水式瀝青磨耗層(橫向排水)時(shí)可以適當(dāng)降低瀝青混合料的空隙率，這對于延長磨耗層的使用壽命是有益的。

(4)試驗(yàn)路效果顯示，考慮PFC材料滲透的方向性設(shè)計(jì)排水式路面是可以實(shí)現(xiàn)的，相關(guān)路用性能滿足規(guī)范要求，基本不增加國省道公路瀝青路面改造工程造價(jià)，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果良好。