不同空隙率排水性沥青混合料宏观性能与微细观空隙结构研究

黄 宁，李爱国

(1.湖北武穴长江公路大桥有限公司，湖北 黄冈 435401； 2.武汉大学 土木建筑工程学院, 湖北 武汉 430072)

排水性沥青路面由大空隙沥青混合料铺筑而成，大气降雨可通过路面内部空隙联通结构横向排出，从而达到消除路面水膜、抑制溅水起雾、防止水漂、减轻眩光、增加路面与轮胎间的附着力从而提高抗滑等功能[1-3]。大量室内试验和工程实践表明[4-6]，使用排水性沥青路面后行车噪声降低3～8 dB，路面构造深度和抗滑性能显著提高，道路安全事故大幅降低，排水性沥青路面总事故率比普通路面平均降低24%，雨天事故率平均降低47%。排水沥青路面是世界公认的高安全性、舒适性、环保的功能性“超级路面”，兼顾排透水、降噪、抗滑的排水性沥青混合料是年降雨量大于600 mm地区新建沥青路面工程和养护维修工程排水罩面的主要技术类型，对于实现海绵城市建设的总体目标具有重要影响，具有广阔的应用前景。

要想实现沥青路面的排水性能与降噪功能，核心是沥青混合料有足够的空隙率，具有较大空隙率这也是排水性沥青混合料区别于密级配沥青混合料的显著特征之一，空隙率是由集料特性、矿料级配组成、沥青用量和压实功所共同决定的，空隙率体积指标在排水性沥青混合料的设计过程中起着至关重要的作用，空隙率选取合理与否，会显著影响排水性沥青混合料的结构强度、排水功能、降噪功能、安全性能和耐久性[7-11]。现行JTG F40-2004规范中排水性沥青混合料的空隙率指标要求为18%～25%，工程实践表明，18%～25%的目标空隙率要求过于宽泛，并且宏观的空隙率很难用于评价排水性沥青混合料的渗透性质，导致配合比设计阶段空隙率指标的选择就因人而异。现阶段，已有较多学者研究了排水性沥青混合料的路用性能、疲劳特性及抗滑、降噪机理，已有研究成果大多关注研发排水性沥青混合料专用高黏改性沥青和优化排水性沥青混合料矿料级配方面，但尚未检索到有关空隙率对排水性沥青混合料排水性性能、力学性能、路用性能及微细观空隙结构的影响相关研究报道，为了兼顾排水性沥青混合料排水性能与耐久性能[10-14]，本文研究了空隙率指标对排水性沥青混合料力学性能、路用性能及微细观空隙结构的影响，在JTG F40-2004推荐的OGFC-13矿料级配范围内选取5种级配，使得5种级配排水性沥青混合料空隙率为18%～24%，基于室内试验研究不同空隙率排水性沥青混合料力学性能与抗疲劳耐久性能，并基于X-Ray CT的无损检测技术研究不同级配排水性沥青混合料的微观空隙分布特征，建立了排水性沥青混合料细微观空隙结构与其宏观路用性能之间的关系，研究成果对优化排水性沥青混合料设计空隙率提供理论依据。

1 试验

1.1 原材料

采用交通部公路科学研究院研发的HVA高黏改性沥青，试验结果见表1，其各项性能满足JT/T 860.2-2013《沥青混合料添加剂》(第2部分：高黏度添加剂)的要求。质地坚硬、耐磨性好的粗集料才能更好发挥排水性沥青混合料的优良高温稳定性和抗滑性能，粗集料为陕西西安周边某石料厂生产的玄武岩碎石，细集料为石灰岩机制砂，矿粉由石灰岩磨制而成，集料各项性能满足JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。为了确保集料表面有足够的沥青膜厚度以保证排水性沥青混合料耐久性，同时避免生产、运输过程中沥青析出、流淌等问题，试验研究在排水性沥青混合料中掺加了0.35%聚酯纤维(聚酯纤维占集料质量百分比)，聚酯纤维物理指标见表2。

表1 HVA高黏改性沥青性能Table1 HVAhighviscositymodifiedasphaltperformance技术指标针入度/(0.1mm)软化点/℃5℃延度/cm弹性恢复率/%60℃动力黏度/℃170℃黏度/(Pa·s)试验结果6385.836.897.8559982.8

表2 聚酯纤维性能Table2 Polyesterfiberproperties技术指标长度/mm密度/(g·cm-3)抗拉强度/MPa断裂伸长率/%灰分含量/%试验结果61.39>500381.1

