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排水瀝青混合料堵塞模擬試驗與滲水性能研究

2019-07-23 07:06麗,姚剛,張
筑路機械與施工機械化 2019年6期
關鍵詞:堵塞物空隙車轍

劉 麗,姚 剛,張 娟

(1.西安建筑科技大學 土木工程學院,陜西 西安 710055;2.陜西省巖土與地下空間工程重點試驗室,陜西 西安 710055;3.西安公路研究院,陜西 西安 710065)

0 引 言

排水性瀝青路面是將大空隙瀝青混合料用于路面上面層,具有優(yōu)良的排水性能,能夠有效減少雨天路表水膜的形成以及水濺、水霧、夜間眩光等現(xiàn)象的產(chǎn)生,提高行車安全性[1-5]。但在運營期,排水路面的排水功能逐步衰減,主要原因是路面空隙被粉塵顆粒堵塞,導致路面連通空隙率下降[6-10]。

黃慧光[11]通過室內(nèi)性能試驗,研究了空隙率對排水瀝青混合料力學性能及透水性能的影響。田黎民等[12]根據(jù)排水要求、疲勞壽命、空隙率隨時間衰減的規(guī)律,提出排水性瀝青路面排水層最佳空隙率為22%,連通空隙率不小于14%。陳俊等[13]通過自行研發(fā)的滲水儀,結(jié)合CT掃描和圖像處理方法,研究了多孔瀝青混合料滲水性能的方向差異特性及其受連通空隙結(jié)構(gòu)的影響。肖鑫等[14]采用CT掃描技術對排水瀝青混合料連通空隙特征進行了相關研究。周韡等[15]通過粉塵堵塞模擬試驗,研究了多孔瀝青路面滲水性能的衰變規(guī)律。Yong等[16]通過室內(nèi)模擬多孔瀝青混合料空隙結(jié)構(gòu)的堵塞過程,得出堵塞主要發(fā)生在混合料表面,含顆粒流體在灌入之前若加入干燥過程,堵塞時間將大大增加。王宏暢等[17]通過自制常水頭滲透測試裝置研究了大空隙瀝青路面的排水堵塞行為。

綜上可知,目前對于排水瀝青混合料的滲水性能、空隙結(jié)構(gòu)及堵塞等方面有了一定研究,但對排水瀝青混合料在運營期受堵塞過程中連通空隙率與滲水系數(shù)變化規(guī)律的研究較少。本文于室內(nèi)成型具有不同初始連通空隙率的車轍板模擬空隙堵塞,分析堵塞期間連通空隙率與滲水系數(shù)的變化規(guī)律,以期通過滲水系數(shù)的檢測確定運營期路面連通空隙率的變化情況,為排水性瀝青路面的推廣與應用提供參考。

1 原材料

1.1 排水瀝青混合料

排水性瀝青混合料集料采用閃長片麻巖集料和石灰?guī)r礦粉;瀝青采用殼牌90#基質(zhì)瀝青,并用TAFPACK-Super(簡稱 TPS)改性劑對其進行改性,TPS摻量為12%(瀝青與TPS的質(zhì)量比為88∶12)?;旌狭霞壟洳捎肙GFC-13,其合成級配和油石比如表1所示。

表1 排水性瀝青混合料OGFC-13配合比

1.2 堵塞物

本文選用環(huán)氧樹脂作為排水性瀝青混合料的堵塞物,通過稀釋后的環(huán)氧樹脂在試件內(nèi)部固化來達到堵塞效果。堵塞物的配制材料主要有環(huán)氧樹脂、稀釋劑、固化劑和促進劑,為了使堵塞物在瀝青混合料空隙中具有很好的流動性,經(jīng)過多次試驗,確定環(huán)氧樹脂、稀釋劑、固化劑、促進劑的摻配比例為2∶0.5∶1∶0.1。

2 試驗方法

2.1 連通空隙率的測定

大空隙瀝青混合料連通空隙率的測定主要采用水中重法,但該方法主要適用于直徑10cm左右的圓柱體試件,對于大體積、大質(zhì)量的車轍板試件是否適用還不能確定[18-20]。從連通空隙率計算公式來看,影響連通空隙率大小的因素主要是試件的體積、干重及水中質(zhì)量,而車轍板試件與圓柱體試件相比,只是體積、干重及水中質(zhì)量等指標相對增大了,其他因素均沒有變化。現(xiàn)從理論與試驗兩方面論證水中重法對車轍板試件的可行性。

