王宏暢　葛　輝　周明剛

(1南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京　210037)(2京都大學(xué)大學(xué)院工學(xué)研究科，日本京都　615-8540)

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基于常水頭滲透試驗的PAC排水和抗堵塞能力

王宏暢1，2葛輝1周明剛1

(1南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210037)
(2京都大學(xué)大學(xué)院工學(xué)研究科，日本京都615-8540)

摘要:為研究多空隙瀝青路面的排水堵塞行為特性，通過自制常水頭滲透測試裝置，模擬多空隙瀝青混合料(PAC)的循環(huán)堵塞試驗，選用具有一定級配的細集料作為堵塞劑，測試其滲透系數(shù)．研究空隙率、最大公稱粒徑、級配類型等變化對PAC的排水及抗堵塞能力的影響規(guī)律．結(jié)果表明: PAC空隙率越大，其排水能力越強，抗堵塞的能力也越強; PAC的最大粒徑變化對其排水能力沒有明顯的影響，但最大公稱粒徑較大的PAC試件抗堵塞的效果更好;與細型級配相比，粗型級配PAC的排水及抗堵塞能力更強;多孔瀝青混合料PAC-13發(fā)生堵塞的位置集中在試件最上部的40 mm內(nèi)，粒徑為0．15～2．36 mm的顆粒則是造成混合料空隙堵塞的關(guān)鍵．

關(guān)鍵詞:道路工程;多空隙瀝青混合料;空隙率;最大粒徑;滲透系數(shù);堵塞試驗

引用本文:王宏暢，葛輝，周明剛．基于常水頭滲透試驗的PAC排水和抗堵塞能力［J］．東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，46(1) : 209－214．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．034．

多空隙瀝青路面具有抗滑性能高、噪聲低、抑制雨天行車水霧、防止高速行車“水漂”、減輕夜晚行車眩光等技術(shù)特點，可以實現(xiàn)增進道路安全性、提高雨天行車舒適性、減少交通噪聲等三大路面服務(wù)性能優(yōu)勢，在歐、美、日等國得到了廣泛應(yīng)用，但多空隙瀝青路面在長期的使用過程中碎石、土粒、灰塵及輪胎磨耗物的堵塞會導(dǎo)致路面服務(wù)性能衰減．國內(nèi)外學(xué)者針對多空隙瀝青路面排水及堵塞進行了相關(guān)研究，裴建中等［1］、汪海年等［2］研究了PAC的內(nèi)部空隙信息;文獻［3－5］主要研究了PAC的滲透性能并測試推導(dǎo)了入滲模型．Hamzah［6］研究了單層和雙層PAC的抗堵塞性能;文獻［7］研究了堵塞料用量對PAC的抗堵塞性能的影響．Fwa等［8］認為瀝青混合料的級配越均勻，則堵塞物質(zhì)會越容易滯留在混合料內(nèi)，導(dǎo)致其越容易被堵塞．Jansen等［9］認為多空隙瀝青路面堵塞原因是因為層底形成了由灰塵、砂、輪胎的橡膠、油等組成的濕污泥．Deo等［10］觀察記錄了路面主要的堵塞物質(zhì)為細土、砂石顆粒和碎有機材料．Chopra等［11］觀察了使用期中的透水混凝土空隙間堵塞物質(zhì)的粒徑分布，發(fā)現(xiàn)平均43%的堵塞物質(zhì)能透過0．075 mm孔徑篩，是和黏土一樣細的沙子．對于多空隙瀝青混合料的排水堵塞性能的評價應(yīng)包括多空隙瀝青混合料的初始排水能力和多空隙瀝青混合料的抗堵塞能力2個階段．從相關(guān)研究可以看出，PAC排水能力和抗堵塞能力的研究還不系統(tǒng)完整，結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料參數(shù)等對混合料排水堵塞性能的影響還不清楚，易堵塞物質(zhì)的粒徑分布并不明確．

因此，本文選用適當(dāng)?shù)亩氯麆槍Σ煌障堵屎妥畲蠊Q粒徑的PAC試件，基于常水頭滲透裝置進行多周期排水堵塞試驗．通過測試滲透系數(shù)，計算殘余滲透能力，系統(tǒng)研究空隙率、最大公稱粒徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對PAC排水能力和抗堵塞能力的影響規(guī)律．

