大空隙沥青混凝土空隙堵塞特性研究

顾盛 陈满军 林莉 王炯月 马翔

摘 要：为研究排水性沥青混凝土在使用过程中的堵塞特性，采用自行开发的大空隙沥青混凝土渗透系数测试装置，研究2种不同堵塞方式对大空隙沥青混凝土渗透系数的影响，并通过CT扫描其内部细观空隙结构。研究表明：渗流方向的渗透系数受堵塞剂影响严重;堵塞剂质量相同时，堵塞物含量小的堵塞剂对大空隙沥青混合料的堵塞更严重;多次堵塞及一次性堵塞的试件，其竖向及横向扫描出的长轴与短轴值均小于基准试件;堵塞过程中空隙率的减小主要是大孔数量及大孔比在减小，在细料堵塞后，大孔逐渐演变为中孔，导致中孔比增加。堵塞物沿着渗流方向在空隙中的滞留导致排水性路面渗透系数减小、排水功能衰减。

关键词：大空隙沥青混合料;CT扫描;堵塞行为;细观空隙结构

中图分类号：TU528.42    文献标识码：A   文章编号：1006-8023（2021）03-0126-05

Abstract：In order to study the clogging characterization of the porous asphalt concrete during the service period， the influence of two different plugging methods on the permeability coefficient of largevoid asphalt concrete was studied by using the selfdeveloped largevoid asphalt concrete permeability coefficient test device， and CT scanning was used to study the mesoscopic void structure of the plugged specimen. The results showed that the plugging agent mainly affected the permeability coefficient of the seepage direction. When the quality of the plugging agent was the same， the plugging agent with small plugging material content would be more serious to the large void asphalt mixture. For the specimens with multiple blockages and onetime blockage， the long axis and short axis values scanned vertically and horizontally were smaller than the reference specimen. The decrease of the void ratio during the blockage process was mainly due to the decrease in the number of large voids and the large void ratio. After the clogging of the fine material was added， the large void gradually evolved into medium void， resulting in an increase in the medium void ratio. The retention of the clogs in the void along the seepage direction lead to the decrease of the permeability coefficient and the attenuation of drainage function of the drainage pavement.

Keywords：Large void asphalt mixture; CT scanning; clogging behavior; mesoscopic void structure

0 引言

大空隙沥青混凝土的空隙率一般为18%～25%，由于其大空隙特性使其路面具有良好的表面功能，尤其是雨天减低路面积水，提高行车的安全性[1-2]。在实际使用过程中，随着空隙率受堵塞而衰减，大空隙沥青混凝土各向滲透行为均有不同程度的衰减[3]。马翔等[4]研究成果表明，降雨过程中悬浮颗粒的沉淀是排水路面空隙堵塞的主要原因，深截面堵塞比浅截面堵塞严重，沿着水流方向，越往外，空隙堵塞越严重。Deo等[5]认为细土、砂石及碎的有机材料是大空隙路面的主要堵塞物质。Chopra等[6]研究表明，透水路面的堵塞物以0.075 mm以下沙子含量最大。国内一些学者[7-9]在设计堵塞试验的基础上，通过大空隙沥青混凝土渗透特性的变化研究其堵塞特性，对其内部堵塞行为缺乏深入研究，CT扫描技术已经广泛应用于沥青混凝土内部结构的研究[10-15]，Gong等[16]就基于CT扫描技术从微观角度对冻融循环下沥青混合料孔隙形状及变化特征进行了研究。

本研究采用自制的渗水仪测试2种不同浓度堵塞物对大空隙沥青混合料渗透系数影响，利用工业CT扫描其内部细观空隙结构后采用图像处理技术进行分析，基于分析结果研究大空隙沥青混凝土的堵塞行为。

1 堵塞试验

本研究对大空隙沥青混合料PAC-13开展试验，其组成原材料包括：高黏沥青、玄武岩集料、石灰岩矿粉，试验之前对各种原材料的性质进行评价，均满足技术规范要求。为减小级配组成的差异对试验结果的影响，配料时按照单一粒径逐一抓配[17]。按照规范要求[18]，改变2.36 mm筛孔的通过率，初选3种进行对比分析，在此基础上确定最优级配作为本研究最终选用级配，此成型大空隙沥青混凝土为基准试件，此基准试件记为试件Ⅰ。

堵塞剂的配比基于已有研究成果[19]，级配组成见表1，模拟分析不同堵塞情况对大空隙沥青混合料渗透系数的影响，利用自制渗水仪器对堵塞后试件的竖向及横向渗透系数进行测试分析，具体渗透系数测试方法参照笔者前期研究成果[20]。

堵塞材料采用砂土和黏土的混配，0.075 mm以下的颗粒为黏土，0.075 mm以上的颗粒为砂石。实际路面堵塞时存在多次堵塞和污染物浓度的问题，研究过程中考虑了2种堵塞方式对大空隙沥青混合料渗透特性的影响，1种是在250 mL水中加入10 g堵塞料作为1份堵塞剂，堵塞试验时将4份此类材料由试件顶面灌入大空隙沥青混凝土，该试件记作Ⅱ;另1种在250 mL水中加入40 g堵塞料作为1份堵塞剂，堵塞试验时将1份此类材料由试件顶面灌入大空隙沥青混凝土，该试件记作Ⅲ。2种堵塞试验方式灌入大空隙沥青混凝土中的堵塞料相等，均为40 g。堵塞试验后2种试件表面如图1所示。

