排水沥青混合料渗透特性研究

张 建

(福州市规划设计研究院 福建福州 350000)

0 引言

随着我国经济社会的发展，城市路网密度和汽车保有量得到快速的增加，这使得道路交通对人们的生活环境产生越来越大的影响。因此，向市民提供更安全、更舒适、更环保的城市道路已成为市政道路相关部门追求的新目标。

实践表明，排水沥青路面是一种高品质的路面结构类型，体现了公路的人性化设计和“以人为本”的理念。该路面以排水沥青混合料作为沥青路面的上面层，雨水可迅速排入边沟等排水构造物中，具有减少雨天水雾、减轻夜间行车眩光、降低路面交通噪声、提高路面抗滑性能和减轻热导效应等突出优势，是一种满足安全、舒适、环保等新目标典型路面结构。

福建是一个高温多雨的省份，近年来交通和市政建设发展迅速，人们对路面服务性能的要求也在不断提高，该路面结构可为福建城市道路的路面性能改善提供重要途径，且拥有十分广阔的应用前景。但目前该排水沥青路面在福建的实际应用却非常少，其因在于：排水沥青路面在建设中仍存在诸多技术难点，同时对于排水沥青混合料渗透特性与空隙率以及孔结构参数之间的关系存在未知，严重阻碍了该技术的推广应用。

鉴于此，本文将通过自制的渗透系数测试仪，对排水沥青混合料的竖向以及横向渗透系数进行相关测试，进而探究竖向和横向渗透系数与空隙率以及孔结构参数之间的关系，以期为排水沥青路面的相关理论研究和推广应用提供理论依据。

1 排水沥青混合料渗透系数测试方法

1.1 渗透系数测试原理

渗透系数用于表征排水沥青路面的透水能力，是排水沥青路面结构设计的关键性指标。目前，渗透系数的测试方法都是基于Darcy定律进行，该定律可表示为：

v=k·i

(1)

q=k·i·A

(2)

式中：v——渗透速度，cm/s；

k——渗透系数，cm/s；

i——水力坡度，%；

q——单位时间的流量，cm/s；

A——水流通过断面的面积，cm2。

渗透系数的测试方法按照测试水头的状况可分为常水头法和变水头法两种。常水头法是通过测试恒定水头差下产生的渗透量，进而求得渗透系数，通常用于测量渗透系数大于0.01cm/s的材料；变水头法是通过测试一定量水通过试件所需的时间，进而求得渗透系数，通常用于测量渗透系数小于0.001cm/s的材料。由于排水沥青混合料具有大空隙，渗透系数往往大于0.01cm/s，因此，本文采用常水头法测试其渗透系数。

1.2 渗透系数测试方法

我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[1]规定采用路面渗水仪来评价沥青路面的渗水性能。但相关研究结果表明，路面渗水仪测试方法和渗透系数计算方法不适用于大孔隙结构的排水沥青混合料。为了能更好地反映出排水沥青路面的渗透特性，本文重新设计适用于该材料的渗透系数测试仪及计算方法。

1.2.1竖向渗透系数测试仪及方法

本文依据Darcy定律和诸永宁[2]的研究成果，自行设计了一种适用于测试排水沥青混合料竖向渗透系数的仪器，如图1所示。

图1 排水沥青竖向渗透系数测试仪

在常水头渗透试验中，根据式(2)可得到排水沥青混合料竖向渗透系数Ky，如式(3)所示。

(3)

式中：Q——时间t内渗出的水量，cm3；

L——渗流长度，cm；

A——试件的横断面积，cm2；

t——渗透时间，s；

Δh——测压管水头差，cm。

1.2.2横向渗透系数测试仪及方法

经文献调研发现，现有的排水沥青混合料横向渗透系数测试仪存在一定的局限性，如：诸永宁[2]等人设计的测试仪虽然简单，但测量的是无压状态下的渗透系数，该仪器难以准确地测量出其横向渗透系数。马翔[3]等人设计的测试仪虽然过于复杂且对试件尺寸有特殊要求，但可以得到较为可靠的结果。本文在诸永宁和马翔等人研究的基础上，充分考虑试验的方便性和简单性，选用车辙板试件并设计出适用于测试排水沥青混合料横向渗透系数的仪器，如图2所示。同时，利用该仪器的测试结果，计算出横向渗透系数的方法与求解竖向渗透系数的方法相同，如式(3)所示。

