关键词：排水沥青混合料 | 飞散试验 | 析漏试验 | 渗透性能 | 试验方法对比
近年来，随着中国对路面服务性能需求的转变，从之前的能够适应气候条件，满足交通量、荷载等要求的基本行车需求，逐步转变到追求更好的道路功能性，不断有新型的功能性路面出现，其中包括排水沥青路面。排水沥青路面指路面在压实成型后，空隙率为20%左右，沥青混合料内部空隙能够排除路表水的开级配沥青混合料。排水沥青路面相比密级配沥青路面，雨水通过混合料内部的空隙下渗进而通过横坡侧向排出，避免了路面积水的产生，有效消除水雾、水漂、水膜等干扰和影响行车安全的因素。
排水沥青路面使用单一粒径集料比例较大，路表构造深度较大，具有优异的抗滑特性，但与此同时，由于水可以自由地在混合料内部流通，排水沥青混合料需具有良好的水稳定性；又因排水沥青混合料粗集料含量较高，沥青膜在行车过程中不断变薄，容易导致路表面集料与集料之间失去黏结，出现飞散、掉粒等病害，因此对于抗飞散性能应具有较高要求；析漏试验是为了在排水沥青混合料配合比设计过程中确定zui佳沥青用量，由于各国采用的方法不同，为相关研究带来了不便；排水沥青路面作为一种功能性路面，渗透性能直观反映了排水沥青混合料排除路表水的能力。上述路面性能是影响排水沥青路面大面积推广应用的关键所在，为改进中国国内排水沥青混合料应用技术，很有必要对国内外排水沥青混合料试验方法进行对比分析。
试件成型方法对比
排水沥青混合料圆柱体试件
排水沥青混合料圆柱形试件成型方法主要有马歇尔击实法和旋转压实法两种。中国和日本规范中排水沥青混合料成型方法均采用马歇尔双面击实50次成型，试件直径101.6mm，高度63.5mm。美国使用Superpave的旋转压实仪(SGC)成型。法国采用可记录高度和剪应力的旋转压实仪(PCG)成型，法国和美国旋转压实试验的压实角度存在差异(表1)，法国内部角小，所以压实功小，如果达到相同的压实度，美国旋转压实次数比法国少。其他试验参数基本相同，转速均为(30±0.5)r/min，竖向压力均为(0.6±0.018)MPa，试件直径为(150±0.1)mm。SGC不能直接提供判定路面是否稳定所bi须的应力和应变特征。与击实法相比，SGC和PCG等具有揉搓特性的压实法，更能接近实际施工过程中的压实状况，在旋转压实过程中还可以根据混合料的密实度变化情况来判断混合料的可压实性。此外，法国标准EN12697-31-2007规定在试件成型前要经过0.5~2h的短期老化，美国标准AASHTOR30-02规定的老化时间为2h，而中国则不考虑短期老化的影响。
矫芳芳针对排水沥青混合料马歇尔击实法以及美国旋转压实成型方法进行了研究，发现马歇尔双面击实50次和旋转压实50次得到试件的各项体积指标均相近，认为两种方法在50次(击实/压实)次数下有一定的对应关系。
排水沥青混合料板式试件
排水沥青混合料板式试件的成型采用轮辗成型，轮辗有钢性轮和充气轮两种，中国采用的是钢性轮辗，制作尺寸为300mm(长)×300mm(宽)×(50~100)mm(厚)的试件，根据zui大公称粒径来选用成型试模。
法国等采用欧洲标准的国家针对小型车辙试验采用的是钢轮碾压方式，大型和超大型车辙试验的试件采用充气轮胎碾压成型方式。试件的空隙率控制标准根据混合料类型、试件厚度来确定。
美国采用的汉堡车辙试验可以进行板式试件的成型，试件的成型控制采用空隙率控制指标。不同国家采用的板式试件尺寸见表2。
抗飞散性能
排水沥青混合料表面构造深度较大、粗集料外露，在交通荷载的反复作用下，由于集料与沥青的黏结力不足而引起集料的脱落、掉粒、飞散，并成为坑槽的路面损坏，是排水沥青路面的典型病害之一。大多数的国家均采用肯塔堡飞散试验评价排水沥青混合料抵抗颗粒损失能力，试验采用圆柱体试件，将单个试件置于洛杉矶磨耗仪中，不加钢球以(30~33)r/min速率旋转300转。飞散损失：
