车辙对大空隙沥青路面横向排水影响的室内模拟测试

陈　俊　 孔　燕　 黄晓明　 徐　艳　 Wang Linbing

(1河海大学土木与交通学院, 南京210098)(2东南大学交通学院, 南京210096)(3The Via Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA 24061, USA)

车辙对大空隙沥青路面横向排水影响的室内模拟测试

陈俊1孔燕1黄晓明2徐艳1Wang Linbing3

(1河海大学土木与交通学院, 南京210098)(2东南大学交通学院, 南京210096)(3The Via Department of Civil and Environmental Engineering, Virginia Polytechnic Institute and State University, Blacksburg, VA 24061, USA)

摘要:为了研究纵向车辙对大空隙沥青路面横向排水的影响,研发了大空隙沥青混合料渗水系数的室内测试仪,该仪器可模拟路面横坡和雨水在大空隙沥青混合料中的流动过程.采用车辙试验仪对8种类型的OGFC沥青混合料试件进行往复荷载作用来模拟车辙变形,并利用研发的渗水系数测试仪,测试具有不同车辙深度的沥青混合料横向渗水系数,计算得到因车辙引起的混合料渗水系数衰减度.结果表明:车辙会明显降低大空隙沥青混合料的横向渗水系数;动稳定度与渗水系数衰减度无明显关系,而大空隙沥青混合料的车辙深度与渗水系数衰减度具有一定的线性关系,因此可作为控制渗水系数衰减的指标;增大集料的公称最大粒径、使用高黏改性沥青、增大混合料空隙率能有效降低车辙引起的排水系数衰减程度.

关键词:大空隙沥青路面;车辙;渗水系数测试仪;渗水系数

与传统密级配沥青混合料铺筑的传统路面相比,排水性沥青路面和开级配抗滑磨耗层因采用空隙率大、连通空隙多的沥青混合料作为路面表层,而具有优越的抗滑、防水雾和水溅、降噪和防眩光等性能.但是,近年来工程技术人员发现部分排水性沥青路面在使用一段时间后,上述优良性能会快速下降,丧失了其相比于传统路面所具有的优势.研究表明,空气中的灰尘、轮胎的橡胶粉末、交通垃圾等堵塞路表空隙而引起的沥青混合料空隙率下降是重要因素[1-5].

除空隙堵塞导致空隙率下降外,近年来还发现沥青混合料永久变形也会引起空隙率下降,从而导致渗水系数下降[6].这就给降雨条件下排水性沥青路面的排水带来了潜在隐患.在正常条件下,雨水降落到路表后,沿着竖向空隙渗透到OGFC沥青混合料内部,并沿着路面横坡通过OGFC内的连通空隙排出路面.但在包括我国在内的许多国家,车辆沿着右侧行驶,重载、慢速车辆往往行驶在半幅路面的右侧车道,在高温条件下右侧车道轮迹带位置容易产生路表车辙,车辙出现之处可能产生渗水的“瓶颈”.尤其是右侧车道处于渗水路径的下游,一旦“瓶颈”阻碍或延缓雨水的横向渗流,雨水就会在路表形成水膜,使路面丧失了通过大空隙沥青混合料内部排水以达到抗滑、防水雾和水溅的目的.由此可见,因大空隙沥青混合料永久变形可能导致横向排水困难的问题值得重视和深入研究.

尽管永久变形可能会引起路面横向排水困难,但一直未针对该问题开展有效研究,其主要原因是,目前路面和室内沥青混合料渗水系数测试仪均不能完整地模拟雨水在大空隙沥青混合料中的流动过程、路面横坡和排水“瓶颈”对横向排水的阻碍作用[7-10].为此,本文将研发一种能够模拟路面横坡和雨水在大空隙沥青混合料中流动的变水头渗水系数测试仪,并结合车辙试验,测试不同车辙试验时间(不同的车辙深度)下沥青混合料的渗水系数,并与未产生车辙时的混合料渗水系数进行比较,计算因车辙引起的横向渗水系数衰减度.在此基础上,研究了车辙对大空隙沥青路面横向排水的影响程度,并从沥青混合料设计角度,获得延缓或降低车辙对路面横向排水负面影响的方法.

1渗水系数的变水头测试仪

图1是三车道组成的半幅排水沥青路面示意图,图中雨水流动有2个过程,即雨水先在OGFC内竖向渗透,再通过连通空隙沿横坡排出.

