排水沥青路面空隙堵塞试验研究

周 韡， 黄晓明， 李英涛

（1.江苏高速公路工程养护技术有限公司, 江苏 南京 211106； 2.东南大学交通学院, 江苏 南京 211189）

引 言

排水沥青路面采用18%～25%空隙率、骨架-空隙结构的沥青混合料做上面层或上中面层，与普通路面相比，排水路面的空隙结构将水流通道迁移到路面内部。减少了路表水膜的形成和水漂、溅水现象的发生，改善了路面抗滑性能，提高了路面行车的安全性，并具有一定的降噪功能［1-6］。

排水沥青路面空隙结构被堵塞是造成排水性能衰变的重要原因，目前对于排水沥青路面排水性能及其衰变规律国内外也进行了相关研究。蒋甫通过对实体工程的现场长期监测以及室内试验提出排水沥青路面的渗水性能随通车运营时间的增加呈线性降低趋势［7］。Moriyoshi等［8］对排水沥青路面进行了14年的长期观测表明通车后渗透系数逐渐下降，2年后达到稳定的残留渗透系数。

对于排水沥青路面堵塞发生的位置与机理，Brown［9］研究表明颗粒在排水沥青混合料内部堵塞主要是由于筛分作用，堵塞不仅出现在混合料表面，还可能出现在混合料内部。Balades等［10］研究描述了排水沥青路面结构堵塞的过程：首先是粗颗粒堵塞在结构表面；然后较细的颗粒逐渐在由空隙结构与粗颗组成的孔喉处被俘获；最终形成不可渗透的密实结构。James［11］研究表明排水沥青路面堵塞的位置主要出现在上表面几厘米范围内，是排水性能衰变的主要原因。Coleri等［12］通过模拟降雨以及CT成像技术研究表明，堵塞主要出现在混合料底部，混合料厚度较小时，其出现堵塞的几率更高。国外研究结论之间存在一定的矛盾，主要是由于不同研究过程中，排水沥青混合料的空隙结构以及模拟雨水的颗粒粒径与颗粒含量有较大的差别。本文根据国内排水沥青路面结构与路面粉尘颗粒情况，通过室内模拟试验，研究排水沥青路面排水性能衰减与空隙堵塞规律，对于制定排水沥青路面养护决策方案以及养护装备的研发具有指导意义。

1 混合料堵塞试验

1.1 粉尘颗粒堵塞

由于自然以及人为原因，粉尘颗粒会逐渐散布在排水沥青路表构造结构中；在降雨条件下，粒径较小的颗粒被水流带动随雨水在空隙结构中流动，有可能被空隙结构中的某些部位俘获而沉积下来；由于水流情况的变化，某些被俘获的粉尘颗粒也可能被重新释放到水流中，最终流出排水沥青路面，或在其他位置被俘获。

排水材料被颗粒堵塞主要与空隙结构的分布、颗粒的尺寸、浓度、空隙结构表面与颗粒间的相互作用、颗粒与流体间的相互作用、含颗粒流体在空隙结构中的流动规律等有关。

1.2 试验步骤

为了研究排水沥青路面的空隙堵塞规律，在室内进行排水沥青混合料颗粒堵塞试验。研究表明剖面空隙中孔径小于6 mm的空隙占剖面总空隙数量的80%以上［13］，由于排水沥青路面实际的孔喉结构与堵塞颗粒形状复杂，在排水沥青混合料内部孔喉出堵塞的颗粒粒径应小于孔喉的等效直径，因此选取的堵塞颗粒为粒径小于4.75 mm的集料颗粒。具体的试验步骤为：

（1） 成型14块排水沥青混合料标准马歇尔试件，混合料级配如表1所示，集料为玄武岩，沥青为70#基质沥青添加12%TPS的高粘沥青，分为2组。为了模拟排水沥青路面实际使用情况，将试件的下面层蜡封，保证其下侧不透水。

表1 混合料堵塞试验排水沥青混合料级配

（2） 称取粒径小于4.75 mm的各档烘干集料作为堵塞材料。

（3） 将试件放在支架上并放入大烧杯内，在试件表面分别撒布单档堵塞隔离，使其均匀覆盖在试件表面，适当震荡后，均匀洒水1000 mL，收集流出试件的混合液，放入烘箱中烘干，称量烘干物的质量，待试件表面干燥后，轻轻扫下表面残留的集料，烘干后称量其质量。

