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!2004中国公路学报-排水性沥青混合料渗透系数测试研究

来源：爱站旅游

第17卷　第3期2004年7月

文章编号:100127372(2004)0320001205

中　国　公　路　学　报ChinaJournalofHighwayandTransport

Vol.17　No.3July2004

排水性沥青混合料渗透系数测试研究

徐　皓1,倪富健1,刘清泉2,沈　恒1,陈荣生1

(1.东南大学交通学院,江苏南京　210096;2.交通部公路科学研究所,北京　100088)

摘　要:为了对排水性沥青混合料的透水能力进行测评,分析影响沥青混合料透水能力的各种因

素,使用了自行研制的渗透系数测试仪进行测试。通过对不同空隙率、级配、沥青品质试件的测试,发现空隙率与沥青混合料的渗透系数有着良好的相关性;空隙率相同的条件下,集料粒径越大,混合料的渗透系数越大;沥青品质对混合料的渗透系数影响不大。结果表明:空隙率可以作为沥青混合料渗透系数的控制指标,集料的最大粒径、2.36mm筛孔的通过率都是影响渗透系数的重要因素;测试得出排水性沥青混合料的合理水力坡度应小于等于0.03,渗透系数大于1.5×10-2cm/s可以作为评价排水性沥青混合料渗透能力的指标。

关键词:道路工程;排水性沥青混合料;试验研究;渗透系数;空隙率;水力坡度中图分类号:U414.1　　　文献标志码:A

Researchonhydraulicconductivityofporousasphaltmixture

XUHao1,NIFu2jian1,LIUQing2quan2,SHENHeng1,CHENRong2sheng1

(1.SchoolofTransportation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China;2.HighwayResearchInstituteofM.O.C.,Beijing100088,China)

Abstract:Authorspresentadeviceformeasuringhydraulicconductivityofporousasphaltinordertoanalyzethefactorsthatinfluencehydraulicconductivityofasphaltmixture.Asphaltmixturesofdifferentairvoids,aggregategradationsandasphaltbindersaretested.Itisconcludedfromthetestthathydraulicconductivityismuchconcernedwithairvoidsandaggregategradation,ratherthanthepropertiesofasphaltbinders.Moreover,itcanbedrawnthatairvoidisakeyindexthatinfluencesbydraulicconductivityofasphaltmixture,andbothaggregatesizeandpercentpassingratioof2.36mmsieveopeninghavegreatinfluencesonhydraulicconductivity;rationalhydraulicgradientformeasuringhydraulicconductivityofporousasphaltmixtureshouldbelessthan0.03,andthequota1.5×10-2cm/scanberegardedasthetechnicalnormstocommentonthepermeabilityoftheporousasphaltmixture.

Keywords:roadengineering;porousasphaltmixture;experimentalresearch;hydraulicconductivity;per2centageofairvoid;hydraulicgradient

0引　言

能够防止路表水膜的形成,提高了路面粗糙度,从而

抵抗车辆的滑移;消除或减轻车尾喷水花的现象,提高驾驶员视线的清晰度,明显提高车辆高速行驶的安全性;具有抑制溅水现象和降低交通噪声等保护

排水性沥青面层与传统的密集配沥青混凝土面层相比,其15%～25%的大孔隙结构形式使得雨天

收稿日期:2003208215

基金项目:国家西部交通建设科技项目(200131822332)作者简介:徐　皓(19792),男,江苏南京人,工学博士研究生.E2mail:xuhaowarrior@sina.com

2中　国　公　路　学　报　　　　　　　　　　　　　　　2004年

积(cm2),即标准马歇尔试件81.03cm2;h1、h2分别

为两测压管的水位高度读数(cm)。

环境的功能。随着中国西部开发战略的实施,公路网的建设将向西部延伸,高速公路的建设重心也将逐步西移,山区高速公路的修建将逐渐增多。由于弯、坡、陡等因素,行车安全问题在山区公路上比在平原区公路上更加突出,发生事故的可能性增大,同时事故的严重性和危险程度也增大。在山区由于纵坡的原因使路面表面的排水径流长度增大,如果路表光滑,那么降雨在路表面形成水膜的可能性增大,这就使产生水漂的危险增大,同时产生溅水和喷雾,影响跟随车辆的能见度,由此而造成事故的危险性会进一步增大。对于水的问题其对策不是封堵就是排泄,以前的研究结果表明,从路面体内排水比从路表排水效率更高,因此对山区公路而言采用沥青面层排水的方法,更合理也更有利。而作为排水性沥青混合料的关键性指标透水能力的测试,中国的研究起步较晚,没有形成相应的试验规程。因此有必要对排水性沥青混合料进行室内渗透系数的测试研究,提出室内排水性沥青混合料渗透系数的测试方法,分析空隙率、级配组成、沥青性质对沥青混合料渗透系数的影响。