1.2 试验方案

为研究矿料级配对排水性沥青混合料力学性能、路用性能及微细观空隙结构的影响，在JTG F40-2004推荐的OGFC-13矿料级配范围内选取5种级配，使得5种级配排水性沥青混合料空隙率为18%～24%，基于贯入剪切试验、劈裂强度试验和动态压缩模量试验研究不同级配排水性沥青混合料力学性能，采用三大路用性能试验和半圆弯曲疲劳试验评价不同级配排水性沥青混合料的抗疲劳耐久性能。基于X-Ray CT的无损检测技术获取排水性沥青混合料内部的细微观空隙形态，采用平均空隙直径、最可几空隙直径为评价指标，研究不同级配排水性沥青混合料的微观空隙分布特征，最后建立排水性沥青混合料细微观空隙结构与其宏观路用性能之间的关系。

1.3 排水性沥青混合料配合比设计

试验研究采用OGFC-13矿料级配，以18%～25%目标空隙率为约束条件，根据理论研究和工程实践经验，在JTG F40-2004规范规定的OGFC-13的工程级配上下范围内选取5种粗细不同的矿料级配，见表3。基于马歇尔试件体积指标试验和析漏试验、分散试验验证，确定OGFC-13排水性沥青混合料配合比设计结果见表4。由表4可知，5种目标空隙率下，排水性沥青混合料的马歇尔稳定度、渗水系数及各项体积指标均满足JTG F40-2004规范要求，总体而言，随着空隙率增大，最佳沥青用量、马歇尔稳定度均呈减小趋势，渗水系数随着空隙率增大，先显著增大后缓慢增大，空隙率由18.2%增大至22.4%，渗水系数由943 mL/min增大至1 873 mL/min，增大了98.6%，空隙率有22.4%增大至24.1%，渗水系数由1 873 mL/min增大至2 003 mL/min，仅增大了6.9%，从渗水效果来看，在空隙率达到22%后排水性沥青混合料已经具备优良的排水性能。

表3 OGFC-13级配设计表Table3 OGFC-13gradationdesign级配类型以下各筛孔(mm)的通过百分率/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075GP110096.373.222.816.112.110.58.16.34.9GP210095.771.420.314.410.87.77.16.14.9GP310095.169.217.212.29.47.26.75.84.8GP410094.568.114.210.88.76.76.15.44.8GP510093.467.312.79.27.46.15.85.24.8

表4 OGFC-13配合比设计结果Table4 OGFC-13mixdesignresults级配类型沥青用量/%空隙率/%矿料间隙率/%GP15.018.226.9GP24.920.127.8GP34.721.328.5GP44.622.429.1GP54.424.130.7沥青饱和度/%析漏损失/%马歇尔稳定度/kN渗水系数/(mL·min-1)32.30.097.8494327.70.107.45112925.30.077.24159823.00.086.96187321.50.066.422003

图1建立了0.15～9.5 mm共6档筛孔通过率与排水性沥青混合料空隙率之间的拟合关系，由图1可见，9.5、4.75、2.36 mm筛孔通过百分率与空隙率之间的拟合优化度大于0.95，3种关键筛孔通过百分率与空隙率的相关性最好，工程实践中可通过拟合方程反算目标空隙率下该筛孔的最小通过率。

图1 关键筛孔通过百分率与空隙率拟合曲线

2 不同级配排水性沥青混合料宏观性能

2.1 力学性能

排水性沥青混合料单轴贯入剪切试验方法参照JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》附录F进行，试验温度选用60 ℃，加载速率1 mm/min。动态压缩模量、劈裂强度试验方法参照JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0738、T0716进行，动态压缩模量试验温度选用20 ℃，加载频率10 Hz。劈裂试验试验温度20 ℃，采用50 mm/min加载速率。力学性能试验结果见表5。

由表5试验结果可知，4种级配的排水性沥青混合料劈裂强度约为0.6～0.9 MPa、贯入剪切强度0.9～1.2 MPa、动态压缩模量8 500～11 400 MPa，动态压缩模量介于JTG D50-2015《公路沥青路面设计规范》推荐的8 000～12 000 MPa动态压缩模量之间。空隙率由18.2%增大至24.1%，排水性沥青混合料的劈裂强度降低了30.2%、贯入剪切强度降低了21%、动态压缩模量降低了23.5%。

表5 排水性沥青混合料力学性能试验结果Table5 Mechanicalpropertiesofdrainageasphaltmixture级配类型劈裂强度/MPa贯入剪切强度/MPa动态压缩模量/MPaGP10.8981.1911421GP20.8151.4210921GP30.7241.599348GP40.6931.279212GP50.6270.948741

