透水式磨耗层混合料的优化设计及其在国省道公路上的应用

潘艳珠, 王振忠, 曾卫平

(广东交通职业技术学院，广州 510650)

0 概述

透水式磨耗层混合料(Permeable Friction Course或Porous Friction Courses，PFC)被认为是升级版的OGFC，欧洲称之为多空隙沥青混合料(Porous Asphalt Mixture，PAM)，是一种特殊类型的热拌沥青混合料(HMA)。与密级配HMA相比，PFC具有较高的空隙率(AV)，一般为18%～25%[1]。为了获得较高的空隙含量，需要降低细集料的掺量，通过粗集料颗粒间的石-石接触形成混合料的骨架，保证混合料的稳定性。这些特征使PFC混合料具备了良好的使用功能：高渗透性(抗滑和安全)和降噪效果，以及抵抗永久变形能力，并作为路面耐磨层，广泛应用于高速公路和城市干线道路。 一些研究还显示，PFC还具有过滤雨水和降低路面夜间眩光等效果[2-3]。随着我国海绵城市概念的提出，以及人们安全和环保意识的不断增强，透水(或排水)式路面有不断增加的趋势。然而，目前PFC还有一些技术问题没有得到很好解决，其中最为突出的是使用寿命和造价的问题。为了获得路面排水需要的空隙，人们在PFC材料设计时降低了细集料的掺量，使得沥青混合料的强度形成原理由密实型变成嵌挤型，降低了集料颗粒的表面粘接或裹覆面积，增加了集料颗粒脱粒的风险。为了规避脱粒风险，一些规范规定PFC要采用高粘改性沥青和硬质中或碱性集料，但以脱粒为主要表现形式的早期损坏依然不能有效抑制。同时，使用高粘改性沥青和远运硬质集料大幅度提高了PFC的造价，限制了这种安全环保型沥青混合料的大范围推广应用(国省公路或一般城市道路)。

近年来，由于X-ray CT扫描手段的引进，人们借助数字图像分析和试件重构等技术对沥青混合料的很多微细观结构有了新的认识，使得沥青混合料更加精准的和优化的设计成为可能。Kutay(2007)和吴文亮等(2012)分别基于室内外试件和X-ray CT扫描研究了沥青混合料空隙的分布，及其对渗透的影响[4-5]。其主要结论为，沥青混合料中空隙沿厚度方向的分布是不均匀的，混合料试件中上部分的空隙率大于试件中下部分的空隙率，并进而导致沥青混合料横向渗透系数(Kxx或Kyy)大于竖向渗透系数(Kzz)，一般Kxx或Kyy=2～3Kzz。潘艳珠等(2018)对大空隙沥青混合料室内外试件的孔隙分布和渗透性进行了试验检测和评价，基本得出了类似的结论。据此可以认为，用试件的平均空隙率和试件的竖向渗透系数(Kzz)设计排水路面的沥青混合料是不合理的(横向排水)，会导致沥青混合料上部空隙率偏大，增加脱粒的风险。例如，试件的平均空隙率为22%～25%时(这也是PFC通常的空隙率设计范围)，试件上部的空隙率可能会大于29%～33%。显然，过大的表面空隙率沥青混合料是极易损坏的(脱粒和老化)。

由于操作简便，实际工程中越来越多地使用真空法检测PFC材料的最大理论密度，使用真空密封法检测PFC材料试件的毛体积相对密度。Alvarez等(2009～2010)认为真空法和真空密封法不适用于PFC材料[6-7]，因为，PFC材料大多使用改性沥青作为胶结料，较大的粘度影响了真空法最大理论密度检测的重复性与再现性；真空密封法毛体积密度忽略了试件表面开口空隙，且受塑料包装袋材质的影响较大。黎霞等(2008)采用真空密封法和体积法，比较了两种方法大空隙沥青混合料毛体积相对密度和空隙率以及连通空隙率的差异[8]。从检测数据可以看出，体积法空隙率和连通空隙率比真空密封法大3%。

