鄧 斌

（廣東華路交通科技有限公司,廣東 廣州 510420）

0 引言

隨著經濟水平的快速發(fā)展，公路工程的建設規(guī)模日益擴大，安全事故的數量也越來越多。相關事故調查報告表明，雨水引起的事故數量約占總交通事故數量的25%。傳統的公路工程路面結構一般使用密級配瀝青混合料，滲水性差，在連續(xù)降雨天氣下，雨水以徑流在方式排向兩側邊溝，這樣容易在路面和輪胎間產生一層水膜。當水膜厚度達到某一臨界值，路面抗滑能力會急劇下降，從而使車輛出現側向滑移，嚴重的可能會造成一定的人員傷亡。鑒于此，國內外很多學者開始研究排水瀝青混合料路面，但是并未形成統一的學術觀點來指導排水瀝青路面的建設和運營。同時，工程技術人員在開展排水瀝青路面設計時仍盲目套用鄰近項目的通用圖，對排水瀝青路面微觀特性了解甚少[1]。因此，從細觀角度進一步研究排水瀝青混合料的空隙分布特征和排水特性具有十分重要的工程意義。

1 排水瀝青混合料滲流原理及空隙結構特性

1.1 排水瀝青混合料滲流原理

1.1.1 產流機制

在連續(xù)降雨進程中，雨水在排水瀝青路面的匯集大致包括三個階段[2]：第一，降雨初期，路面由干燥狀逐漸被雨水浸潤；第二，當路表含水量超過其最大持水量時，雨水在自身重力作用下向下逐漸滲透到混合料的空隙中，直至混合料達到飽和狀態(tài)；第三，當路面滲流強度＞降雨強度，雨水全部向面層底部滲透，并沿著橫坡排出外側。當路面滲流強度＜降雨強度，會有一部分雨水來不及下滲，而在路表形成徑流。地表徑流過大，不僅會干擾行車安全性和舒適度，還會侵蝕剝落路面混合料，加速路面破壞，降低路面運營壽命。

1.1.2 滲流分析

為了確保排水瀝青路面的合理性，必須確保排水瀝青路面滲流強度大于降雨強度。相關研究表明，路面滲流強度取決于排水瀝青混合料的滲透系數。因此，可通過建立降雨強度和排水瀝青混合料的函數關系。根據《公路排水設計規(guī)范》（JTG/T D33—2012），降雨強度q可按式（1）計算：

式中，qef——有效降雨強度；cp——降雨重現期轉換系數；ct——降雨歷時轉換系數；q5,10——降雨重現期為5年，降雨歷時10 min的標準降雨強度；a——降雨損失系數。

鑒于篇幅有限，不再詳細推導路面降雨滲透平衡方程，直接參考相關學者的研究成果，給出路面無明顯徑流的條件下，極限降雨強度W和排水瀝青混合料滲透系數間的函數關系，見式（2）：

式中，k——排水瀝青混合料滲透系數（cm/s）；h——排水瀝青路面厚度（m）；l—排水路徑長度（m）；i——路面綜合坡度（%）。當計算結果滿足上式，說明排水瀝青路面的設計方案合理[3]。

1.2 排水瀝青混合料空隙類型

排水瀝青路面又叫多孔瀝青路面，大空隙率是排水瀝青路面實現排水降噪功能的關鍵，而國內規(guī)范對排水瀝青混合料空隙率的要求比較含糊。《公路排水設計規(guī)范》（JTG/T D33—2012）規(guī)定排水瀝青混合料的孔隙率宜取18%～25%，但未給出具體計算方法數值。要準確計算出排水瀝青混合料的排水能力，必須先對其空隙類型進行區(qū)分。

排水瀝青混合料的空隙包括連通空隙、半連通空隙、封閉空隙。不同空隙的具體排水特征為：①連通空隙從排水瀝青混合料內部貫穿，雨水可利用孔道排至排水瀝青面層底部，再沿著橫坡從路面結構兩側排入邊溝等，同時。連通空隙還具有儲水、降噪功能；②半連通孔隙是從排水瀝青混合料上表面或下表面向內延伸，但未貫穿混合料，無排水功能。雨水滲入排水瀝青路面后會滯留其中，使得路表積水轉化為儲存在路面內部的積水；③封閉孔隙完全位于排水瀝青混合料內部，是瀝青混合料的固有屬性，不具備排水、儲水、降噪功能。綜合可知，連通空隙是影響排水瀝青混合料排水能力的關鍵。