（4） 每档粒径的颗粒进行2组平行试验，阻塞在排水沥青混合料空隙内部的颗粒质量百分比通过下式计算：

式中a为堵塞材料质量（g）；b为流出试件的混合液烘干物质量（g）；c为流出试件试件表面残留物烘干质量（g）。

2 渗透性能衰变试验

2.1 Wojtanowicz堵塞机理模型

Wojtanowicz等提出了单相含颗粒流体流动与堵塞机理模型，用于研究颗粒堵塞造成的地层渗透性损害［14］。可以根据试验获得的渗透系数衰变规律基于下列公式确定多孔材料的堵塞成因。

式中k0为初始渗透系数（cm/s）；k为t时刻的渗透系数（cm/s）；t为含颗粒流体流入多孔材料的时间（s）；C1，C2，C3表示不同堵塞机理系数。

2.2 试验步骤

（1） 设计不同空隙率的排水沥青混合料，混合料级配如表2所示；每个设计空隙率采用击实法成型4块标准马歇尔试件，成型后通过体积法实测试件的空隙率，如表3所示。

表2 渗透性能衰变试验排水沥青混合料合成级配

表3 标准马歇尔试件的实测空隙率

（2） 自制渗透系数测量装置，如图1所示。将马歇尔试件用直径为101 mm橡胶模套住，放入内径102 mm的塑料管底部，橡胶模长度大于塑料管高度，长出的橡胶模翻出套住塑料管，保证马歇尔试件的侧向防漏性。水箱中装满水，将封装好的试件放在水箱中支架上。

图1 渗透系数测量装置示意

（3） 研究表明散布在沥青路面表面的颗粒主要为粒径0.25 mm以下的粉尘，路面粉尘颗粒中，小于0.075 mm的比例在50%左右［15-16］。因此选取0.3 mm以下的细集料作为堵塞颗粒，制备含颗粒流体，颗粒含量为500 mg/L，颗粒粒径分别为0.3 mm以下，0.3～0.6 mm， 0.6～1.18 mm， 1.18～2.36 mm，其中0.3 mm以下粉尘颗粒的组成如表4所示。

表4 0.3 mm以下堵塞颗粒粒径级配

（4） 将水注入塑料管内，保证恒定流速Q，塑料管内液面稳定时，测量水箱水面到塑料管内水面的高度，记为H0；排水沥青混合料马歇尔试件的高度与截面积，分别记为L与A，试件的初始渗透系数k0为：

（5）将粒径为0.3 mm以下的含颗粒流体注入塑料管内，同样保证恒定流速Q，注入时间t后，测量水箱水面到塑料管内水面的高度，记为H（t），此时试件的渗透系数k为：

结合式（5）与（6），可以得到：

（6）每20 min记录一次水箱水面到塑料管内水面的高度H（t），绘制k/k0与时间t的关系曲线。

（7）重复以上步骤，完成不同空隙率试件以及不同堵塞颗粒粒径的试验，并绘制曲线。

3 试验数据与分析

3.1 阻塞颗粒分布

通过堵塞试验获得的不同粒径颗粒阻塞在排水沥青混合料内部以及残留在混合料表面的质量百分比如图2所示。

图2 不同粒径颗粒阻塞与表明残留质量百分比

从图中可以看出0.6～1.18 mm和1.18～2.36 mm两档颗粒阻塞质量百分比最大，表明0.6～2.36 mm的颗粒最容易阻塞在排水沥青混合料内部。当颗粒粒径小于0.6 mm时，表面残留颗粒质量与堵塞颗粒质量较小，而滤出液中颗粒质量较大，表明粒径小于0.6 mm的颗粒在水流的带动下容易进入排水沥青混合料内部，但由于颗粒粒径较小，不容易堵塞在空隙结构中，最终从混合料内部流出；而粒径大于2.36 mm的颗粒表面残留质量较大，表明粒径大于2.36 mm的颗粒较难被水流带动或者因为粒径较大无法进入混合料空隙结构中，因此主要残留在混合料表面。

3.2 颗粒堵塞规律

通过渗透性能衰变试验，获得的不同空隙率试件渗透系数残留率随时间变化规律如图3所示，当渗透系数过小时，塑料管内水溢出，因此部分试验时间较短。

图3 渗透系数残留率随时间变化规律

从图中可以看出，含颗粒流体对于排水沥青混合料的堵塞规律按时间基本分为三个阶段：初期较快，中期逐渐放缓，后期稳定。不同空隙率试件在不同粒径的颗粒堵塞条件下的阶段划分如表5所示。