图1

Fig.1

渗透仪

Permeameter

1.3

渗透系数合理水力坡度的确定

渗透系数试验首先要保证测试试件的水流状态满足达西定律的适用范围,即水流保证层流状态。为了保证层流状态,ASTM建议取低压实度材料的水力坡度临界值为0.2～0.3。对于多孔隙排水混合料,保证层流的水力坡度临界值的上限通常为0.045[7]。为了确定排水性沥青混合料渗透系数测定的合理水力坡度范围,成型17%、20%、23%的3种不同空隙率的排水性沥青混合料,3种混合料都使用高粘改性沥青拌合,经性能试验检测,强度、高温稳定性、水稳定性、低温性能、抗滑性测试结果如表1所示,不难看出其各种指标均能满足高速公路表面层的功能要求。在满足强度要求的基础上,对

1.1

排水性沥青混合料渗透系数试验

渗透系数

渗透系数是反映孔隙介质透水能力的一个综合系数。水流速度较慢时,在水头差的作用下,断面的渗透平均速度与水力坡度成正比,即为达西定律

v=ki

(1)

3种空隙率的排水性沥青混合料进行了渗透系数测

式中:v为水的渗透平均速度(cm/s);k为渗透系数(cm/s);i为水力坡度。1.2试验装置

室内渗透系数的测试方法一般有常水头和变水头两种。变水头一般适用于测试渗透系数小于1×10-3cm/s的材料,对于排水性沥青混合料,其渗透系数一般在1×10-2cm/s以上,因此采用常水头方法进行测试[1,2]。

笔者参照南55型变水头渗透仪进行改进[3～6],研制出一种常水头的渗透仪(图1)。它可以直接使用不脱模的标准马歇尔试件进行渗透系数测试。

渗透系数计算公式

QQLk==

ρρwtAiwtA(h1-h2)

(2)

试,试验结果如图2所示。

图2不同空隙率的排水性沥青混合料渗透系数

Hydraulicconductivityfordifferentairvoidsofporousasphaltmixtures

Fig.2

式中:Q为t段试件内渗透经过试件的水的质量(g);

ρw为水的密度(g/cm);L为试件的有效长度(cm),即标准马歇尔试件6.35cm;A为试件的横截面面

　　从图2中可以发现:水头差较大时,渗透系数随

着水头差的降低不断增大,渗透系数变化趋势明显,显示出紊流的特征,当水力坡度小于0.045(标准马歇尔试件,水头差0.3cm)时,随着水头差的降低,

第3期　　　　　　　　　　　徐　皓,等:排水性沥青混合料渗透系数测试研究混合料的渗透系数仍继续增长,当水力坡度小于0.03(水头差0.2cm)时,混合料的渗透系数则趋于稳定,可认为水流已达到层流状态。由于过小的水头差会使数据误差增大,为此笔者把水力坡度0.03(水头差0.2cm)作为排水性沥青混合料渗透系数确定的水力坡度。

1.4渗透系数结果分析

日本的排水性铺装技术指针规定排水性沥青混合料的渗透系数应大于1×10-2cm/s[8],为确定排水

表1

Tab.1

性能试验指标

15℃抗压强度/MPa

性沥青混合料渗透系数的指标,比较了密级配沥青混

合料(空隙率4%)、沥青碎石(空隙率11%)和排水性沥青混合料(空隙率17%、20%、23%)的渗透能力。不同类型沥青混合料渗透能力的比较见表2。

可见密级配沥青混凝土的渗透系数一般在0.5×10-2cm/s左右,沥青碎石的渗透系数在0.9×10-2cm/s左右,而排水性沥青混合料(空隙率17%～23%)渗透系数均大于2.0×10-2cm/s,远大于普通沥青混合料的渗透系数。

3种排水性沥青混合料性能试验结果

Performanceresultsofdifferentporousasphaltmixtures

不同沥青混合料类型的孔隙率/%

173.05512.141.94341.140.60150.251.96138.80420092.887.96.584079.89591.80

202.24475.611.97349.121.01300.152.02137.43450096.593.18.034789.2591.88

232.24467.041.77310.250.94320.92.19107.1287598.671.46.294201.07632.01

单轴压缩试验

15℃抗压模量/MPa20℃抗压强度/MPa20℃抗压模量/MPa

)劈裂试验(15℃

劈裂强度/MPa劲度模量/MPa抗弯拉强度/MPa弯曲劲度模量/MPa动稳定度/次・mm-1残留稳定度S0/%残留强度比R0/%抗弯拉强度/MPa弯曲劲度模量/MPa