假定2個相同的圓柱體試件,每個試件的體積為V,干重為ma,水中質(zhì)量為mw,水的密度為ρw,則每個試件的連通空隙率

若2個圓柱體試件同時測量,則總體積V′=2V,總干重m′a=2ma,總水中質(zhì)量m′w=2mw。

故總連通空隙率

這與假定結(jié)果吻合,故按照理論分析,水中重法應同樣適合于測量大體積、大質(zhì)量試件的連通空隙率。

為從試驗角度論證水中重法對大體積、大質(zhì)量試件連通空隙率測定的適用性,本研究成型了2塊車轍板,先采用水中重法測量每整塊車轍板的連通空隙率ne,然后按體積大小將整塊車轍板平均切割成4塊,待風干至恒重后,采用水中重法測量每小塊車轍板的連通空隙率nek,測試結(jié)果如表2所示。

表2 切割前后車轍板連通空隙率測定結(jié)果

若切割均勻,切割后每小塊車轍板的連通空隙率

式中:k=1、2、3、4,代表切割后的4塊試件,且V1=V2=V3=V4=V/4。

則4塊小車轍板連通空隙率之和為

根據(jù)式(4)的推導過程,均勻切割后的4塊小車轍板連通空隙率均值應等于整塊車轍板連通空隙率。觀察表2的試驗結(jié)果,發(fā)現(xiàn)所測得的整塊車轍板連通空隙率與4塊小車轍板連通空隙率的均值雖然不是完全符合,但相差不大。造成這種現(xiàn)象的原因是:一方面,實際切割中很難控制好按體積大小平均切割;另一方面是由于試驗過程難免存在誤差。所以從試驗數(shù)據(jù)來看,水中重法同樣適合測量大體積、大質(zhì)量車轍板試件的連通空隙率。

2.2 試驗步驟

為了盡可能準確地模擬排水瀝青混合料的內(nèi)部堵塞過程,并獲得堵塞過程中連通空隙率與滲水系數(shù)之間的相關關系,設計試驗步驟如下。

(1)成型目標空隙率分別為19%、21%和23%的3塊車轍板試件,用體積法實測試件的空隙率,用水中重法實測試件的連通空隙率。

(2)用滲水儀測定試件的滲水系數(shù)。為防止密〗封材料殘留在車轍板表面對后續(xù)試驗造成影響,選用橡皮泥作為密封材料,少部分留在試件表面的橡皮泥用毛刷刷凈。另外,當密封處周圍有水滲出時,應判斷水是因試件內(nèi)部飽水從橫向連通空隙滲出,還是從密封處滲出,并根據(jù)情況確定是否需要重測。

(3)將車轍板試件放置室外通風處,自然風干至質(zhì)量不再變化為止,確保后續(xù)試驗不受車轍板內(nèi)部水分的影響。

(4)按比例配制環(huán)氧樹脂堵塞物。每次在車轍板表面均勻涂刷60g堵塞物,為確保堵塞物在車轍板表面分布均勻,可將車轍板分4幅涂刷,每幅涂15g。涂刷結(jié)束后立即稱取車轍板試件質(zhì)量m1。

(5)靜置車轍板2h以上,待稀釋后的環(huán)氧樹脂在車轍板內(nèi)部完全固化以后,再次稱取質(zhì)量m2,則車轍板的干重增量為60-(m1-m2)。

(6)測定試件的水中質(zhì)量及滲水系數(shù)。

(7)重復步驟(2)~(5),直到車轍板的連通空隙率不發(fā)生明顯變化為止。

3 試驗結(jié)果與分析

對3種不同目標空隙率的車轍板試件進行模擬堵塞試驗,并測得每次堵塞后試件的連通空隙率與滲水系數(shù),試驗結(jié)果如表3所示,連通空隙率與滲水系數(shù)之間的變化規(guī)律如圖1所示。

表3 連通空隙率與滲水系數(shù)測試結(jié)果

從圖1可以看出,在模擬堵塞過程中,隨著連通空隙率的降低,滲水系數(shù)急劇下降,且堵塞后期比堵塞前期滲水系數(shù)下降更為明顯。這說明,隨著堵塞物的增加,試件的連通空隙率逐漸下降,堵塞越來越嚴重,滲水系數(shù)下降越來越明顯,排水能力減弱。