2.2 路用性能

路用性能试验方法、步骤按照JTG E20-2011要求进行，试验结果见表6。

由表6可知，

表6 排水性沥青混合料路用性能试验结果Table6 Roadperformancetestresultsofdrainageasphaltmixture级配类型车辙试验低温弯曲试验浸水马歇尔试验冻融劈裂试验动稳定度(次·mm-1)车辙深度/mm弯拉强度/MPa弯曲应变/με浸水后MS/kNMS0/%冻融后ITS/MPaTSR/%GP154772.047.6140127.7598.80.85096.8GP264271.767.0337627.1996.50.75394.7GP362141.846.6434126.8394.30.67993.8GP457141.926.2230486.4692.80.63691.8GP550142.215.9126145.8290.70.56289.6

动稳定试验结果表明：①设计空隙率为18%～24.1%的5种排水性混合料，其动稳定度均满足JTG F40-2004规范动稳定度大于3 000次/mm的要求，5种排水性沥青混合料的动稳定度大于5 000次/mm，具有优良的高温稳定性。②随着空隙率增大，动稳定度、车辙变形量均呈先增大后减小的变化趋势，在20%～21%空隙率下动稳定度达到峰值，此时排水性沥青混合料抗车辙性能最优，分析动稳定度出现峰值的原因，根据摩尔库伦理论，排水性沥青混合料的强度主要取决于粗集料之间的骨架嵌挤作用、集料克服相对位移产生的内摩阻力和高黏改性沥青砂浆及高黏改性沥青胶浆内部的沥青玛蹄脂粘聚力，随着粗集料颗粒增大，排水性沥青混合料的空隙率逐渐增大，粗集料之间的不完全骨架嵌挤状态逐渐向全骨架嵌挤状态转变，骨架接触点数量增多、接触面积增大，嵌挤作用增强、骨架嵌挤结果趋于稳定，因此增大空隙率后车辙试验动稳定度呈先增大趋势，随着粗集料进一步增大，空隙率也随之增大，但是粗集料数量达到饱和后，增大粗集料数量会对粗集料已经形成的稳定嵌挤结构产生推挤、干涉，导致粗集料之间稳定的骨架嵌挤状态向半松散状态演变，在外在荷载作用下，没有形成骨架嵌挤结构的粗集料更容易发生转动位移，此外，随着粗集料数量增大，排水性沥青混合料内部的细集料数量相对减少，在骨架空隙中填充的沥青玛蹄脂数量减小，导致集料之间的黏结力降低，因此，只有在粗集料之间的骨架嵌挤力与沥青玛蹄脂的黏结力达到相对平衡时排水性沥青混合料高温稳定性才达到最佳。

低温弯曲试验结果表明，排水性沥青混合料的抗弯拉强度、弯曲应变随着空隙率增大而减小，弯曲应变与空隙率、弯拉强度与空隙率之间的线性拟合优化度R2大于0.98。空隙率由18.2%增大至24.1%，排水性沥青混合料的弯拉强度、弯曲应变降低了22.3%、34.8%，空隙率增大至24%后，排水性沥青混合料的弯曲应变将小于3 000 με。弯拉强度和弯曲应变随空隙率增大而减小主要是因为：要形成足够的骨架空隙，就必须减小细集料及沥青玛蹄脂数量，换言之，增大空隙率是以减小细集料含量、降低沥青玛蹄脂数量和减薄集料表面沥青膜厚度为代价，细集料数量减少，破坏裂纹扩展路径减短，而沥青玛蹄脂数量减少导致排水性沥青混合料的低温柔性降低，因此增大空隙率后排水性沥青混合料低温抗裂性能降低。

水稳定性试验结果表明，5种排水性沥青混合料的浸水马歇尔残留稳定度大于90%，同时冻融劈裂强度比大于85%，具有优良的水稳定性，分析以为，这与排水性沥青混合料使用高黏度改性沥青有关，高黏改性沥青的黏度大，因此有效保证了集料表面的沥青膜厚和沥青玛蹄脂的黏结强度，与此同时，排水性沥青混合料内部的空隙基本连通，在冻融循环和浸水过程中易形成疏水通道，因此冻胀作用对沥青膜的撕裂破坏作用较弱。

