沥青混合料渗透性关键影响因素分析
摘 要
为了研究不同沥青混合料渗透性能影响因素的显著水平，使用自主研制的变水头渗透仪，考虑包括空隙率在内的6种因素进行沥青混合料渗透试验。通过渗透系数表征渗透性能，利用灰关联方法对试验结果进行分析，结果表明：空隙率对渗透性的影响最显著；其次是2.36ｍｍ通过率、级配最大粒径、油石比，3者影响都能改变空隙率进而影响渗流路径大小；针入度对渗透性影响不显著；在工程实践中，应着重考虑通过空隙率改变沥青混合料的渗透性能。
关键词
沥青混合料 | 渗透性能 | 灰关联分析 | 空隙率 | 渗透试验
近年来，沥青路面发展迅速，路面早期破坏也更为突出。已有研究表明水损坏是路面早期破坏的主要形式之一，特别是南方潮湿多雨地区，水损坏尤为严重。水是沥青路面水损坏的关键，水分进入路面后，在车辆荷载的作用下沥青路面不仅会出现网裂、坑洞、唧浆等问题，还会造成路面承载力下降，加速其他路面病害的出现。研究发现，沥青路面渗透性影响因素很多，如高俊启[1]在室内试验中结合车速与动水压力的关系，通过改变动水压力模拟不同车速，结果得到相同空隙率条件下，车速越快雨水渗入量越小；冯德成[2]通过正交试验，以马歇尔试件为研究对象，分析不同成型方式、不同厚度、不同混合料组成结构对渗透性的影响，结果得到旋转压实对混合料抗渗性有促进作用，空隙率与集料最大公称粒径均对混合料渗透性有较大影响；李立寒[3]与但汉成[4]分别通过室内模拟和现场实测，均得出粗集料集中的区域混合料的渗透性能更好；陈景[5]根据渗透定律自主研发了渗水仪，并对AC型与SMA型沥青混合料进行渗透性试验，得到了空隙率对渗透系数的影响关系，且提出了控制质量的渗透系数建议值；徐皓[6]则着眼于排水性沥青混合料，以沥青性质、混合料级配等为变量，试验证明了粒径、集料2.36ｍｍ筛孔通过率对渗透性有影响。
在控制路面渗透性能时，通常不能将所有因素都考虑进去，重点控制影响沥青混合料渗透性的关键因素是最有效的方法。然而在关键影响因素这一方面的研究尚不完善，因此本文通过灰关联分析，研究不同影响因素对沥青混合料渗透性的显著水平，并探讨各因素的影响机理，从而为沥青混合料的设计与施工提供参考。
试验
原材料
试验沥青选用AH-70号(Ⅰ)、AH-70号(Ⅱ)和SBS改性沥青，集料采用石灰岩，填料为石灰岩矿粉。材料相关参数见表1和表2。
试验方案
结合现有研究[2-9]，选择沥青针入度、沥青用量、2.36ｍｍ筛孔通过率、0.075ｍｍ筛孔通过率、级配最大粒径和空隙率６种影响因素加以分析。其中，沥青针入度为7.3ｍｍ、6.8ｍｍ、5.6ｍｍ；沥青用量通过马歇尔试验确定；矿料级配类型选择为AC-13、AC-16、AC-20、SMA-13，每种类型选取2条级配曲线，如图1所示，级配曲线均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG E40-2004)[10]要求，图中已将曲线与试件编号相对应；空隙率测试方法为表干法，以真空密封法测试基质沥青混合料最大理论相对密度，以计算法测试改性沥青混合料最大理论相对密度。
目前，研究者多因渗透系数具备直观、测试方便等优点而采用其衡量沥青混合料的渗透能力，我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[11]中渗透系数的测试却仅针对室内车辙板试件或室外已建路面，该方法试件制备复杂且侧边渗水问题一直存在。鉴于此，文中采用自制变水头渗透仪，以未脱模马歇尔试件代替车辙板试件，节省材料与工作量；以防水涂层和未脱模方式改善侧边渗水问题。
渗透试验
按T0702-2011[11]要求击实成型Φ63.5ｍｍ×101.6ｍｍ马歇尔试件。制作试件前将防水涂层均匀涂抹在模具内侧，然后采用自主研发的变水头渗透仪（如图2所示）进行试验，参考文献[12]中动力黏滞系数加以修正，换算为25℃测试时的结果。每组试验数据均来自3组重复性试验后取均值所得，以确保试验结果更准确。