1　試驗方法

1．1常水頭滲透試驗

本文進行的常水頭滲透試驗的大馬歇爾不脫模滲透儀［4－5］如圖1所示．

滲透系數(shù)k的計算公式如下:

式中，Q為t時間段內(nèi)滲透經(jīng)過試件的水質(zhì)量，g;ρw為水的密度，g/cm3; L為試件的有效長度，cm; A為試件的橫截面面積，cm2; h1，h2為兩測壓管的水位高度讀數(shù)，cm; i為水力梯度; h1－h(huán)2為水頭差，cm．

1．2循環(huán)堵塞試驗

循環(huán)堵塞試驗設(shè)計目的是通過測試堵塞過程中試件的滲透系數(shù)，評價多空隙瀝青混合料的抗堵塞性能．多空隙瀝青混合料堵塞試驗具體的步驟如下:

①采用常水頭滲透試驗測試試件的初始滲透系數(shù)k(0)．

②打開滲透裝置，取出試件，在試件表面均勻撒布堵塞細料5 g．

③搖振試件30 s，同時向試件表面均勻注水250 mL．

④再次測定滲透系數(shù)，計算殘余滲透能力．

⑤重復(fù)步驟②～④，直至滲透系數(shù)低于某一數(shù)值．參考文獻［12］，當(dāng)滲透系數(shù)小于0．03 cm /s時，認為該試件已被堵住而喪失透水能力，不再進行堵塞試驗．

圖1　滲透裝置示意圖

評價多空隙瀝青混合料的n次堵塞后殘余滲透能力計算式為

式中，γ(n)為n次堵塞后試件的殘余滲透能力，%; k(n)為n次堵塞后試件的滲透系數(shù)，cm /s．

在相同的堵塞細料以及n次堵塞后，再次測定試件的滲透系數(shù)．再次測定的滲透系數(shù)越大，表明試件受堵塞的影響越小，則該試件抗堵塞能力越強;相反，再次測定的滲透系數(shù)越小，則試件的抗堵塞的能力越差．

1．3試件制備

本文選擇檢驗合格的玄武巖粗、細集料和石灰?guī)r礦粉，設(shè)計5種不同配合比和不同級配類型的PAC(見表1)．試件相應(yīng)的空隙率和集料最大粒徑等參數(shù)見表2．

2　PAC的排水性能

2．1空隙率的影響

空隙率的大小直接影響多孔介質(zhì)的滲透性能，通過常水頭滲透試驗發(fā)現(xiàn)，空隙率與多空隙瀝青混合料的滲透系數(shù)具有很好的相關(guān)性，不同多空隙瀝青混合料的空隙率和滲透系數(shù)的關(guān)系如圖2所示．隨著空隙率的增大，滲透系數(shù)也增大．從2組以空隙率為變化梯度的試驗組來看，滲透系數(shù)與空隙率的相關(guān)性極高．滲透系數(shù)和空隙率的線性回歸公式為

表1　不同級配瀝青混合料篩孔質(zhì)量通過百分率

表2　試件空隙率和集料最大粒徑

式中，Va為混合料的空隙率，%; R為相關(guān)系數(shù)．

圖2　PAC滲透系數(shù)和空隙率一階回歸曲線

2．2級配和最大公稱粒徑的影響

圖3為最大公稱粒徑不同、空隙率相近的試件滲透系數(shù)比較．圖中，PAC-13，PAC-16分別為最大公稱粒徑13，16 mm的多空隙瀝青混合料．由圖中7#和5#試件與4#和2#試件相比發(fā)現(xiàn)，在空隙率相近的情況下，PAC-16試件的滲透系數(shù)要高于PAC-13．雖然最大公稱粒徑為13的6#和9#試件的滲透系數(shù)高于最大公稱粒徑為16的8#和3#試件，但是6#和9#試件的空隙率大于8#和3#試件．由于空隙率對PAC試件透水能力有明顯的影響，其相應(yīng)試件的透水能力可能也受到空隙率的影響．因此最大公稱粒徑對多空隙瀝青混合料滲透系數(shù)的影響要比空隙率的影響小．在空隙率相同的情況下，提升最大公稱粒徑，總體上對PAC的初始排水性能有一定提高，但提高程度有限．

圖3　不同最大公稱粒徑的PAC滲透系數(shù)

