空隙率对透水沥青混合料路用性能的影响研究
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总754期第二十期2021年7月
河南科技
Henan Science and Technology
空隙率对透水沥青混合料路用性能的影响研究
卢雪华
(福建省华福工程检测有限公司,福建泉州362000)
摘要:透水沥青混合料(Permeable Asphalt Conerete,PAC)具有良好的排水性能和抗滑性能,可以吸收路面噪声,因此被广泛应用于城市道路,但其较高的空隙率可能影响路用性能。
通过对不同空隙率(18%、20%、
22%和24%)的混合料进行试验,观察空隙率对路用性能的影响。
结果表明:当空隙率为20%时,PAC混合料具有最大的渗水系数,其动稳定度达到最大值,抗开裂性能最优;随着空隙率的增大,PAC混合料的飞散损失值增大,间接拉伸强度比逐渐降低;当冻融循环次数增多时,混合料的间接拉伸强度比下降明显。
关键词:空隙率;透水沥青混合料(PAC);高温性能;水稳定性;抗开裂性能
中图分类号:U414文献标识码:A文章编号:1003-5168(2021)20-0091-04 Research on the Influence of Porosity on the Road Performance
of Permeable Asphalt Concrete
LU Xuehua
(Fujian Huafu Engineering Inspection Co.,Ltd.,Quanzhou Fujian362000)
Abstract:Permeable asphalt concrete(PAC)has good drainage performance and anti-skid performance,and can absorb road noise,therefore,it is widely used in urban roads,but its higher porosity may affect road performance.In this paper,through experiments on mixtures with different porosity(18%,20%,22%and24%),the effect of porosity on road performance is observed.The results show that when the porosity is20%,the PAC mixture has the largest water permeability coefficient,its dynamic stability reaches the maximum,and the anti-cracking performance is the best;as the void ratio increases,the flying loss of the PAC mixture increases,and the indirect tensile strength ratio gradually decreases;when the number of freeze-thaw cycles increases,the indirect tensile strength ratio of the mixture decreases significantly.
Keywords:porosity;permeable asphalt concrete(PAC);high temperature performance;water stability;anti-cracking performance
城市道路的发展过程中,密实沥青混合料路面存在排水性能差、反射噪声等问题,给城市环境带来较大影响[1]。
一是城市热岛效应,即积聚在混合料内部无法排除的水分由于较高的比热容导致吸收的热量无法快速扩散[2];二是噪声污染,噪声在密实沥青混合料路面上多次反射,形成噪声环境污染[3];三是抗滑性能较差,密实沥青路面表面存在抗滑性能不足的问题[4]。
近年来,透水沥青混合料因其贴近城市道路要求的特定性能逐渐被广泛应用[5-7]。
透水沥青混合料的主要特点是其具有较大的空隙率(18%~25%),在水分存在时可实现短时间内将水分引出路面,避免水分积聚,降低城市热岛效应;依据空气泵吸
效应,PAC混合料可以吸收路面噪声,减少其对城市环境的影响[8];PAC混合料较高的表面构造深度能够起到抗滑作用。
作为最重要的PAC混合料影响因素,空隙率在可变范围内会影响混合料路用性能。
本文对不同空隙率(18%、20%、22%和24%)条件下的PAC混合料进行试验,探究空隙率对路用性能的影响。
1原材料
1.1沥青
本研究采用PAC混合料常用的高黏改性沥青,其性能如表1所示。
收稿日期:2021-06-18
作者简介:卢雪华(1978—),女,本科,检测工程师,研究方向:工程检测。
交通与建筑
表1
沥青主要技术指标
项目
针入度(25℃,0.1mm )
软化点/℃15℃延度/cm
黏韧性/(N·m )试验结果56.0079.6083.2023.12
1.2
集料
所用集料为常规矿料,各项指标如表2所示。
表2
集料物理性质