1.3 空隙結構基本特性

1.3.1 空隙率

排水瀝青混合料的空隙率指空隙體積與總體積的比值?？衫肅T掃描成像技術得到多張圖像，分別計算不同圖像的空隙面積、圖像面積，再按式（3）計算出排水瀝青混合料的平均空隙率n：

式中，N——掃描圖像總張數；Avi——第i張圖像空隙面積；Ati——第i張圖像總面積。

1.3.2 彎曲度

排水瀝青混合料內部空隙形狀復雜，水并不是沿直線流動，而是迂回曲折地流動。為了衡量這一現象，可引入彎曲度概念。彎曲度T為水的實際流動長度Le與該水流路徑出、入口直線長度L0的比值。而實際中空隙彎曲度測量十分困難，可利用圖像切片簡化計算。

2 基于CT技術的排水瀝青混合料空隙分布特征

相關研究表明，排水瀝青混合料空隙特征的微小變化都會對其排水能力產生明顯影響。鑒于無損數字圖像技術的日益成熟，可利用X-ray CT技術來研究排水瀝青混合料（以PAC-13為例）的細觀結構分布特征。

2.1 混合料制備

瀝青：排水瀝青混合料屬于開級配，粗集料多，細集料少，不宜采用普通基質瀝青，否則會導致瀝青混合料黏結性不足、抗車轍水平差等問題。為了防止排水瀝青混合料在車輛荷載反復作用下表面骨料飛散，排水瀝青混合料采用改性高黏度瀝青（60 ℃的黏度＞ 20 000 Pa·s）。

集料：為了避免排水瀝青混合料路表石料在運營期間磨損嚴重，集料選擇磨光值大、磨耗值小的玄武巖，礦粉采用當地生產的石灰?guī)r。

隨后通過馬歇爾試驗、析漏試驗、飛散試驗確定最佳瀝青含量為4.2%，級配組合參考《公路瀝青施工技術規(guī)范》（JTGF40—2004）。同時，分析了排水瀝青混合料的路用性能。由試驗結果表明，制備的排水瀝青混合料的高溫性能、抗滑性能、抗裂性能、水穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求，可以用于細觀結構研究。

2.2 X-ray CT 成像技術原理

X-ray CT成像技術是利用X射線從各個方向穿透瀝青混合料，在X射線穿透材料的過程中能量不斷衰減（被吸收或分散），能量衰減規(guī)律見式（4）：

式中，I0、I——分別為X射線穿越瀝青混合料前后的能量；μ——瀝青混合料衰減系數，空隙率越小，衰減系數越大；t——瀝青混合料厚度。

X射線CT掃描設備由射線源、瞄準儀、探測器等組成，其中瞄準儀能夠控制X射線光束厚度和形狀。在掃描過程中，不斷旋轉瀝青混合料試件，可得到試件在三維空間的微觀視圖，如圖1所示。

圖1 排水瀝青混合料成像原理

理論上排水瀝青混合料灰度直方圖應包括背景、空隙、膠漿和集料。但由于瀝青與集料、空隙等物質交錯分布，再加上噪聲等不良因素干擾，使得排水瀝青混合料成像邊界較為模糊，多呈三峰分布，瀝青膠漿與集料分布呈現“兩峰夾一谷”。為了解決這一問題，相關學者對大津算法（OTSU）進行改進，按照每個環(huán)區(qū)內亮度相近的原則對CT掃描圖像進行處理，具體處理流程為：①原始CT掃描圖像預處理；②預處理后圖像劃分為互相50%重疊的環(huán)狀子樣；③利用改進的大津算法計算出各環(huán)狀子樣的灰度閾值；④分割圖像，提取出瀝青混合料中的空隙。

2.3 空隙分布特征

2.3.1 不同類型空隙占比

為了更好地從細觀層面認識排水瀝青混合料的特征，利用X-ray CT掃描儀成像技術提出了連通空隙、半連通空隙、封閉空隙的數量及大?。ㄒ姳?），分析了排水瀝青混合料空隙特性。