从上面的分析和国内外的研究可以看出，想要兼顾PFC材料的排水能力和耐久性(脱粒和老化)，做出平衡设计的关键是根据排水的需要精准地控制空隙率。而精准控制空隙率主要体现在两个方面：预测空隙率的需求与空隙率的检测和评价方法。潘艳珠等(2007)对PFC材料的空隙率需求预测和大空隙沥青混合料设计，以及混合料骨架评估进行了深入研究，并提出了相应的方法[9]。因此，本研究在已有研究的基础上拟主要开展的工作为：改进PFC材料毛体积相对密度检测和评价的体积法、开展PFC材料的优化设计、通过试验路的方式探索和考察国省道公路沥青路面PFC(普通改性沥青与普通集料)的可行性。

1 PFC材料设计

1.1 PFC原材料

本研究所用原材料取自广东省某省道二级公路沥青路面改造工程。从研究的目的考虑，以及工程造价的限制，本研究没有在原改造工程项目设计标准的基础上对原材料提出更高的要求。粗细集料为广东韶关石灰岩轧制的碎石和石屑，矿粉采用广东韶关产的石灰岩矿粉，沥青为某品牌SBS改性沥青。上述原材料均基本满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的相关技术要求。

1.2 PFC-13材料配合比设计

本研究采用逐级掺配的方法设计PFC-13材料的配合比[9]。对应试件平均空隙率分别为15%、18%和21%的合成级配如表1所示，混合料设计结果如表2。从表2可以看出，体积参数对试件的强度(稳定度)有很大的影响，密度越大或空隙率越小试件的强度越高，这一点和其它相关研究的结论是一致的。即使是大空隙或透(排)水沥青混合料，在满足透(排)水要求的前提下，也要尽可能做到密实。

表1 PFC-13大空隙沥青混合料级配

表2 PFC-13大空隙沥青混合料设计结果

1.3 体积法检测试件毛体积相对密度的问题和改进

表2中的体积参数(试件的毛体积相对密度和空隙率)是直接量取马歇尔试件的尺寸(直径和高度)以及试件的空气中重量，计算得出的。这样的方法存在两个问题：(1)试件侧面表面构造产生的开口空隙影响，显然这部分开口空隙是不应该考虑的；(2)试件侧面的表面状况与实际工程路面取芯试件不一致，无法作为实际工程质检的参考值。为此，对马歇尔试件做钻芯取样处理，干燥至恒重后再实施体积法检测试件的体积参数。改进前后的试件体积参数对比如表3所示。从表3可以看出，试件侧面表面构造产生的开口空隙的影响大致在1.7%左右。

表3 试件侧面表面构造(开口空隙)对体积参数的影响

2 PFC材料的性能评价

2.1 PFC材料排水性能评价

Masad等人(2006)提出的改进版Kozeny-Carman方程[11]，用于预测热沥青混合料的渗透系数，如式(1)所示。Kutay等人[4]利用波兹曼格子模型和实测数据对公式(1)进行了验证。验证结果显示：(1)公式是可用的，其精度可以满足工程的要求；(2)公式不仅可以用于密实型沥青混合料渗透性评价，也可以用于大空隙沥青混合料的渗透性评价。

(1)

式中：k—中等饱和状态的渗透系数(m/s)；C—回归常数；n—空隙率(%)；μ=10-3kg/ms，流体的粘度(水)；γ=9.79kN/m3，流体单位重量(水@20℃)；Ds—集料的平均粒径；Gb—胶结料比重；Pba—被吸收的胶结料占集料重量的百分比；Pb—沥青含量(沥青用量占混合料总重量的百分比)；Gsb—集料的毛体积比重。

潘艳珠(2018)利用实测数据对公式(1)进行了拟合分析[6]，拟合分析的结果显示，公式(1)中的回归常数C=0.002。同时，从图1还可以看出，公式(1)具有较高的精度。