2 堵塞对渗透系数影响

在已有研究成果的基础上[21]，利用自制渗水仪器测试经过堵塞试验后的大空隙沥青混合料试件的体积参数及渗透系数，为了满足达西定律，试验时水头差控制在4.5 mm以内，渗透试验测试结果见表2。

从表2中的数据结果可以看出：

（1）堵塞后竖向渗透系数显著减小，而横向渗透系数变化不明显，由此可见，堵塞试验中堵塞剂主要降低渗流方向的渗透系数。

（2）在固体颗粒质量相同时，固体颗粒浓度小的堵塞剂对渗透系数的影响更显著，试件Ⅱ的竖向渗透系数比试件Ⅲ降低严重。

3 空隙堵塞特征研究

3.1 CT图像处理

X-ray CT扫描可在无损状态下，对检测物体进行多方向的扫描，采集X射线在被检物体中的衰减信息，将扫描断面用灰度图像展现。本研究对前述渗水试验后的15 cm立方体大空隙沥青混凝土试件进行钻芯取样，基于扫描精度的需要，在试件中心取出4.5 cm×5 cm圆柱体试件进行CT扫描试验。分别从TOP、RIGHT 2个方向进行扫描，以分别获取试件竖向、横向的图像。

将扫描获取的图像导出，并保存为256级灰度图像，灰度图像如图2（a）所示。采用Image Pro-Plus（IPP）软件对图像进行处理，处理过程中首先对图像进行二值化处理，结果如图2（b）所示，图中黑色部分代表空隙，白色部分代表集料和胶浆。

3.2 空隙细观结构分析

3.2.1 空隙率空间分布

基准试件与经过堵塞试验后试件空隙率的空间分布如图3所示，沿试件高度方向为竖向扫描，扫描图片按间距1 mm选取，沿圆柱体直径方向为横向扫描，横向扫描图片为长度不等的矩形，靠近端部的图片长度很小，导致空隙率误差较大，因此，分析横向图片时选择中部的32张图像进行分析。

图3为3种状况下横向、竖向的空隙率分布图。竖向扫描结果显示，分4次灌入堵塞物的试件Ⅲ上部和下部的空隙率分布曲线明显均较未堵塞试件的曲线靠左，说明在此范围内堵塞严重;1次性灌入堵塞物的试件Ⅲ在上部空隙率更小，堵塞严重，其余深度处空隙率在20%左右波动，堵塞不显著。由此可见，堵塞剂中固体物质浓度高主要是堵塞大空

隙沥青混凝土浅处的空隙，而浓度低时可堵塞更深处的空隙。

横向扫描结果显示，10 mm附近未堵塞试件空隙率偏差较大，局部空隙率小于15%，这是由于试件中空隙的不均匀所致。总体而言，堵塞后的试件较未堵塞试件空隙率偏左，其中分4次堵塞试件空隙率偏左更严重，由此可见堵塞后试件横向扫描图片的空隙率也减小，分4次堵塞后空隙率减小更显著。

3.2.2 空隙形态特征

空隙形态分析是其细观分析中不可或缺的一部分，可反映堵塞行为对空隙结构的稳定性和变化趋势的影响。本研究基于图像处理技术获得的空隙，根据典型的特征参数分析了堵塞试验后混合料试件与基准试件的空隙形态，本研究采用的特征参数包括平均等效直径、长轴和短轴等，各参数统计结果见表3。

从表3的数据对比可看出，堵塞试验后空隙的平均等效直径增大，无论是分4次堵塞后还是1次性堵塞后的试件，其竖向及横向扫描出的长轴与短轴值均小于基准试件，且1次性堵塞后试件的长轴与短轴值最小，1次性堵塞对试件内部空隙形态分布影响更大，说明堵塞物浓度越大，对混合料的空隙形态影响更大，2种不同堵塞方式下试件的长短轴之比均小于基准试件。

3.2.3 空隙分布特征

為了研究堵塞行为对空隙大小、数量特征的影响，定义空隙等效直径在0～1 mm范围内的空隙称为小孔，≥1～5 mm的空隙称为中孔，>5 mm的空隙称为大孔，统计分析了各类孔的分布规律，各参数分析结果见表4。

从表4可以看出，2种堵塞试验后，试件内部的总孔数均下降，主要是大孔数量的减少，大孔数量的减少导致大孔比例的减小;堵塞后2试件的中孔比显著增大，1次堵塞试件的空隙变化幅度更明显;与基准试件相比，分4次堵塞后试件的小孔占比减小，1次性堵塞后试件的小孔占比增大。说明堵塞过程中空隙率的减小主要是大孔数量及大孔占比在减小，由于细料的堵塞，大孔将会成为中孔或小孔，一个大孔可能变为多个中孔，导致中孔占比增加，小孔影响因素多，变化复杂，没有固定的规律，多次堵塞时小孔占比减小，1次性堵塞浓度较高时小孔占比增大。

4 结语

（1）堵塞剂主要影响渗流方向的渗透系数，固体颗粒在空隙中的残留导致堵塞试验后大空隙沥青混凝土竖向渗透系数显著减小。

（2）固体颗粒质量相同时，浓度高的堵塞剂主要残留在大空隙沥青混凝土的上部，而浓度低的堵塞剂可堵塞更深处的空隙，导致渗透系数降低更显著。

（3）堵塞试验后的大空隙沥青混凝土内部空隙的长轴、短轴以及长短轴之比均减小，堵塞物浓度越大，对其空隙形态参数影响越大。

（4）堵塞过程中大空隙沥青混凝土空隙率的减小主要是大孔数量及大孔占比在减小，而大孔演变为中孔，导致中孔占比增加。

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