沥青路面水稳定性-透水性与空隙率的关系研究

沥青路面水稳定性\透水性与空隙率的关系研究
摘要：沥青路面的水稳定性、透水性能与空隙率密切相关。

通过室内试验实测了不同空隙率的沥青混合料空隙率、渗水系数及水稳定性数。

研究结果表明，沥青混合料的渗水系数和空隙率有着很好相关性，渗水系数随着空隙率的增大而变大；沥青混合料的劈裂强度、冻融劈裂强度都随空隙率的增大而降低；当空隙率低于6%时，劈裂强度比相对较高，水稳定良好，此时对应的渗透系数不低于100ml/min。

关键词：沥青混合料；水稳定性；透水性；空隙率
沥青混合料水损害是路面早期破损的主要类型，不仅导致了路面的耐久性降低、使用功能下降，而且还是引发其他路面病害的诱因。

所以,公路界普遍对这种早期损坏的严重性高度重视。

所谓水损害是沥青路面在水或冻融循环的作用下,由于汽车车轮动态荷载的作用,进入路面空隙中的水不断产生动水压力或真空负压抽吸的反复循环作用,水分渗入到沥青与集料的界面上,使沥青粘附性降低,沥青膜从石料表面脱落,沥青混合料掉粒、松散,继而形成沥青路面的坑槽、推挤变形等损坏现象[1]。

随着近年来高等级沥青路面水损坏的频繁发生，透水性得到了越来越多的关注[2~6]。

沥青混合料的空隙率是影响沥青路面透水性的主要因素，空隙率越大，沥青层的透水性也越强，也越容易诱发水损害。

采用合理的空隙率对提高沥青混料的水稳定性有显著效果。

本文就此开展研究，分析沥青路面水稳定性、透水性与空隙率的关系，为工程应用提供依据。

1原材料选择与试件制备
1.1原材料
采用70#基质沥青，石灰岩集料和矿粉，制备密级配沥青混凝土AC-13。

矿料合成级配如图1所示，最佳油石比为5.0%。

图1 矿料合成级配
1.2试验方法
依据《公路工程沥青和沥青混合料试验规程》（JTJ 052-2000），采用轮碾法成型具有不同空隙率的AC-13车辙板，尺寸为30cm30cm6cm。

对于成型好的车辙板，分别测定渗透系数；再钻取直径10mm的芯样，测定空隙率，分析透水性能与空隙率的关系。

再采用马歇尔击实试验成型试件，测试劈裂强度、冻融劈裂
强度和空隙率，分析劈裂强度、冻融劈裂强度、冻融劈裂强度比与空隙率的关系。

2透水性与空隙率测试
2.1测试结果
本次试验为了得到不同的空隙率和不同的渗水系数成型了八种车辙板试件，通过变化压实次数和压实荷载来实现，车辙板试件尺寸为30cm x 30cm x 6cm，每块试件成型好之后分别测定渗水系数和毛体积密度，并计算空隙率等，试验结果见表2。

表2车辙板试件的渗透系数和空隙率
注：“/”表示试件密实不透水。

2.2结果分析
根据表2得到混合料的渗水系数与空隙率试验结果，绘制渗水系数—空隙率关系图，如如图2所示。

图2 沥青混合料渗水系数与空隙率的关系
由图可见，沥青混合料渗水系数随着空隙率的增大而增大，呈良好的指数函数关系（如式1），相关性系数为97.6%.
（1）
可以发现，当空隙率小于4%时，试件几乎不渗水；空隙率为4%~6%时，渗水系数总体比较小，且变化也不大，在120ml/min之内；当空隙率大于7%之后，渗水系数突然增大，而且呈指数形式增长。

如当空隙率为7%,渗水系数就增加为300ml/min；当空隙率为7.5%,渗水系数就增加为480ml/min；当空隙率为8%,渗水系数就增加为750ml/min。

此时所有的试件均发生了贯透，可以认为在空隙率大于7.5%，渗水系数值大于300ml/min的情况下，沥青路面会严重渗水，诱发更严重的水损害。

3水稳定性与渗水系数、空隙率的关系
3.1水稳定性测试
水损害是指沥青路面在水和温度胀缩的作用下，受高速运转车轮的挤压，进入路面的水分不断产生动水压力或真空抽吸冲刷作用力，使得水分反复出入于沥青混凝上结构中的毛细空隙，使沥青与集判的粘附性减弱，沥青膜逐渐从集料表而脱落，从而出现掉粒、松散、坑槽、卿浆等损坏现象。