图1　排水性沥青路面雨水流动路径

根据这2个过程,本文研发了变水头的渗水系数测试仪,如图2所示.该测试仪的主要功能是:① 能模拟雨水在OGFC中的实际流动状态;② 通过测试一定体积的水在OGFC板式试件(尺寸为300mm×300mm×50mm)内流动的时间,反映其横向渗水系数的大小;③ 结合对OGFC板式试件的车辙试验,能测试车辙对渗水系数的影响;④ 能通过旋转图2(a)左端的螺帽,实现对试件坡度的调节,以模拟路面横坡.

(a) 各组成部件图

(b) 实体图

大空隙沥青混合料的渗水系数P按下式计算:

(1)

式中,m为测试仪中水箱内注入水的质量,g;t为从水阀打开至没有水再渗出沥青混合料试件的时间,s.

渗水系数的测试步骤如下:

① 根据研究的需要,旋转螺帽调整好放置沥青混合料试件平台的坡度,本文采用的横坡坡度为1%.

② 对沥青混合料板式的4个表面(3个侧面和1个底面),即图3所示的未标阴影表面,采用石蜡封住表面空隙,留一个侧面(图3中右侧标阴影面)作为渗水面.放入测试仪内,并在水箱内注入500g水,测试沥青混合料的初始渗水系数P0.

图3　石蜡封住试件4个表面(未标阴影)的空隙

③ 把试件放入车辙试验仪中,且保证车辙试验时橡胶轮运动方向与渗水侧面平行;在60 ℃和0.7MPa条件下,橡胶轮往复运动10min后取出试件,放入渗水系数测试仪中,测试渗水系数P10.为了避免混合料试件温度不明显下降,给后续车辙试验造成不便,渗水系数测试仪水箱内注入的水的温度应与沥青混合料温度相当,均为60 ℃,且渗水系数测试需在3min内完成.

④ 重复步骤③,分别测试得到车辙试验20,30,40,50,60min后的沥青混合料渗水系数P20,P30,P40,P50,P60,并按照下式计算车辙引起的渗水系数衰减度:

(2)

式中,Li为车辙试验imin后混合料渗水系数衰减度,%;Pi为车辙试验imin后混合料的渗水系数,g/s.

按上述测试步骤对大空隙沥青混合料进行大量试验,试验数据的统计分析表明所研发的渗水系数测试仪可靠性高,测试值的稳定性和可重复性好,可以用于测试大空隙沥青混合料的渗水系数.

2车辙对渗水系数的影响

2.1原材料

大空隙沥青混合料采用镇江茅迪生产的玄武岩集料和石灰石矿粉,沥青为SBS改性沥青和一种高黏度改性沥青(HVA).在表1所示的4种级配、2种设计空隙率下,采用轮碾法成型8组大空隙沥青混合料试件,尺寸为300mm×300mm×50mm.

表1　试验用大空隙沥青混合料原材料

注:d为筛孔尺寸.

2.2车辙试验不同时间后的渗水系数

采用研发的渗水系数测试仪,对按表1成型的混合料试件,测试获得初始渗水系数以及车辙试验过程中每隔10min的渗水系数,如图4所示.可看出,随车辙试验时间延长,8种类型的大空隙沥青混合料的渗水系数均呈现先快速下降、后缓慢下降的趋势,这说明车辙永久变形在大空隙沥青混合料内部形成了渗水的“瓶颈”,延缓或部分阻碍了水流的顺利渗透.

图4　车辙试验不同时间后混合料的渗水系数

为了分析集料公称最大粒径、沥青品种和混合料空隙率对渗水系数衰减度的影响,对图4中每隔10min采集的渗水系数,按式(2)计算渗水系数衰减度,如图5所示.由图可见,渗透系数衰减的8条曲线主要分为2簇:一簇为渗透系数较小的试件1～试件4(空隙率为20%),另一簇为渗透系数较大的试件5～试件8(空隙率为25%).这表明尽管大空隙沥青混合料的渗水系数均随着车辙时间延长而下降,但空隙率较大混合料衰减后的渗透系数仍然大于空隙率较小的混合料.

图5　车辙试验不同时间后混合料渗水系数衰减度

比较图5中试件1与试件2的曲线,可发现在空隙率、级配完全相同情况下,采用高黏改性沥青的试件2,其渗水系数衰减度小于试件1.对比试件3与试件4、试件5与试件6、试件7与试件8,也可得到相同的结论.可见,采用高黏改性沥青有助于降低因车辙引起的渗水系数衰减.