项目表观相对密度吸水率/%洛杉矶磨耗值/%
压碎值/%软石含量/%
试验结果2.870.48
15.507.100.30规范要求≥2.60≤2.00
≤28.00≤26.00≤3.001.3
配合比设计
相关国家规范对PAC 混合料的空隙率要求为18%~25%,本文设置18%、20%、22%和24%这4种目标空隙率,相应PAC 级配曲线如图1所示。
010203040506070
8090
100筛孔通过率/%
筛孔尺寸/mm
图1不同空隙率条件下级配曲线
2性能试验
2.1
渗水系数
渗水系数是指混合料在水分存在的情况下排出水分的速率,可用来评价混合料的渗透性能。
由表3可以发现,当空隙率为20%时,混合料具有最大的渗水系数;当空隙率由18%增大到20%时,渗水系数增大213mL/15s ,但是后续继续增大的情况下渗水系数仅分别提升129mL/15s 和89mL/15s ,提升效果逐渐降低。
这说明空隙率合适的PAC 混合料具有较好的渗透性能,盲目追求空隙率反而会对混合料的路用性能造成损伤。
表3PAC
混合料渗水系数
目标空隙率/%
18202224
实测空隙率/%
17.6719.2321.4823.72
渗水系数/(mL/15s )
1426163917681857
2.2
抗剥落性能
本研究通过对不同空隙率条件下的PAC 混合料进行肯塔堡飞散损失试验,计算试验前后的质量损失率,将其作为评价混合料抗剥落性能的指标,试验结果如图2所
示。
肯塔堡飞散损失值越大,表明混合料对剥落损失的敏感性越高。
由图2可以发现,在任意空隙率条件下,飞散损失率均较小,并且空隙率增大会导致飞散损失值也增大。
123456
78肯塔堡飞散损失/%
目标空隙率 /%
图2不同空隙率条件下肯塔堡飞散损失试验结果
2.3
高温性能
采用车辙试验评价不同空隙率条件下的PAC 混合料高温性能,采集车辙变形量和动稳定度数据分析其变化规律,试验结果如图3所示。
由图3可知,随着空隙率的变化,混合料的动稳定度(Dynamic Stabicty ,DS )在空隙率为
20%时达到最大值,任意空隙率之间的DS 值变化幅度较小,
但均满足相关国家规范要求(≥3000次/mm )[9]
;而对于车辙
深度,
当空隙率达到20%后,车辙变形量差值仅为0.05mm 左右。
空隙率对PAC 混合料的高温性能关联度较小。
动稳定度 /(次·m m -1
)
目标空隙率 /%
1
2
3
4
车辙深度/m m
图3不同空隙率条件下车辙试验结果
2.4
水稳定性能
采用间接拉伸试验评价不同空隙率下PAC 混合料水稳定性能变化规律,根据多次冻融循环前后的间接拉伸强度比评价水稳定性能,试验结果如图4所示。
由图4可知,空隙率的提高对PAC 混合料的间接拉伸强度比呈负相关作用,即空隙率的提升对于抗水损害能力存在不利影响;在冻融循环次数增多时,混合料的间接拉伸强度比下降明显,这是因为高空隙率下混合料的力学性能较差,并且多次水分侵蚀造成混合料强度损伤。
在多次冻融循环下,空隙率为18%~20%时混合料间接拉伸强度比变化程度平均为2.8%,空隙率为20%~22%时变化程度平均为5%,空隙率为22%~24%时变化程度平均为5.5%。
这说明PAC 混合料较佳的空隙率为18%~20%,超过该范围后,其抗水损害能力下降趋势比较明显。
18
20
22
24
20
40
60
80
100
间接拉伸强度比/%
VV值 /%
图4多次冻融循环下不同空隙率混合料间接拉伸强度比
2.5抗开裂性能
采用IDEAL 劈裂试验评价抗开裂性能,在25℃下对直径150mm 、高度62mm 的旋转压实试件进行劈裂,以50mm/min 的速度进行挤压,施加荷载至0.1kN 时停止试验。
IDEAL 劈裂试验结果如图5所示。
通过IDEAL 试验得出的开裂指标CT ind ex 可以多方面评价其抗开裂性能,CT ind ex 越大,其具有越好的综合抗裂性能。
从图5可以看
出,目标空隙率为20%的PAC 混合料具有最大的CT ind ex 值,相较于空隙率18%、22%和24%条件下的CT ind ex 值,分
别提高了40.0%、18.5%和30.7%。
由此可见,相较于其他
空隙率,空隙率20%的PAC 混合料抗开裂性能最优。
2.6灰色关联度分析
灰色关联分析以研究多种因素对各指标影响能力的强弱为目的,通过矩阵计算排列的方法,对所有因素的重要性进行排序。
本文采用灰色关联分析方法对4种空隙率条件下PAC 混合料的各项性能进行分析,确定最佳空隙率。
2.6.1构建矩阵。
本研究包括4种空隙率组合方案(18%、20%、22%和24%),因此构建方案集A ={A 1,A 2,…,A m }T ,m =4。
100200300400500600700800C T I n d e x
VV值/%
图5IDEAL 劈裂试验结果
每种组合都有5个指标,记指标集:B ={渗水系数,抗剥落性能,动稳定度,间接拉伸强度比,
CT ind ex }。
根据集合A 和集合B ,构建矩阵X =(x ij )m ×n ,
x ij 为第i 个方案的第j 个试验指标。
列出优选矩阵X ,即:
X =æèç
çççöø
÷÷÷÷1426
3.5248767
4.3544.421639
5.06541971.5762.311768
6.1351246
7.2643.281857
6.97
5061
62.8
583.26(1)
2.6.2规范化矩阵。