而透水性仅是指该混合料的渗水系数（或渗透系数）是多少。

在密级配的范畴内，一般情况下，水稳定性随着透水性的增大而变差，但是如果空隙率大到一定程度，水损害反而会变小。

本文研究拟采用冻融劈裂试验对沥青混合料的水稳定性与空隙率的关系进行研究，不同试件的空隙率、劈裂强度、冻融劈裂强度、冻融劈裂强度比结果如表3所示。

根据式（1），也计算了不同空隙率试件的渗透系数。

表3沥青混合料水稳定试验结果
注：空隙率为3%的试件，渗水系数取为0。

3.2强度分析
根据表3数据，绘制劈裂强度、冻融劈裂强度与空隙率的关系，如图3所示。

绘制劈裂强度、冻融劈裂强度与计算渗透系数的关系，如图4所示。

图3强度与空隙率的关系
图4强度与渗水系数的关系
由图3可以看出：劈裂强度和冻融劈裂强度都随着空隙率的增大而减小，空隙率高于6%后，强度显著降低；在渗水系数大于120ml/min的情况下，强度下降较快。

3.2冻融劈裂强度比分析
根据表3数据，绘制冻融劈裂强度比TSR与空隙率、计算渗透系数的关系，如图5和图6所示。

图5冻融劈裂强度比TSR与空隙率的关系
图6冻融劈裂强度比与渗水系数的关系
可以看出，空隙率在6%以下的时候，劈裂强度比TSR随空隙率增大而降低，但劈裂强度比TSR相对较高。

空隙率大于8%以后，劈裂强度比TSR反而随着空隙率的增大而提高，但仍然低于空隙率较低的试件，其原因可能在于空隙率大于8%以后，随着空隙的增多，冻胀压力能够得以释放，因而劈裂强度比TSR提高。

劈裂强度比TSR与渗水系数也呈类似规律，可以认为渗水系数小于120ml/min 时，TSR均较高（高于85%）。

因此，建议为保证沥青路面的抗水损害能力，空隙率不得低于6%，渗水系数不得高于120ml/min。

4结语
沥青混合料的渗水系数和空隙率有着很好相关性，渗水系数随着空隙率的增大而变大；沥青混合料的劈裂强度、冻融劈裂强度都随空隙率的增大而降低；当空隙率低于6%时，劈裂强度比相对较高，水稳定良好，此时对应的渗透系数不低于100ml/min。

（1）沥青混合料渗水系数随着空隙率的增大而增大，呈良好的指数函数关系；可以认为在空隙率大于7.5%，渗水系数值大于300ml/min的情况下，沥青路面会严重渗水，诱发更严重的水损害。

（2）劈裂强度和冻融劈裂强度都随着空隙率的增大而减小，空隙率高于6%后，强度显著降低；在渗水系数大于120ml/min的情况下，强度下降较快。

（3）空隙率在6%以下的时候，劈裂强度比TSR随空隙率增大而降低，但劈裂强度比TSR相对较高。

空隙率大于8%以后，劈裂强度比TSR反而随着空隙率的增大而提高，但仍然低于空隙率较低的试件。

劈裂强度比TSR与渗水系数也呈类似规律。

因此，建议为保证沥青路面的抗水损害能力，空隙率不得低于6%，渗水系数不得高于120ml/min。

参考文献：
[1] 沈金安. 沥青及沥青混合料[M]. 北京:人民交通出版社,2001..
[2] 李闯民,王宁辉. 不同方法测量的排水沥青混合料试件空隙率关系[J]. 公路, 2007, (1):138-141
[3] 诸永宁,陈荣生,倪富健. 排水性沥青路面排水性能评定方法研究[J].公路交通科技,2004, 21(8): 9-11
[4] 邢明亮,陈拴发,陈华鑫等. 级配组成对排水性混合料空隙率影响研究[J]. 武汉理工大学学报, 2009,31(17):62-65.
[5] 徐皓, 倪富健, 陈荣生,等. 排水性沥青混合料耐久性[J]. 交通运输工程学报, 2005, 5(2):27-31
[6] 李立寒, 李新军, 梅海峙等. 排水性沥青混合料组成结构与性能的研究[J]. 建筑材料学报, 2003, 6(1): 40-44。