耿韩、李立寒、孟庆楠等建议采用20℃和-18℃的飞散损失分别作为一般温度和冰冻条件下排水沥青混合料的抗松散性能评价指标。张宜洛等为了更好地评价不同沥青混合料的飞散损失差异，通过不同沥青种类以及不同级配沥青混合料进行改进飞散试验，结果表明：常温20℃浸水、增加10个钢球、转数300转的试验条件能够减小结果的变异系数。
飞散试验虽然一定程度可以反映排水沥青混合料抵抗颗粒损失能力，但鉴于飞散试验的碰撞机理与实际路面磨耗作用存在较大差异，许多国家的学者开始采用模拟轮胎与路面的作用对排水沥青混合料抵抗飞散的能力进行评价与研究。荷兰和丹麦均开发了旋转表面磨耗试验(RSAT)，试验温度为20℃，通过一带实心轮胎的负载钢轮在平板试件来回行走，并且可以模拟车辆的剪切作用，采用24h石料损失质量来表征飞散。
曹东伟等也进行了相关设备的开发与试验研究，为更好地评价大空隙沥青路面的抗飞散性能，相继开发了平板飞散设备(包括TRD-Ⅰ、TRD-Ⅱ设备以及大型飞散检测系统TRD-Ⅲ)。其中大型飞散检测系统可在不同压力、不同温度以及车轮不同转速和不同进给速度情况下进行飞散试验；许斌利用TRD-Ⅰ、TRD-Ⅱ设备进行了平板飞散试验，研究发现：高温会加速排水沥青混合料的飞散。常温条件下，飞散情况随着磨耗次数的增加，从缓慢增加到显著增加再到趋于稳定的特点。
析漏试验
增大沥青膜厚度能够有效改善排水沥青混合料路用性能以及抗老化性能，与此同时沥青用量的增加导致混合料在生产、储存、运输过程中沥青从集料表面流淌(析漏损失)，通过析漏试验可对沥青用量进行控制，各国析漏试验方法不尽相同，主要有烧杯法、搪瓷盘法和网篮法3种。
(1)烧杯法
烧杯法由德国研究所研究制定。取1000~1100g拌和好的沥青混合料倒入800mL的烧杯内，再将混合料和烧杯一起放入(170±2)℃的烘箱内保温1h后，将沥青混合料倒出，附着在烧杯上的沥青质量与初始混合料质量的比值即为析漏损失，许多国家将排水沥青混合料析漏损失规定为不大于0.3%。此方法由于排水沥青混合料的厚度较大，黏附在烧杯壁的沥青量较少，使得试验结果偏小。
(2)搪瓷盘法
日本排水性沥青混合料的设计方法中，以搪瓷盘法来确定zui佳沥青用量，试验步骤与析漏损失计算方法与烧杯法相似。搪瓷盘法由于集料平铺在盘子表面，避免了烧杯法中混合料过厚的问题，但同时搪瓷盘法流失的沥青保留在盘子上，阻碍了后续结合料的流失，当将搪瓷盘翻转倒掉沥青混合料时，注意须去除附着在搪瓷盘上的碎石，而排水沥青混合料结合料的黏度较大，如不及时取出碎石，混合料将黏在盘底很难取出，而且不是所有粒径的碎石都需取出，其标准很难界定，由于受到人为因素干扰较大，试验结果可靠性差。
(3)网篮法
美国AASHTOT305-97采用网篮法进行析漏试验，用以控制混合料在生产、运输等过程中自由沥青析出量，其原理和步骤与烧杯法和搪瓷盘法相似，不同的是沥青混合料不是直接放置在容器中，而是采用搪瓷盘或平底碗架住网篮以接收流淌的沥青，称取质量进行计算。网篮直径为(108±10.8)mm，高(165±16.5)mm，在距底部(25±2.5)mm处有一个筛蓖，网篮与筛蓖的孔径均为6.3mm。由于孔径达数毫米，可能会使不仅是沥青结合料还包含部分沥青混合料通过网孔落入到碗(盘)中，使试验结果偏大。建议对于不同公称zui大粒径的排水沥青混合料，适当调整网篮与筛蓖的孔径。比利时采用的网篮流淌试验，其过程为首先用3.0MPa的压力将排水沥青混合料在Duriez模具中压实，然后将装有混合料的模具放到180℃的烘箱中放置7.5h，使沥青从压实试样上流淌下来，计算损失沥青结合料占初始结合料重量百分比。
矫芳芳通过对比3种试验方法，发现网篮法相比于烧杯法试验结果的偏小以及搪瓷盘法试验结果的偏大更为合理，并且人为干扰因素更少。
渗透性能
室内渗透性测量方法