表1 PAC-13排水瀝青混合料空隙測量結果

試驗結果表明，排水瀝青混合料中封閉空隙個數最多、體積最小，連通空隙個數最少、體積最大。封閉空隙和連通空隙個數分別占總空隙個數的68.4%、3.05%，體積分別占總空隙體積的25.4%、42.03%。同時，連通空隙單位體積遠大于半連通空隙和封閉空隙。連通空隙單位體積是半連通空隙的12.2倍，是封閉空隙的36.8倍。上述結果表明：連通孔隙對排水瀝青路面的排水能力貢獻最大，且單位空隙體積越大，排水通道越寬，排水能力越強。

2.3.2 空隙率和連通空隙率關系

該文測定了不同級配排水瀝青混合料的空隙率和連通空隙率，由試驗結果可知：排水瀝青混合料不同試件的空隙率均大于連通空隙率，且兩者基本呈線性正相關關系。空隙率為19.2%、19.8%、20.5%、21.2%時，對應的連通空隙率分別為13.3%、14.6%、15.2%、16.3%。

3 排水瀝青路面排水特性影響因素

3.1 滲透模型建立

目前室內試驗測定的排水瀝青混合料滲透系數都是單向的，不能真實反映其排水能力。該文選擇流體動力學軟件Fluent進行滲流計算，該軟件具有豐富的物理模型及強大的前后處理功能，計算速度快，能有效地模擬各種流體的流動特性。

排水瀝青混合料屬于多孔介質，其建模關鍵是明確各種空隙的邊界條件。由于瀝青混合料的空隙形狀復雜，且分布具有明顯的隨機性，可簡化為等高圓柱形毛細管（沿長度L方向直徑D不變，見圖2）。同時，為了更準確地描述瀝青混合料的水流特性，將圓管壁面設置為無滑移邊界。

圖2 排水瀝青混合料滲透簡化模型

3.2 試驗結果分析

3.2.1 空隙率對排水瀝青混合料滲透性能的影響

利用軟件Fluent建立了6個空隙率不同的排水瀝青混合料圓柱試件（編號1#～6#）開展?jié)B流分析。試件尺寸與室內常水頭試驗模型尺寸相同，即直徑10 cm、高度40 cm。不同試件的滲透系數試驗結果如表2所示。

表2 排水瀝青混合料空隙率與滲透系數關系

由計算結果可知，排水瀝青混合料的滲透系數會隨著其空隙率增加而持續(xù)增加，且兩者之間基本呈線性正相關趨勢。同時，通過函數繪圖軟件origin2021內置的一元一次方程進行擬合，相關系數R2=0.996 4≈1，擬合精度滿足工程需求，最終得到了排水瀝青混合料空隙率和滲透系數的關系滿足：y=0.044 9x?0.068 2。

3.2.2 彎曲度對排水瀝青混合料流速的影響

利用軟件Fluent建立了彎曲度為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0的毛細管模型，計算了不同彎曲度下的排水速度，并利用origin2021內置的指數函數進行擬合，相關系數達到了0.999 4，滿足工程需求，計算結果如圖3所示。

圖3 不同彎曲度下瀝青混合料排水速度

由圖3的計算結果可知：隨著彎曲度的不斷增加，其排水速度逐漸降低，但是降低速率并不是固定的。即排水路徑的彎曲程度越大，排水瀝青混合料的排水能力越差。彎曲度為1.0、1.5、2.0、2.5、3.0時，排水速度分別為 0.085 m/s、0.057 m/s、0.045 m/s、0.039 m/s、0.036 m/s，降低幅度分別為32.9%、21.1%、13.3%、7.7%。當彎曲度＜2.0時，排水瀝青路面的排水速度驟降；當彎曲度＞2.5時，排水瀝青路面的排水速度變化幅度不大。同時，不同模型的彎曲段流水壓力均有明顯增加，且呈內側壁面壓力小，外側壁面壓力大。這是因為流體流動過程中在曲線段產生離心力，使得流體擠壓外側壁面。

4 結語

該文主要研究了排水瀝青混合料滲流原理、空隙類型及空隙分布特征，并利用軟件Fluent探討了空隙率和彎曲度對其排水特性的影響，主要得到以下結論：①排水瀝青路面的滲流強度大于有效降雨強度，才能確保路表無徑流；②空隙率是影響排水混合料的關鍵因素，空隙類型主要有連通空隙、半連通空隙、封閉空隙；③排水瀝青混合料中封閉空隙個數最多、連通空隙個數最少，且連通空隙單位體積遠大于半連通空隙和封閉空隙；④排水瀝青混合料的排水能力會隨著空隙率增加、彎曲度的降低而降低。