2.3 疲劳性能

考虑到排水性沥青混合料空隙率大，常规疲劳试验采用的小梁试件由于跨径偏大，试件受荷时容易在混合料的空隙部位产生断裂，发现疲劳断裂界面并非位于加载压头下方，疲劳试验数据离散性大，鉴于此，本文采用半圆弯拉劈裂试验评价排水性沥青混合料的疲劳性能。取标准马歇尔试件中间5 cm部分，再沿直径方向对称切割，即可完成试件制备。疲劳试验温度为20 ℃，加载频率10 Hz，采用0.1～0.4共4个应力水平，疲劳试验结果见表7、疲劳曲线见图2。

表7 排水性沥青混合料疲劳试验结果Table7 Fatiguetestresultsofdrainageasphaltmixture级配类型半圆弯拉强度/kN以下应力水平的疲劳寿命/次0.10.20.30.4GP19.342236591323536322923689GP28.532212141008354593319834GP37.76175212873093909414563GP47.12143356774383274512094GP56.6410365356784254909348

图2 疲劳试验拟合方程

疲劳试验结果表明，排水性沥青混合料的疲劳寿命、半圆弯拉强度与空隙率大小有关，相同应变水平，随着空隙率增大，排水性沥青混合料疲劳寿命持续下降，空隙率从18.2%增大至24.1%，在0.1、0.2、0.3、0.4应变水平下，排水性沥青混合料疲劳寿命降低了53.7%、57.1%、59.7%、62.1%。从疲劳曲线拟合方程的斜率n、截距K来看，拟合方程斜率n随空隙率增大而增大，截距K随空隙率增大而减小，因此增大空隙率不仅显著劣化了排水性沥青混合料空隙率，同时增加了疲劳寿命对应力水平的敏感程度，因此在满足排水性沥青混合料排水需求时应严格控制目标空隙率，综合力学性能和疲劳性能试验结果，工程实践中，适宜的排水性沥青混合料空隙率为20%～22%，以达到兼顾排水性沥青混合料的排水性能与路用性能、耐久性的目的。

3 不同级配排水性沥青混合料微细观空隙结构

试验研究采用Y.CT Precision 型工业CT，在试件高度方向间隔0.1 mm获取不同级配马歇尔试件的CT图像，如图3(a)所示，利用VGStudio MAX软件可以获得正面、立面及侧面3个正交角度的二维切片图像，将获取的二维图像导入VGStudio MAX 2.b缺陷检测功能，并设置最小空隙体积为0，最大空隙体积为10 000 mm3，分离集料、沥青砂浆与空隙后，进行三维空隙重组，结果见图3(b)，每个级配各取4组平行试件，对比蜡封法实测空隙率与CT测算空隙率，通过调整CT扫描参数和图形处理阈值划分界限来使得CT实测空隙率不小于蜡封法实测空隙率的0.95倍，最后计算输出空隙的三维x、y、z坐标和空隙的表面积、体积计算excel表单。对比图4蜡封法实测空隙率与CT测算空隙率结果可以发现，20个马歇尔试件的CT实测空隙率约为蜡封法实测空隙率的0.97倍，表明排水性沥青混合料内部的空隙基本全部被识别，CT测算的空隙率满足试验精度要求，可用于试验分析。

3.1 平均空隙直径

平均空隙直径(2R)是排水性沥青混合料内部工业CT可识别空隙体积的平均值。计算时假定每个独立的空隙为规则的球体，按照球体的体积(V)、表面积(S)与球体直径之间的数学关系反算直径(S=4πR2、V=3/4πR3)，再将所换算的所有空隙直径取平均值，即可得到排水性沥青混合料的平均空隙直径，结果见图5。

(a)二维切片图像 (b)三维空隙分布图

图4 CT测算空隙率与蜡封法实测空隙率的线性拟合关系

由图5可见，排水性沥青混合料实测空隙率18.2%～24.1%，空隙体积测测算的平均空隙直径为6.8～10.3 mm，表面积测算的平均空隙直径为8.8～13.4 mm，空隙率由18.2%增大至24.1%，空隙体体积测算的平均空隙直径增大了51.5%，空隙表面积测算的平均空隙直径增大了52.3%，虽然以空隙体积反算的平均空隙直径小于表面积反算平均空隙直径，但随着空隙率增大，两种计算方法得到的平均空隙直径变化趋势相同，CT测算的平均空隙直径与蜡封法实测空隙率之间有良好的线性关系，拟合优化度R2达到了0.95以上。增大空隙率后排水性沥青混合料内部的空隙逐渐连通，因此微观空隙直径增大。