测试时，安装好试验仪器；打开2、6号阀门，从8号管通水至1号量筒内一定高度后，关闭阀门2、6；打开阀门6，试件下方多余水从阀门6流出后关闭；打开阀门2、6时，记录开始时间t1、量筒内液面高度h1，以及结束时间t2、量筒内液面高度h2。
渗透系数Ｋ计算公式如下：
关联分析
灰关联计算
传统的数据分析方法中回归分析、方差分析等难以就小样本信息找到规律性结果，对文中沥青混合料渗透性能关键因素的分析效果不佳。而灰关联分析方法是基于灰色系统理论，以关联度反映自变量与因变量之间的紧密程度。该方法能解决多因素、非线性等难题[13,14]。
计算步骤如下。
渗透性影响因素分析
以渗透系数Ｋ为参考数列，6种影响因素为比较数列，如表3所示。对两种数列参数进行归一化处理，取分辨系数为0.5计算各因素关联系数，结果见表4。计算得到各因素关联度如图3所示。
结果分析
据图3灰关联度结果，可得各影响因素关联度由大到小依次为：空隙率＞2.36ｍｍ通过率＞级配最大粒径＞油石比＞0.075ｍｍ通过率＞针入度。灰色系统理论中分辨系数取0.5时，关联度超过0.6的因素对结果有显著影响，因而得到空隙率对沥青混合料渗透性能影响最显著，2.36ｍｍ通过率、级配最大粒径、油石比和0.075ｍｍ通过率均与沥青混合料渗透性显著关联，而针入度影响不显著。下面结合各因素的影响机理，对灰关联结果进一步分析。
研究混合料渗透性能时，通常认为总空隙由闭合空隙、半开空隙和连通空隙组成，其中连通空隙为渗透的主要途径，连通空隙率通常比总空隙率在数值上小3％左右[15]。大量研究发现，沥青混合料空隙率越大渗透性能越好，8％是空隙率的临界值，小于8％时渗透性能较弱，大于8％时渗透性能较强，且空隙率越大渗透性能增长趋势越快。周志刚在文献[16]中也得出空隙率对沥青混合料渗透性能影响最大的结论，与文中结论不谋而合。部分研究者[6]建议，可以将空隙率作为评价沥青混合料渗透性能强弱的标准之一。
2.36ｍｍ通过率和0.075ｍｍ通过率同属混合料级配特征，2.36ｍｍ为AC-13、AC-16、SMA-13级配的关键筛孔，其数值对空隙率的大小有直接关系。计算结果显示，其影响程度仅次于空隙率。通过0.075ｍｍ筛孔的颗粒主要由石灰岩矿粉组成，在混合料中起填充作用，且含量非常少，因此对混合料渗透性能影响有限。其关联度为0.63，处于显著与非显著的边缘，排名较靠后，仅高于针入度。级配最大粒径对混合料结构影响很大，粒径较大的混合料在嵌挤作用下骨架较大，形成的空隙通道更大，造成混合料中渗流所需的连通空隙更大，其渗透性能更强。研究发现相同条件下AC-20的渗透系数大于AC-13的渗透系数，空隙率在８％时，渗透系数之比约为1.5。主要原因在于AC-20换算渗流通道的有效管径大于AC-13。
油石比对混合料渗透性能的影响主要是通过改变其连通空隙的大小实现。油石比与连通空隙率之间存在良好的线性关系。油石比过大会在混合料中形成自由沥青，填充连通空隙，导致水分能渗透的通道减少，沥青混合料渗透性能降低；而油石比过小会出现沥青剥落、渗透系数过大等问题。因此，合适的油石比需要在保证不出现自由沥青的情况下，又能满足渗透性要求[17]。
通过灰关联度计算发现，针入度对沥青混合料渗透性能影响并不显著。混合料的渗透性主要取决于结构特征，而针入度反映的是沥青的软硬程度以及抗剪切破坏的能力，对混合料的结构特征的改变作用非常小，不仅如此，沥青的物理特性对混合料渗透性能的影响均存在这一特点。
结语
(1)基于灰色系统理论的灰关联分析法能寻求系统中各影响因素的主次关系，可用于沥青混合料渗透性关键影响因素分析。
(2)根据灰关联方法对6种因素的分析，得到空隙率对沥青混合料渗透性能影响最大，紧随其后的是2.36ｍｍ筛孔通过率、级配最大粒径、油石比，最后是0.075ｍｍ筛孔通过率和针入度，其中除针入度外均对沥青混合料渗透系数有显著影响。
(3)混合料内部连通空隙为水的渗透提供了流通途径，空隙率是沥青混合料渗透性关键影响因素，其他各因素对渗透性能的影响或多或少都通过改变空隙率的大小来实现，在混合料渗透性能质量控制时应着重考虑混合料空隙率。