3　PAC的抗堵塞性能影響因素

3．1空隙率的影響

撒布堵塞細料的次數(shù)與空隙率之間的關(guān)系見圖4．由圖可知，隨著空隙率的增加，撒布堵塞細料使試件滲透系數(shù)小于0．03 cm /s的次數(shù)也相應(yīng)增多．空隙率約16%的試件撒布堵塞細料3次(堵塞細料15 g)即會被堵塞，而空隙率約21%的試件撒布堵塞細料5次(堵塞細料25 g)才會被堵塞．多空隙瀝青混合料的抗堵塞性能隨著空隙率的增大而增大．隨著空隙率的變化可以看出，每一次加載堵塞細料，空隙率大的多空隙瀝青混合料試件的殘留滲透能力就越大．這說明空隙率越高，抗堵塞性能也就越強．第3次撒布堵塞細料后，空隙率18%以上的試件的滲透系數(shù)均大于0．03 cm /s，當(dāng)空隙率從16%增加至23%，3次堵塞試驗后，試件平均殘余滲透能力也從24%增加至65%．

圖4　PAC空隙率、堵塞次數(shù)及滲透系數(shù)之間的關(guān)系

3．2級配和最大公稱粒徑的影響

選用粗、細級配PAC-13(表1中的級配V和級配Ⅰ)進行了排水堵塞的比較試驗．由圖5可以看出，每次加載堵塞細料，粗級配混合料的殘余滲透能力要大于細級配混合料的殘余滲透能力．這說明相同空隙率條件下，粗級配的多空隙瀝青混合料的抗堵塞能力要強于細級配的混合料．

圖5　粗、細級配PAC-13滲透系數(shù)和殘余滲透能力

圖6　PAC-13，PAC-16滲透系數(shù)和殘余滲透能力(空隙率為21%)

圖7　PAC-13，PAC-16滲透系數(shù)和殘余滲透能力(空隙率為16%)

由圖6和圖7可以看出，在空隙率相近、堵塞次數(shù)相同時，試件的最大公稱粒徑越大，抗堵塞能力越強．加載堵塞細料至試件滲透系數(shù)小于0．03 cm /s時，最大公稱粒徑為16的試件殘余滲透能力平均要比最大公稱粒徑為13的試件大12%．

3．3混合料的敏感粒徑

通過收集堵塞試驗中濾出試件的顆粒數(shù)量，研究易堵塞混合料的敏感粒徑．一般當(dāng)堵塞粒徑大于4．75 mm時不容易進入多空隙瀝青路面的空隙中［13－14］．本文選擇的機制砂粒徑為2．360～0．075 mm，每級篩孔篩余5 g混合作為堵塞細料，堵塞試驗的試件為PAC-13，空隙率約為21%．堵塞細料級配見表3．

表3　堵塞細料級配

收集堵塞試驗中濾出的堵塞顆粒，并烘干、篩分、稱重各級粒徑篩余質(zhì)量．將試件烘干后，用毛刷收集表面殘留的堵塞細料作為未能進入試件內(nèi)部空隙的堵塞細料，稱各級粒徑的篩余質(zhì)量．用各粒徑總量5 g減去各粒徑濾出的堵塞顆粒和未能進入試件內(nèi)部空隙的堵塞細料質(zhì)量，即可得到各級粒徑殘留在試件內(nèi)部空隙內(nèi)的堵塞細料的質(zhì)量．試驗結(jié)果如圖8所示．

圖8　堵塞細料分布

由圖8可以看出，粒徑小于0．15 mm的堵塞細料大多數(shù)能夠沿著連通空隙在水流作用下流出試件，對多空隙瀝青混合料堵塞的影響程度相對較?。酱笥?．15 mm的堵塞細料極易產(chǎn)生堵塞或根本進入不了混合料的內(nèi)部空隙．其中粒徑范圍在1．18～2．36和0．15～0．30 mm兩處的堵塞細料在PAC-13空隙率約為21%的試件內(nèi)部含量最多．堵塞細料的粒徑越大，留在試件表面部分的就越多，透過試件部分的就越少．過大的堵塞細料顆粒被小孔徑堵住，使其無法進入更深的孔中．由于各級粒徑相互干涉，當(dāng)混合料內(nèi)部孔隙被較大粒徑顆粒堵塞，將會影響較小粒徑顆粒的流出，即試件內(nèi)部仍有38%的0．075～0．150 mm的細料顆粒(甚至22%的0．075～0．150 mm的細料顆粒)沒有進入試件內(nèi)部的原因．因此，0．150～2．360 mm的顆粒是造成混合料空隙堵塞的關(guān)鍵粒徑．此外，從脫模試件側(cè)面觀察發(fā)現(xiàn)發(fā)生堵塞的位置主要集中在試件上部40 mm內(nèi)．