3.2 空隙级配

与矿料级配相同，排水性沥青混合料内部的空隙分布也有一定级配。以横坐标为CT测算空隙直径范围(0～0.1、0.1～0.5、0.5～1、1～2、2～4、4～8、8～16、16～32、32～64、64～128 mm)，纵坐标为位于该范围内体积空隙出现的频率，统计不同级配排水性沥青混合料的空隙级配，结果见表8。

表8 排水性沥青混合料空隙级配Table8 Drainagegradationofdrainageasphaltmixture空隙直径/范围mm不同级配(空隙率)排水性沥青混合料空隙级配/%GP1GP2GP3GP4GP5 0^0.10.010.010.010.010.010.1^0.50.170.140.120.110.120.5^14.134.053.742.972.83 1^24.934.643.742.572.14 2^415.5512.2911.1710.066.48 4^865.5165.5765.6266.6869.32 8^167.28.48.510.211.4 16^322.34.56.66.97.1 32^640.20.40.50.50.6

由表8可知，排水性沥青混合料混合料内部空隙直径小于1 mm的空隙数量占总空隙数量的5%以下，空隙直径4～8 mm空隙数量占总空隙数量的65%以上，空隙直径大于4 mm的空隙数量占总空隙数量的75%以上，空隙直径4～16 mm位于平均空隙直径附近的空隙占总空隙数量的72%以上。排水性沥青混合料内部直径小于1 mm的空隙数量相差不大，在1～4 mm空隙直径范围内，空隙率从18.2%增加到24.1%，排水性沥青混合料中1～2 mm空隙直径空隙比例由4.93%减小到2.142%，减少了56.6%，2～4 mm空隙直径空隙比例由15.55%减小到6.84%，减少了56.01%，与此同时，4～8 mm空隙直径的空隙比例由65.51%增大至69.32%，增大了5.5%，8～16 mm空隙直径的空隙比例由7.2%增大至11.4%，增大了36.84%，16～32 mm空隙直径的空隙比例由2.3%增大至7.1%，增大了2.47倍，32～64 mm空隙直径的空隙比例由0.2%增大至7.1%，增大了2倍，由此可见，增大排水性沥青混合料空隙率，能够显著增加空隙中的大空隙比例。

3.3 宏观性能与微细观空隙相关性

为了揭示微细观空隙结构对排水性沥青混合料力学性能和路用性能的影响，图6建立了平均空隙直径与劈裂强度、弯曲应变、疲劳寿命之间的拟合关系。

由图6可知，劈裂强度、弯曲应变、疲劳寿命均与平均空隙直径之间有良好的线性关系，随着平均空隙直径增大，劈裂强度、疲劳寿命均呈线性关系减小，因此增大平均空隙直径会对排水性沥青混合料力学性能和疲劳性能有显著的劣化影响。随着平均空隙直径增大，排水性沥青混合料渗水系数呈二次函数关系增大，平均空隙直径达到9.5 mm以后渗水系数增加幅度趋于平缓。由此可见，排水性沥青混合料的微细观空隙直径与宏观力学性能、路用性能及渗水性能有良好的函数关系。

图6 平均空隙直径与劈裂强度与疲劳寿命之间的拟合关系

4 结论

a.矿料级配对排水性沥青混合料空隙率有显著影响，9.5、4.75、2.36 mm这3种筛孔通过百分率与空隙率的相关性最好。随着空隙率增大，排水性沥青混合料的动稳定度、车辙变形量均呈先增大后减小的变化趋势，在20%～21%空隙率下动稳定度达到峰值。排水性沥青混合料的抗弯拉强度、弯曲应变、浸水马歇残留稳定度、冻融劈裂强度比及各应力水平下的疲劳寿命随着空隙率增大而减小。

b.CT测算空隙率与蜡封法实测空隙率直接线性拟合关系良好，在18.2%～24.1%空隙率范围内，排水性沥青混合料空隙体积测算的平均空隙直径为6.8～10.3 mm，表面积测算的平均空隙直径为8.8～13.4 mm，空隙率由18.2%增大至24.1%，空隙体体积测算的平均空隙直径增大了51.5%，空隙表面积测算的平均空隙直径增大了52.3%。

c.排水性沥青混合料混合料内部直径小于1 mm的空隙数量占总空隙数量的5%以下，直径4～8 mm空隙数量占总空隙数量的65%以上，直径大于4 mm的空隙数量占总空隙数量的75%以上，直径4～16 mm位于平均空隙直径附近的空隙占总空隙数量的72%以上。

d.排水性沥青混合料的劈裂强度、弯曲应变、疲劳寿命均与平均空隙直径之间有良好的线性关系，渗水系数随平均空隙直径增大呈二次函数关系增大。