图2 排水沥青横向渗透系数测试仪

2 排水沥青混合料的渗透特性

2.1 竖向渗透特性

2.1.1试验过程

竖向渗透试验采用成型且未脱模的马歇尔试件。该试件能够保持试件周围的密封性，使水只能沿试件上下表面流动。具体步骤如下：

(1)在未脱模的马歇尔试件两端，分别装上进水口和出水口装置。

(2)在接口处均匀地涂上玻璃胶，使其密封。

(3)待玻璃胶干后，用保鲜膜再一次进行密封处理，保证水流只能从马歇尔试件的上表面流向下表面。

(4)打开水龙头，保证恒定的水流速度。观察一段时间后，检查密封处和接口处是否漏水。若漏水，则需重新进行密封；若无漏水，则开始测试竖向渗透系数。

(5)在按下秒表的同时，用盆接流出的水，通过记录一定时间内透过试件的水量Q，并利用公式(3)计算出排水沥青混合料的竖向渗透系数。为保证试验结果的可比性，要求对同一个试件进行3次平行试验，且要求3次试验结果的误差在允许范围内。

2.1.2试验结果及数据处理

本文选取3组不同空隙率(18%、20%、22%)的级配并制作马歇尔试件，分别测试其竖向渗透系数。为保证试验结果的准确性，要求水位差尽量控制在5mm以内。试验结果如图3所示。

由图3可以看出，对于排水沥青混合料，其竖向渗透系数随空隙率的增大而逐渐增大。空隙率为20%的竖向渗透系数是空隙率为18%的1.4倍，空隙率为22%的竖向渗透系数是空隙率为20%的2倍，该现象表明：随着空隙率的增大，其增大趋势逐渐明显。

图3 三种不同空隙率的竖向渗透系数

针对排水沥青混合料的渗透系数，不同地区根据各自的排水需求，分别给出了渗透系数要求。日本要求采用路面渗水仪测试渗透系数，且要求渗水系数大于900ml/15s。我国也同样要求采用路面渗水仪进行测试，但只有个别省份给出了具体要求。如浙江省《城镇道路特种沥青路面工程施工与质量验收规范》要求渗透系数大于0.01cm/s。从图3可以看出，渗透系数均大于0.01cm/s，说明该排水沥青混合料能够满足雨水入渗要求，且空隙率越大，越不易形成水雾和水漂。

2.2 横向渗透特性

2.2.1试验过程

横向渗透试验采用成型且脱模的车辙板试件，对其两侧和上下表面的密封性要求极高，同时要求其水头差不超过9mm。具体步骤如下：

(1)制作成型车辙板试件，要求成型时模具底板和四周不铺筑报纸，保证水流能够横向流动。成型车辙板静置一天后进行脱模，脱模时注意保证试件的完整性。

(2)将试件放入水平凹槽内，左侧为进水口，右侧为出水口。将试件的前后两侧以及上下两侧用油泥密封并盖上玻璃板，使玻璃板紧贴试件的上表面。之后，在盖上的玻璃板四周打上玻璃胶，以保证上表面不漏水。

(3)静置1～2d，待玻璃胶凝固后，打开水龙头并观察是否漏水。如果出现水流从车辙板前后两侧壁或上下表面流出，则需要重新补上油泥或者玻璃胶，再次确认是否会漏水；如果没有漏水，则开始测试横向渗透系数。

(4)打开水龙头并保证恒定的水流，按下秒表的同时用盆接流出的水，通过记录一定时间内透过试件的水量Q，并利用式(3)计算出该排水沥青混合料的横向渗透系数。为了保证试验结果的可比性，相关要求与竖向渗透试验一致。

2.2.2试验结果及数据处理

本文选取3组不同空隙率(18%、20%、22%)的级配并制作车辙板试件，分别测试其横向渗透系数，试验结果如图4所示。

图4 三种不同空隙率的横向渗透系数

从图4可以看出，对于排水沥青混合料，其横向渗透系数随着空隙率的增大而逐渐增大。空隙率为20%的横向渗透系数是空隙率为18%的1.6倍，空隙率为22%的横向渗透系数是空隙率为20%的1.8倍，说明随着空隙率的增大，其增大趋势逐渐明显。