摩擦系数构造深度/mm

)弯曲试验(15℃

车辙试验浸水残留试验冻融劈裂试验

)低温弯曲试验(-10℃

抗滑性能试验

表2

Tab.2混合料类型

不同类型沥青混合料渗透能力比较

Permeabilityresultsofdifferentasphalts

空隙率/%

411172023

渗透系数/10-2cm・s-1

0.550.982.373.083.33

密级配沥青混凝土

沥青碎石排水性沥青混合料Ⅰ排水性沥青混合料Ⅱ排水性沥青混合料Ⅲ

2.1

沥青混合料渗透系数的影响因素

渗透系数与空隙率的关系及其指标确定

空隙率的大小对沥青混合料的渗透系数有着极

图3

Fig.3

空隙率n0与有效空隙率ne的关系

Relationofairvoidsandeffectiveairvoids

　　　　6.5744　　(R2=0.998)

(3)

大的影响[9～11],而包含连通孔隙和半连通孔隙的有

效空隙率则更是直接关系混合料的渗透能力,成型不同空隙率的沥青混合料,其空隙率与有效空隙率的关系如图3所示。研究空隙率与渗透系数的关系,可得空隙率n0与有效空隙率ne的关系式

　　ne=-0.0039n30+0.1703n0-1.3664n0+

式中:R2为相关系数。

回归空隙率(有效空隙率)与渗透系数k的关系,如图4、5所示。

由试验结果可以回归出空隙率n0、有效空隙率ne与渗透系数k的关系

　　k=0.5053n20+0.0145n0+0.0034

4中　国　公　路　学　报　　　　　　　　　　　　　　　2004年

(5)　　　　(R2=0.995)

可以看出:随着空隙率或有效空隙率的增大,渗透系数也增大,有效孔隙率与渗透系数的相关性更好,但考虑到空隙率的测定较为简单且与渗透系数也有很好的相关性,可使用空隙率作为沥青混合料

图4

Fig.4

空隙率与渗透系数关系

Relationofairvoidsandhydraulicconductivity

渗透系数的控制指标。排水性沥青混合料的空隙率

(5)关于空隙范围一般为15%～25%,根据式(4)、

率、有效空隙率与渗透系数的关系,可知当空隙率为15%时,渗透系数k为1.7×10-2cm/s。因此,为保证排水性沥青混合料的透水性能,应将其渗透系数指标定为大于1.5×10-2cm/s。

2.2级配组成与沥青混合料渗透系数的关系

相同空隙率不同级配组成沥青混合料的渗透系数的试验结果如表3所示。

通过大量均匀试验,以渗透系数为应变量,通过前进法筛选技术得出13.2、2.36、0.075mm孔径筛孔的通过率以及4.75、2.36mm孔径筛孔的通过率之差PP2.36、P0.075、Pδ,P13.2、δ对渗透系数的影响最

图5

Fig.5

有效空隙率与渗透系数关系

Relationofeffectiveairvoidsandhydraulicconductivity

　　　　(R=0.979)

k=0.6936ne+0.0496ne+0.0027

表3

Tab.3

级配类型级配1级配2级配3级配4

空隙率最大粒径

/%20201717

/mm13.21613.216

(4)

大[12],并且根据逐步回归过程,发现2.36mm筛孔的通过率与其他因素相比,与渗透系数的相关性更大。回归出最大粒径13.2、16mm时渗透系数与各影响因素的关系

沥青混合料级配—渗透系数关系

渗透系数

/10-2cm・s-1

3.13.32.42.7

Relationofasphaltmixturegradationsandhydraulicconductivity

2.36mm筛孔通

0.075mm筛孔通

4.75、2.36mm筛孔

13.2mm筛孔通

过率/%

94809581.3

过率/%

13.411.517.214.7

过率/%

6.156.14.7

通过率之差/%

7.20.76.40.7

　k13.2=0.0532-0.1245P2.36-0.057P0.075-2

0.0225Pδ　　(R=0.9783)

成和空隙率才是影响透水性的决定因素。

(6)(7)

表4

Tab.4

3种试验沥青的试验指标与技术要求threekindsofexperimentalasphalts试验项目针入度指数PI

5℃延度/cm

　k16=0.0361+0.016P13.2-0.1425P2.36-0.033Pδ　　(R=0.9559)