为了后续计算及比较排序,要
处理上述5种指标,使得各指标实现无量纲。
对于成本
型指标(越小越好),无量纲化公式为:
y ij =()max x j -x ij /()max x j -min x j j =1,2,…,n (2)
式中:y ij 为第i 方案j 指标的值;
max x j 和min x j 为所有j 指标中的最大值和最小值。
对于效益型指标(越大越好),无量纲化公式为:y ij =()x ij -min x j /()max x j -min x j j =1,2,…,n (3)
采用式(3)计算规范化矩阵Y ,即
Y =æèççççöø
÷÷÷÷0.00
0.000.001.00
0.000.490.451.000.761.000.790.760.460.380.451.00
1.00
0.34
0.00
0.18(4)
2.6.3权重确定。
定义H j 为第j 个指标的熵,其可表示为:
H j =-k ∑i =1
m f ij ln ()f ij j =1,2,…,n
(5)其中,参数k 和f ij 分别用公式表示为:
k =1
ln m (6)f ij =y ij
∑i =1
m
y ij
(7)
假定f ij =0时,f ij ln f ij =0。
熵权(W j )可表示为:
W j =
1-H j
n -∑j =1
n H j
(8)
根据式(5)计算各指标的H j ,即
H j =[]
0.760.760.710.740.65(9)
根据式(8)计算各指标的W j ,并构造熵权矩阵W j ,即
W j =æèççççççöø÷÷
÷÷
÷÷0.17
000000.17000000.21000000.1900
0000.25(10)
2.6.4优化选择。
一是求属性矩阵,二是求理想点,三是求距离,四是结果分析。
2.6.4.1
求属性矩阵。
将矩阵Y 转化成属性矩阵R ,
其可表示为:
R =Y ×W j
(11)
经计算,矩阵R 为:
R =æèççççöø
÷÷÷÷0.00
0.000.000.190.000.830.080.210.140.250.130.130.100.070.110.17
0.17
0.07
0.00
0.05(12)
2.6.4.2求理想点。
理想点可表示为:P =[p 1,p 2,…,p n ]
(13)其中,p j 用公式可以表示为:p j =max {}
r ij |i =1,2,…,m ;j =1,2,…,n (14)在矩阵中选出理想点P ,即
P =[]
0.830.170.210.190.25(15)
2.6.4.3求距离。
计算每个空隙率方案到理想点的
距离(L ),具体公式为:
L =[]
l 1,l 2,…,l m (16)
其中,
l i 用公式可以表示为:l i =
∑j =1
n (r
ij
-p j )2 i =1,2,…,m (17)经计算,每个空隙率方案到理想点的距离L 为:
L =[]
00.100.730.73(18)
因此,4种空隙率方案的排序为L 1<L 2<L 3<L 4。
2.6.4.4
结果分析。
根据灰色关联分析,综合考虑
空隙率对PAC 混合料各项指标的影响效果,4种方案从好到差依次为L 1、
L 2、L 3和L 4。
这说明当目标空隙率设置为18%时,PAC 混合料的各项性能优于其他方案,并且随着空隙率的增大,混合料性能逐渐下降。
3
结论
本文在不同空隙率(18%、20%、22%和24%)条件下对PAC 混合料的渗透性能、抗剥落性能、高温性能、水稳定性能和抗开裂性能进行研究。
结果发现:当空隙率为20%时,混合料具有最大的渗水系数;当空隙率由18%增大到20%时,渗水系数增大213mL/15s ,但是后续继续增大的情况下渗水系数值仅分别提升129mL/15s 和89mL/15s ,提升效果逐渐降低。
在任意空隙率条件下,飞散损失率
均较小,并且空隙率增大会导致飞散损失值增大。
混合料的DS 值在空隙率为20%时达到最大值,任意空隙率之间的DS 值变化幅度较小,但均满足相关国家规范要求(≥3000次/mm );而对于车辙深度,当空隙率达到20%后,混合料车辙深度差值不足1mm 。
空隙率对PAC 混合料的高温性能关联度较小。
空隙率与PAC 混合料的间接拉伸强度比呈负相关,空隙率对于混合料的水稳定性能存在不利影响;在冻融循环次数增多时,混合料的间接拉伸强度比下降幅度较大。
在多次冻融循环下,空隙率为18%~20%时混合料间接拉伸强度比变化程度平均为2.8%,空隙率为20%~
22%时变化程度平均为5%,空隙率为22%~24%时变化
程度平均为5.5%。
这说明PAC 混合料较佳的空隙率为
18%~20%,超过该值后,其抗水损害能力下降趋势较大。
目标空隙率为20%的PAC 混合料具有最大的CT ind ex
值,相较于18%、22%和24%空隙率的混合料CT ind ex 值,分别提高了40.0%、18.5%和30.7%。
由此可见,相较于其他空隙率,20%空隙率的PAC 混合料抗开裂性能最优。
灰色关联分析表明,综合考虑空隙率与PAC 混合料各项性能指标的关联效应,4种方案从好到差依次为L 1、
L 2、L 3和L 4。
目标空隙率设置为18%时,PAC 混合料的各项性能优于其他方案。
参考文献:
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