比较图5中试件1与试件3的曲线,可发现在空隙率和沥青品种相同时,集料最大公称粒径为9.5mm的试件3混合料,其渗水系数衰减度大于最大公称粒径为13.2mm的试件1混合料.对比试件2与试件4、试件5与试件7、试件6与试件8,也可得出类似的结论.这说明,采用公称粒径较大的集料对降低大空隙沥青混合料车辙引起的渗水系数衰减有一定作用.由上述分析可知,通过使用高黏改性沥青和公称最大粒径较大的集料可有效减少大空隙沥青混合料渗水系数的衰减.

2.3车辙深度和动稳定度与渗水系数衰减度的关系

由2.2节可知,车辙引起的永久变形会导致大空隙沥青混合料渗水系数的衰减.为了从控制永久变形角度限制渗水系数的衰减,本节研究常用于表征高温抗变形能力的指标与渗水系数衰减度的关系.

在车辙试验(60 ℃，0.7MPa)过程中,采集了荷载往复运动45和60min时的车辙深度D45和D60.并按照下式计算得出沥青混合料的动稳定度:

(3)

同时,由图4和式(2)计算得到60min车辙试验结束后沥青混合料渗水系数衰减度L60.

图6给出了表1中8种沥青混合料车辙试验结束时车辙深度、动稳定度与渗水系数衰减度L60的关系.由图可见,经过60min车辙试验后,大空隙沥青混合料的渗水系数出现明显下降,其下降程度在35%～60%之间,且车辙深度越大的沥青混合料,其渗水系数衰减度L60越大,两者呈现一定的线性关系.

图6　车辙深度和动稳定度与渗水系数衰减度的关系

从图6还可看出,沥青混合料的动稳定度与L60不存在明显的关系,若两者呈现线性关系,就会得出动稳定度越大的混合料,渗水系数衰减得越小的结论.但动稳定度大的大空隙沥青混合料,其渗水系数衰减程度可能并不小.从这个角度,我国相关规范虽采用动稳定度指标评价沥青混合料的高温稳定性,但用在对大空隙沥青混合料渗水系数的控制上可能行不通.因此,在控制大空隙沥青混合料渗水系数衰减方面,通过控制车辙深度或永久变形量来实现要优于通过控制动稳定度.本文试验对象只是表1所示的8组沥青混合料,上述研究结论需要更多的试验样品以及对实际路面性能的观测加以验证.

3结论

1) 研发的大空隙沥青混合料渗水系数测试仪,不仅能模拟路面的横坡、雨水流动的过程,而且与车辙试验相结合,能测试车辙对渗水系数的衰减作用.

2) 车辙会明显降低大空隙沥青混合料的横向渗水系数;大空隙沥青混合料的车辙深度与渗水系数衰减度具有一定的线性关系,可作为控制渗水系数衰减的指标.

3) 使用高黏改性沥青和公称最大粒径较大的集料可有效减少大空隙沥青混合料渗水系数的衰减.

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Laboratoryevaluationoftheeffectoflongitudinalruttingontransversalpermeabilityinporousasphaltpavement

ChenJun1KongYan1HuangXiaoming2XuYan1WangLinbing3

(1CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China) (2SchoolofTransportation,SoutheastUniversity,Nanjing210096,China) (3TheViaDepartmentofCivilandEnvironmentalEngineering,VirginiaPolytechnicInstituteandStateUniversity,Blacksburg,VA24061,USA)

Abstract:To investigate permeability loss or reduction due to longitudinal rutting, a permeameter was developed with consideration of both rainwater flowing procedure and the pavement transversal slope. Wheel rutting tests were conducted on the eight types of open graded friction course (OGFC) samples to simulate the rutting deformation. The developed permeameter was used to test the permeability of OGFC samples with different rutting depths. The permeability loss due to rutting deformation was calculated. Results show that permeability loss due to deformation-related clogging is significant. The permeability coefficient has no significant relationship with the dynamic stability, but it decreases linearly with the increasing rutting depth of the OGFC mixtures. The rutting depth is recommended as a design index to control the permeability loss of the OGFC mixture rather than the dynamic stability. Permeability loss due to deformation-related clogging can be reduced effectively by using large nominal maximum aggregate size, high viscosity asphalt binder and large air voids.

Key words:porous asphalt pavement; rutting; permeameter; permeability

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.021

收稿日期:2015-09-18.

作者简介:陈俊(1981—), 男, 博士, 副教授, chen_jun2728@163.com.

基金项目:国家自然科学基金资助项目(51208178)、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2015B17014).

中图分类号:U414

文献标志码:A

文章编号:1001-0505(2016)03-0584-05

引用本文: 陈俊,孔燕,黄晓明，等.车辙对大空隙沥青路面横向排水影响的室内模拟测试[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(3):584-588.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.03.021.