国内外对于排水沥青混合料横向渗透系数的研究较少，且未给出渗透系数的相关要求。但横向渗透系数对雨水的外排速度有很大影响，其值越大，雨水从空隙中排出的速度就越快。

2.3 竖向与横向渗透系数关系

在排水设计中，渗透系数决定了雨水的入渗速度和外排速度。根据试验结果，3种空隙率(18%、20%、22%)的竖向和横向渗透系数之间的关系如图5所示。

图5 竖向与横向渗透系数之间的关系

从图5可以看出，竖向与横向渗透系数之间的线性关系明显。在相同空隙率下，横向渗透系数大于竖向渗透系数。

3 孔结构与渗透系数关系

为研究孔结构与渗透系数之间的关系，本文将张建[4]研究得到的排水沥青混合料竖向截面和横向截面的孔结构参数与横向和竖向渗透系数做对比分析，如表1所示。

表1 孔结构与渗透系数

由表1可知，竖向和横向截面的空隙占有率、等效直径相差不大，未表现出明显的差别，但横向与竖向渗透系数却表现出较大的差别。

在试验中出现横向渗透系数大于竖向渗透系数，其主要原因是由于试验所采用的测试方法存在区别造成，分析如下：测试横向渗透系数采用车辙板试件，其渗流长度较长，水头差较大，且无法真正做到试件完全的密封；测试竖向渗透系数采用马歇尔试件，其渗流长度较短，水头差较小，且测试结果存在较大的不稳定性；这些原因使得竖向渗透系数与横向渗透系数存在差别。相关研究指出，采用大马歇尔试件测试得到的竖向渗透系数[5]与横向渗透系数较为接近。对于排水沥青混合料渗透特性的相关测试，国内外还没有形成较为统一的测试方法，通常由各研究单位根据渗透系数测试的原理自行设计渗透系数测试装置。因此，对于排水沥青混合料的渗透特性还有待进一步研究，以形成统一标准。

4 讨论

当前，国内外在排水沥青混合料竖向渗透系数方面的研究较多，本文总结了利用马歇尔试件测试其竖向渗透系数的试验结果[6]，如图6所示。

由图6可知，排水沥青混合料的竖向渗透系数随着空隙率的增大而增大，且渗透系数均大于0.01cm/s，范围在0.01～0.04cm/s之间。其渗透系数受沥青性质的影响较小，采用不同的高粘沥青，其渗透系数差别不大。不同单位采用马歇尔试件测试排水沥清混合料渗透系数的差别较小，具有一定的稳定性，可作为竖向渗透系数的测试试件。综合以上分析，本文建议福建省排水沥青混合料的竖向渗透系数需大于0.01cm/s。

当前，国内外在排水沥青混合料横向渗透系数方面的研究较少，采用的试件标准和条件也各不相同。经调研发现，国内主要采用车辙板试件[7-9]进行测试，本文也总结了国内关于横向渗透系数的测试结果，如图7所示。

图7 排水沥青混合料横向渗透系数试验结果

分析图7可知，随着空隙率的增大，排水沥青混合料的横向渗透系数也呈增大趋势，范围在0.4～1.7cm/s之间。采用车辙板试件测试的竖向与横向渗透系数有明显差别，这与竖向和横向截面的空隙占有率相差不大相矛盾，分析认为其主要原因是由于采用不同的测试仪器和试件进行试验造成。综合以上分析，本文建议福建省排水沥青混合料横向渗透系数需大于0.01cm/s。

5 结论

本文通过自制的排水沥青混合料渗透系数测试仪分别测试其竖向和横向渗透系数并进行相关的研究分析，得到以下结论：

(1)随着空隙率的增大，排水沥青混合料的竖向渗透系数和横向渗透系数均增大。在相同空隙率条件下，横向渗透系数大于竖向渗透系数。

(2)对于排水沥青混合料竖向渗透试验，由于采用马歇尔试件，存在渗流长度较短、水位差小和不易控制水位差等问题，建议采用大马歇尔试件。

(3)采用马歇尔试件测试的排水沥青混合料竖向渗透系数范围在0.01～0.04cm/s之间，采用车辙板试件测试的横向渗透系数则在0.4～1.7cm/s之间。该测试结果与竖向和横向截面的空隙占有率无明显差别相矛盾，分析认为其主要原因是由于试验时采用不同的测试仪器和试件造成。经综合分析，本文建议福建省排水沥青混合料竖向和横向渗透系数均需大于0.01cm/s。