Experimentnormsandtechnicalrequirementof

高粘

0.93835.589

PG762221.2939.782477723

PG702220.27748.35735324

可见在相同空隙率的情况下,细集料含量越多,混合料的渗透系数越低。集料的最大粒径也对渗透系数有很大的影响,最大粒径提高一档,渗透系数增大10%左右。2.3

技术要求[7]

≥-0.2≥30≥60≥200000

软化点/℃

60℃粘度/Pa

≥1000000

沥青品质与沥青混合料渗透系数的关系选用高粘、PG276、PG270三种沥青成型相同级

3结　语

(1)研究表明:自行研制的沥青混合料渗透系数

配、空隙率的沥青混合料,沥青品质比较见表4,进行渗透系数试验,测试结果如表5所示。3种沥青混合料的透水能力并没有表现出大的差异,这说明沥青的品质对混合料的透水性能影响不大。级配组

测试仪操作方法简便,测定的结果具有很好的代表

性和稳定性,可以用来测试沥青混合料的渗透系数。

(2)测试排水性沥青混合料的合理水力坡度为

第3期　　　　　　　　　　　徐　皓,等:排水性沥青混合料渗透系数测试研究小于等于0.03,使用标准马歇尔试件进行渗透系数测试的水头差可取0.2cm。

表5

Tab.5

ofgranularsoils(constanthead)[S].[2]　JTJ051293,公路土工试验规程[S].

沥青混合料沥青品质—渗透系数关系

Asphaltqualityofasphaltmixtureand

hydraulicconductivity

渗透系数/10-2cm・s-1高粘

3.13.33.42.7

PG2763.03.33.52.7

PG2703.13.33.42.6

[3]　大川秀雄,原富男.排水性铺装的排水举动[J].铺

装,1992,27(7):35—37.

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丸善株式会社,1996.

[5]　方开泰,马长兴.正交与均匀试验设计[M].北京:科

最大粒径/mm

13.213.216.016.0

空隙率/%

20232017

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[9]　吉青克.大孔隙材料渗透系数的室内测定[J].公路交

　　(3)根据排水性沥青混合料的空隙率范围,渗透系数大于1.5×10cm/s可以作为排水性沥青混合

料渗透能力的指标。

(4)空隙率或有效空隙率越大,渗透系数越大,有效孔隙率与渗透系数的相关性更好。考虑到空隙率的测定较为简单且与渗透系数也有很好的相关性,可使用空隙率作为沥青混合料渗透系数的控制指标。

(5)级配组成与沥青混合料的渗透系数有较好的相关性,集料的最大粒径、2.36mm筛孔的通过率都是影响渗透系数的重要因素;空隙率相同,集料粒径越大,混合料的渗透系数越大。

(6)沥青品质对沥青混合料的渗透系数影响不大。参考文献:

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-2

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[12]　张鹏飞.路面内部排水系统的设计与研究[D].上海:

同济大学,1999.

《中国公路学报》入选“中国期刊方阵”

“中国期刊方阵”的建设是现阶段中国期刊出版事业发展的需要,是推进新世纪中国期刊发展的战略性举措,它将促进中国期刊“精品战略”的实施,创出一批品牌期刊使之成为中国期刊的“中坚”。“中国期刊方阵”分为四个层面:第一个层面是“双效”期刊,就是以全国现有的8000多种期刊为基数,选取10%～15%社会效益、经济效益都好的重点期刊,大约1000种左右。这一部分是“中国期刊方阵”的基础,由新闻出版署制定统一标准,把指标分解到各个省和中央的有关部门抓落实。第二个层面是“双百”期刊,就是每两年一届滚动式评选的百种重点社科期刊和百种重点科技期刊。这一层面虽然只有200种,但在“中国期刊方阵”中是最充满活力的。这一部分由新闻出版署和科技部直接抓落实。第三个层面是“双奖”期刊,就是获得国家期刊奖和获得国家期刊奖提名奖的期刊,每3～4年评选一次,获奖期刊100种左右。这一部分基本上是大刊名刊,具有较强的自我扩张能力,它们实际上已经是国内的名牌期刊。第四个层面是“双高”期刊,就是高科技和高学术水平的期刊。本次评选出716种科技期刊进入“中国期刊方阵”,其中“双高”期刊40种“,双奖”期刊58种“,双百”期刊122种“双效”,期刊496种。《中国公路学报》属“双效”期刊。

《中国公路学报》编辑部

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