同時,從圖1可以看出,在堵塞前期,連通空隙率與滲水系數(shù)之間存在較好的相關性。將堵塞前期各試件連通空隙率與滲水系數(shù)進行線性擬合,發(fā)現(xiàn)二者之間具有很好的線性關系,且相關系數(shù)可達0.97以上,擬合曲線如圖2所示。在堵塞后期,連通空隙率與滲水系數(shù)之間沒有線性關系,且滲水系數(shù)衰減速度較連通空隙率下降速度更快、更明顯。究其原因,可能是因為:在堵塞前期,稀釋后具有一定流動性的環(huán)氧樹脂慢慢沿著混合料的連通空隙進入了混合料內(nèi)部,固化后將內(nèi)部空隙堵塞,該堵塞模式引起的滲透性衰減較弱,水的入滲性較好,因而隨著堵塞物的增加,連通空隙率與滲水系數(shù)的下降速度較緩慢,且呈現(xiàn)出一定的線性關系;而在堵塞后期,隨著堵塞物的進一步增多,堵塞物在混合料內(nèi)部的豎向連通通道不斷被堵,內(nèi)部連通空隙尺寸變小,堵塞物在流動過程中受到的阻力越來越大,導致后來的堵塞物無法進入混合料內(nèi)部空隙,逐漸向上累積,最終在試件表面形成餅狀堵塞。該堵塞模式下水的入滲量較少,透水性能較差,但混合料內(nèi)部的橫向連通空隙卻有較多剩余,只是表面一層連通空隙率下降較多,因此導致總體連通空隙率下降不大、滲水系數(shù)卻下降較快的現(xiàn)象,這也就是滲水系數(shù)衰減速度較連通空隙率下降速度更快、更明顯的原因。

圖1 堵塞全過程連通空隙率與滲水系數(shù)的關系

圖2 堵塞前期連通空隙率與滲水系數(shù)之間的線性關系

對依托工程西安咸陽機場專用高速公路進行現(xiàn)場取芯,共鉆取芯樣6個,三、四車道和應急車道各2個,測定芯樣排水面層混合料的連通空隙率,并在取芯之前采用滲水儀對取芯點處的路面滲水系數(shù)進行測定,試驗結(jié)果見表4、圖3。

從圖3實際路面滲水系數(shù)與連通空隙率檢測結(jié)果可以看出,當連通空隙率下降至12%左右后,滲

表4 路面滲水系數(shù)與連通空隙率測試結(jié)果

圖3 實際工程路面滲水系數(shù)與連通空隙率測試結(jié)果

式中:Cw0為堵塞前試件的初始滲水系數(shù)(mL·(15s)-1);C′w為每次堵塞后試件的滲水系數(shù)(mL·(15s)-1);γm為滲水系數(shù)殘留率(%)。

采用滲水系數(shù)殘留率的衰減速度來評價堵塞過程中混合料的抗堵塞能力。涂刷相同質(zhì)量的堵塞物,滲水系數(shù)殘留率的下降值越大,表明堵塞物對混合料的透水性能影響越大,即混合料的抗堵塞能力越差;反之,滲水系數(shù)殘留率下降值越小,混合料的抗堵塞能力越好。

本試驗所獲得的3種不同目標空隙率的排水瀝青混合料滲水系數(shù)殘留率與堵塞物質(zhì)量的相關關系如圖4所示。

從圖4可以看出,每次涂刷60g堵塞物后,試件1滲水系數(shù)殘留率下降值依次為11%、15%、21%,試件2滲水系數(shù)殘留率下降值依次為7%、11%、16%、22%,試件3滲水系數(shù)殘留率下降值依次為9%、10%、14%、18%。由此可見,隨著堵塞物質(zhì)量的增加,排水瀝青混合料滲水系數(shù)殘留率的衰水系數(shù)的衰減速度較連通空隙率的衰減速度明顯更快,與圖1室內(nèi)獲得的滲水系數(shù)與連通空隙率變化規(guī)律基本類似。

將每次堵塞后試件的滲水系數(shù)與堵塞前初始滲水系數(shù)的比值定義為滲水系數(shù)殘留率,用以表示排水瀝青混合料滲水系數(shù)的衰減程度,即減速度越來越快,越來越容易形成堵塞,抗堵塞能力越來越差。

圖4 滲水系數(shù)殘留率與堵塞物質(zhì)量之間的關系

4 結(jié) 語

(1)采用稀釋后的環(huán)氧樹脂模擬排水瀝青混合料的堵塞物質(zhì),能達到很好的堵塞效果,且能夠模擬實際路面堵塞模式;采用水中重法測定車轍板試件的連通空隙率是可行的。

(2)排水瀝青混合料在前期內(nèi)部空隙堵塞階段,滲水系數(shù)與連通空隙率之間具有很好的線性關系,在后期表面餅狀堵塞階段,滲水系數(shù)與連通空隙沒有明顯相關性,且混合料滲水系數(shù)衰減速度較連通空隙率下降速度更快、更明顯。

(3)滲水系數(shù)殘留率能夠很好地評價堵塞過程中排水瀝青混合料的抗堵塞能力,隨著堵塞物的增加,排水瀝青混合料的滲水系數(shù)殘留率衰減速度越來越快,抗堵塞能力越來越差。

(4)排水瀝青混合料初始連通空隙率越小,越容易形成表面餅狀堵塞,滲水性能衰減越快,抗堵塞能力越差。

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