图1 计算渗透系数与测量渗透系数的比较

为了分析空隙分布的不均匀性对大空隙沥青混合料渗透性能的影响，按试件空隙分布的特征，将试件分成上下两个部分(对于较厚的试件可以分成上、中、下三部分)，分别计算了试件上下部和试件整体的渗透系数，如表4所示。表4计算结果与张璠(2010)的测试结果基本一致[11]。从表4计算结果可以看出，水分的横向迁移或流动主要发生在试件的上部，这是因为在这部分区域存在较大的空隙或连通空隙。然而，试件的竖向渗透性由试样中下部的渗透特性来决定，其渗透系数仅仅是上部或整体平均渗透系数的1/2。从这个意义上讲，压实的PFC材料的渗透性是有方向性的，透水路面和排水路面应该采用不同的渗透系数。Kandhal(2002)认为，PFC材料可以接受的最小渗透系数为：k=0.116cm/s[12]。比较表4的数据可以看出，如果不考虑空隙率分布的不均匀性，则沥青混合料的最小空隙率为18%，这个标准与现行规范的要求是一致的。但如果考虑空隙率分布的不均匀性，则沥青混合料的最小空隙率为15%。显然，降低沥青混合料的空隙率水平，对于改善路用性能、延长使用寿命和降低造价是有益的。

表4 不同类型试件渗透系数分布

2.2 PFC材料路用性能的评价

PFC材料的路用性能试验检测结果如表5所示。

表5 PFC材料的路用性能试验检测结果

从表5可以看出，三组试件的各项路用性能指标均能满足规范的要求，随着油石比的增加和空隙率的降低，PFC材料的各项指标略有改善。需指出的是，目前所采用的这些路用性能指标和检测方法还都是属于现象学的范畴，还无法揭示PFC材料损坏的机理，以及指标差异对使用性能和寿命的影响，更加深入的有关性能定量模型的研究还有待于进一步开展。

3 PFC试验路及其效果观测

3.1 PFC试验路结构

本研究试验路结合省道S342线南雄分水坳至雄州段路面改造工程开展，长度为全断面500m，路面结构如图2所示。

图2 试验路路面结构

3.2 试验路芯样空隙率与渗透性评价

为了评价试验路效果，对试验路进行了渗透试验，并对试验路芯样进行了CT扫描和空隙率分布特征分析，相关结果如表6。从表6可以看出，试验路空隙率和渗水系数均满足相关规范的要求。由于考虑了空隙率的不均匀分布，不存在上部空隙率偏大的问题，这对于路面的耐久性是有益的，也为降低造价提供了操作空间。

表6 芯样空隙特征与渗透性评价结果

4 结论

鉴于透水式沥青混合料磨耗层造价高、寿命短，无法大面积推广应用等问题，本研究尝试通过改进大空隙沥青混合料试件毛体积密度的检测方法，考虑沥青混合料横纵向排水性能的差异，对透水式沥青混合料进行优化设计，并通过试验路验证，实现应用普通改性沥青和普通石灰岩集料修筑国省道公路沥青路面低造价长寿命排水式磨耗层的目标。主要结论包括：

(1)应用体积法检测室内成型的大空隙沥青混合料试件毛体积密度时，需要先用取芯机钻取试件的芯样，并对芯样实施毛体积密度检测，以消除试件侧面表面构造产生的开口空隙的影响，这个影响的程度大致在1.7%左右。

(2)由于压实的大空隙沥青混合料空隙沿厚度方向的分布是不均匀的，导致压实的PFC材料的渗透性具有方向性的，透水路面和排水路面应该采用不同的渗透系数。

(3)考虑到压实的大空隙沥青混合料横向渗透系数一般可以是竖向渗透系数的两倍，在设计排水式沥青磨耗层(横向排水)时可以适当降低沥青混合料的空隙率，这对于延长磨耗层的使用寿命是有益的。

(4)试验路效果显示，考虑PFC材料渗透的方向性设计排水式路面是可以实现的，相关路用性能满足规范要求，基本不增加国省道公路沥青路面改造工程造价，技术和经济效果良好。