表5 堵塞阶段划分

对比不同空隙率排水沥青混合料渗透系数随时间衰变规律可以看出，空隙率越小，颗粒粒径越大，第一阶段的时间越短，第二阶段与第三阶段时长相差不大。其中第一阶段渗透系数残留率k/k0与注入时间t满足2式，表明颗粒堵塞初期，颗粒在混合料内部孔喉处的堵塞占主导地位。并且第一阶段渗透系数的衰变量占总衰变量的比例明显高于其他两个阶段。但对于不同空隙率的试件以及不同粒径的颗粒，第一阶段由2式拟合获得的反应渗透系数衰变速率的渗透系数衰变斜率C1是不同的，C1越大表明颗粒堵塞效果越明显。拟合获得的第一阶段衰变斜率如图4所示。

图4 渗透系数衰变

从图4中可以看出，对于相同空隙率的排水沥青混合料，不同粒径颗粒的堵塞效果是不同的，粒径越大的颗粒对于混合料的堵塞效果越明显，其中小于0.3 mm粒径的颗粒对于空隙的堵塞效果明显低于粒径0.3 mm以上的颗粒，而其他粒径的颗粒的堵塞效果差距相对较小；对于相同粒径的颗粒，对于不同空隙率的排水沥青混合料的堵塞效果也是不同的，空隙率越小堵塞效果越明显。

对于三种堵塞机理，空隙结构表面的颗粒吸附与沉降会导致空隙通道变窄，影响连通路径的流体通行能力；孔喉被颗粒堵塞导致原本连通的路径的流体通行能力瞬间降低，孔喉发生堵塞后，孔喉处的孔径更小，更多的颗粒流经此路段时堵塞在空隙通道内，造成空隙结构中颗粒的大量堆积，流体通行能力进一步降低直至彻底堵塞，失去流通能力，此时含颗粒流体不会继续流经该通道，而是通过其他畅通的路径流出排水沥青混合料。从以上分析可知，同样的堵塞颗粒量，孔喉堵塞对渗透系数的影响最大，空隙结构表面的颗粒吸附与沉降以及空隙结构中颗粒的大量堆积对渗透系数的影响相对较低。

第二阶段的排水沥青混合料渗透系数衰变规律并不符合Wojtanowicz模型的渗透性衰减机理方程，表明此时没有占主导地位的堵塞成因，是三种堵塞情况共同作用的结果。由于此时衰变速率逐渐放缓，表明此时空隙结构表面颗粒吸附与沉降以及颗粒的大量堆积所占的比例逐渐提高。其中对于粒径较小的颗粒，颗粒容易被流体带动，比较难以在空隙结构表面颗粒吸附与沉降，空隙结构中颗粒大量堆积效果更明显；对于粒径较大的颗粒，空隙结构表面颗粒吸附与沉降以及颗粒大量堆积都对空隙结构有影响。

第三阶段的排水沥青混合料渗透系数逐渐稳定，表明排水沥青混合料内部存在孔径较大的连通路径，在较多空隙结构堵塞后，含颗粒流体从这些路径流出混合料，此时颗粒基本不再堵塞在排水沥青混合料空隙内部。

4 结 论

（1） 排水沥青混合料堵塞试验表明0.6～2.36 mm的颗粒最容易阻塞在排水沥青混合料内部。粒径大于2.36 mm的颗粒主要残留在混合料表面。

（2） 含颗粒流体对于排水沥青混合料的堵塞基本分为三个阶段：初期较快，中期放缓，后期稳定。

（3） 排水沥青混合料堵塞初期，颗粒在混合料内部孔喉处的堵塞占主导地位。堵塞中期空隙结构表面颗粒吸附与沉降以及颗粒的大量堆积效果逐渐提升。

（4） 排水沥青混合料内部存在孔径较大的连通路径，在较多空隙结构堵塞后，含颗粒流体从这些路径流出混合料，渗透系数趋于稳定。

（5） 排水沥青混合料的堵塞进入第三阶段时，渗透系数出现明显衰变，空隙结构中已堆积大量颗粒，不利于通过清洗恢复透水性能，建议在渗透系数下降到初始渗透系数60%前开展空隙清洗。