4　結(jié)論

1) PAC初始排水能力和空隙率相關(guān)性很高．PAC的滲透系數(shù)隨著空隙率的增加而線性增大．

2)粗型級配的PAC的排水能力和抗堵塞能力較強．最大公稱粒徑對多孔隙瀝青混合料的初始排水能力影響不大，但增大最大公稱粒徑可以提高混合料的抗堵塞能力．

3) PAC抗堵塞性能隨著空隙率增大而增大．隨著空隙率從16%增加至23%，本文3次堵塞試驗后，PAC平均殘余滲透能力可從24%增加至65%．

4)多孔瀝青混合料PAC-13發(fā)生堵塞的位置集中在試件最上部的40 mm內(nèi)，0．15～2．36 mm的顆粒則是造成混合料空隙堵塞的關(guān)鍵粒徑，粒徑小于0．075 mm的顆粒對空隙堵塞影響較小．

參考文獻(References)

［1］裴建中，張嘉林．排水瀝青路面空隙空間信息獲取方法［J］．長安大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，30(1) : 6－11．Pei Jianzhong，Zhang Jialin．Void spatial information acquisition method of draining asphalt pavement［J］．Journal of Chang’an University (Natural Science Edition)，2010，30(1) : 6－11．(in Chinese)

［2］汪海年，郝培文，呂光?。疄r青混合料內(nèi)部空隙分布特征［J］．交通運輸工程學(xué)報，2009，9(1) : 6－11．Wang Hainian，Hao Peiwen，Lü Guangyin．Distribution properties of internal air voids in asphalt mixtures［J］．Journal of Traffic and Transportation Engineering，2009，9(1) : 6－11．(in Chinese)

［3］諸永寧，陳榮生，倪富健．排水性瀝青路面排水性能評定方法研究［J］．公路交通科技，2004，21(8) : 9－16．DOI: http: / /dx．doi．org/10．3969/j．issn．1002-0268．2004．08．003．Zhu Yongning，Chen Rongsheng，Ni Fujian．Research on evaluation method of drainage performance of the porous asphalt pavement［J］．Journal of Highway and Transportation Research and Development，2004，21 (8) : 9－16．DOI: http: / /dx．doi．org/10．3969/j．issn．1002-0268．2004．08．003．(in Chinese)

［4］張璠，陳榮生，倪富?。潘詾r青路面混合料的滲透性能試驗測試技術(shù)［J］．東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2010，40(6) : 1288－1292．DOI: 10．3969/j．issn．1001-0505．2010．06．030．Zhang Fan，Chen Rongsheng，Ni Fujian．Techniques of permeability testing for porous asphalt pavement mixture ［J］．Journal of Southeast University (Natural Science Edition)，2010，40(6) : 1288－1292．DOI: 10．3969/ j．issn．1001-0505．2010．06．030．(in Chinese)

［5］馬翔，倪富健，王艷，等．排水性瀝青混合料滲透性測試與分析［J］．建筑材料學(xué)報，2009，12(2) : 168－172．DOI: http: / /dx．doi．org/10．3969/j．issn．1007-9629．2009．02．009．Ma Xiang，Ni Fujian，Wang Yan，et al．Test and analysis on permeability of porous asphalt mixture［J］．Journal of Building Materials，2009，12 (2) : 168－172．DOI: http: / /dx．doi．org/10．3969/j．issn．1007-9629．2009．02．009．(in Chinese)

［6］Hamzah M O，Hardiman．Characterization of the clogging behaviour of double layer porous asphalt［J］．Journal of the Eastern Asian Society for Transportation Studies，2005，6: 968－980．DOI: http: / /dx．doi．org/ 10．11175/easts．6．968．

［7］栗原翔真，大川秀雄．ポーラスアスファルトとポーラスコンクリートの空隙詰まりに関する実験的研究［C］/ /第35回土木學(xué)會関東支部技術(shù)研究発表會．東京，日本，2008: v-012．

［8］Fwa T F，Tan S，Guwe Y K．Laboratory evaluation of clogging potential of porous asphalt mixture［J］．Transportation Research Record，1999，1681(1) : 43－49． DOI: http: / /dx．doi．org/10．3141/1681-06．

［9］Jansen R，van de Ven C J．A new method for cleaning and removing porous asphalt［C］/ /European Conference on Porous Asphalt．Madrid，Spain，1997: 697－705．

［10］Deo O，Sumanasooriya M，Neithalath N．Permeability reduction in pervious concretes due to clogging: Experiments and modeling［J］．Journal of Materials in Civil Engineering，2010，22(7) : 741－751．DOI: http: / / dx．doi．org/10．1061/(ASCE ) MT．1943-5533．0000079．

［11］Chopra M，Kakuturu S，Ballock C，et al．Effect of rejuvenation methods on the infiltration rates of pervious concrete pavement［J］．Journal of Hydrologic Engineering，2010，15(6) : 426－433．DOI: http: / /dx．doi．org/10．1061/(ASCE) HE．1943-5584．0000117．

［12］Suresha S N，Varghese G，Shankar A U R．Laboratory and theoretical evaluation of clogging behaviour of porous friction course mixes［J］．International Journal of Pavement Engineering，2010，11(1) : 61－70．DOI: http: / /dx．doi．org/10．1080/10298430902730554．

［13］蔣瑋，沙愛民，肖晶晶，等．多孔瀝青混合料的空隙堵塞試驗研究［J］．建筑材料學(xué)報，2013，16(2) : 271－275．DOI: http: / /dx．doi．org/10．3969/j．issn．1007-9629．2013．02．016．Jiang Wei，Sha Aimin，Xiao Jingjing，et al．Experimental Study on the clogging of porous asphalt concrete ［J］．Journal of Building Materials，2013，16 (2) : 271－275．DOI: http: / /dx．doi．org/10．3969/j．issn．1007-9629．2013．02．016．(in Chinese)

［14］Masad E，Jandhyala V K，Dasgupta N，et al．Characterization of air void distraction in asphalt mixes using X-ray computed tomography［J］．Journal of Materials in Civil Engineering，2002，14(2) : 122－129．DOI: http: / /dx．doi．org/10．1061/(ASCE ) 0899-1561 (2002) 14: 2(122)．

Drain and anti-clogging ability of porous asphalt concrete based on constant head permeability experiment

Wang Hongchang1，2Ge Hui1Zhou Minggang1
(1School of Civil Engineering，Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China)
(2Graduate School of Engineering，Kyoto University，Kyoto 615-8540，Japan)

Abstract:In order to clarify the drain and clogging behaviors of porous asphalts pavement，permeability coefficients were tested by using asphalt mixture homemade permeability testing device to simulate multi-cycle drainage clogging experiment of porous asphalt concrete (PAC)，and the fine aggregate with certain gradation was chosen as a plugging agent．The influences of asphalt mixture design parameters such as the porosity，the normal maximum sizes of the aggregate，grading on the drain ability and anti-clogging ability of PAC were researched．The experimental results indicate that the porosity has an obvious influence on PAC drain ability and anti-clogging ability．The normal maximum size of the aggregate has an obvious influence on PAC anti-clogging ability，but no obvious influence on the drain ability．PAC with the coarser graduation has a better performance on drain ability and anti-clogging ability．Asphalt type changes a little on PAC ability of drain and anti-clogging ability．The location of blocking occurred is concentrated on the top 40 mm of PAC-13 specimen，fine particles with sizes of about 0．15 to 2．36 mm are the key particle size causing the clogging in the PAC-13 specimen．

Key words:road engineering; porous asphalts concrete; porosity; maximum size of aggregate; permeability coefficient;clogging test

基金項目:江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目、江蘇省高校優(yōu)秀中青年教師和校長境外研修計劃資助項目、江蘇省自然科學(xué)基金資助項目(BK2010568)、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技研究計劃資助項目(2011-K5-17)．

收稿日期:2015-07-23．

作者簡介:王宏暢(1975—)，男，博士，副教授，seuwhc@126．com．

DOI:10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．034

中圖分類號:U416．217

文獻標志碼:A

文章編號:1001－0505(2016) 01-0209-06