室内渗透性一般采用透水系数表征，单位为cm/s或m/s。透水系数的测试方法可以分为常水头法和变水头法。变水头测试法中水头是时间的函数，不适于测量透水系数大的大空隙材料，主要是因为水头下降过快。此外，在测试过程中，水力梯度的变化范围很大，达西定律的适用性存在疑问。因此大部分国家针对排水沥青混合料采用的室内渗透性测量方法均为常水头法。
中国《排水沥青路面设计与施工技术细则》(报批稿)中规定的测定方法主要参照日本《铺筑试验法便览》制定，采用常水头渗水试验。试验步骤为：①成型马歇尔试件，冷却后不脱模，在其上增加一个套筒，套筒和试模之间应密封，不得透水；②打开外部水源向套筒内供水，调节水阀大小，直至溢流孔保持常水位；③进水在常水压条件下向下渗透，渗透通过试件的水用量筒收集，测定5ｓ左右的透水量；④透水系数按照式(1)计算：
欧洲关于渗透性试验方法收录于EN12697-19，包含了水平透水系数以及垂直透水系数两种测试方法，透水系数装置示意图见图1。试验开始前，为排尽试件中间的空气，保持让水流流过试件约10min。通过测量每秒通过试件的水的体积，基于达西定律，垂直透水系数采用下式计算：
在排水沥青路面设计中，垂直透水系数决定了雨水渗入路面的速度，水平透水系数决定了雨水横向排出的速度。该方法考虑了排水沥青路面碾压的方向性，水平透水系数与垂直透水系数存在差别，分别测量这两个系数有利于合理进行排水沥青路面的排水设计。
现场渗透性试验
现场渗水试验一定意义上多属于变水头试验，由于现场渗透性试验水流处于一种三维的流动状态并且流动得不稳定，无法与透水系数建立良好的相关性。现场渗透性的测量通常是一个经验指标，一般用渗水系数进行表征，单位多为mL/s。下面介绍几种各国常用的渗水仪。
JTG E60-2008《公路路基路面现场测试规程》使用的渗水仪与日本《铺装试验法便览》大体相似。主要差别在于中国规范中盛水量筒的高度由日本的342mm变为315mm，下部支撑结构的高度由263mm变为200mm，也就是说测量时施加在路面上的水头比日本规范更大。西班牙进行现场渗透性测试采用一种经LCS设备改动后称为Zarauz的透水仪，测试过程水从特定高度落下，自由流入铺装表面，可以测定水渗入路面之前前进的zui大径向距离，以及水在路表完全消失所需的总时间，有效模拟了雨水的作用。瑞士采用Yverdon透水仪测量现场渗透性，试验装置与路面之间的缝隙采用合成玛蹄脂制成的材料进行封闭，用70~80kg的重物压住装置。试验首先变换水压力以消除基座中的气泡，然后在10s内稳定住170mm的水高，用带刻度的容器测量水流，取两次重复测量的算术平均值，单位为L/min。丹麦采用了一种称为Bec-ker管的较为简单的测试仪器，排水沥青路面上放置一直径为140mm的透明管，封闭缝隙后向管中注水，记录100mL水排到路面中所需要的时间，若时间超过75s，则停止测量，路面被视为堵塞，结果取测点重复3次的平均值。美国得克萨斯透水仪使用内径为152.4mm的圆柱体用于储存测量用水，透水仪的水量到吸液管顶部标志上方25~50mm，记录4.63L水流出需要的时间来测得其渗透性。美国国家沥青技术中心(NCAT)开发了一种三层式现场透水仪，装置由三层阶梯式立管组成，采用变水头的方法。zui小直径的立管位于顶部，zui大直径的立管位于底部。这种透水仪能够适用于较宽的渗透性范围，对于渗透性较差的路面，水在小直径顶层立管中下落较慢，对于渗透性较好的路面，水平面将快速通过顶层，当水平面到达大直径立管时，水位下降速度变慢。
结论
梳理了中国、美国、欧洲以及日本等国的排水沥青混合料试验方法，发现从混合料试件的成型到排水沥青混合料关键性能的试验方法均存在一定的差异。具体体现在以下几个方面：
(1)在试件成型中旋转压实成型具有的揉搓特性，相比马歇尔击实成型更加接近路面实际压实情况。
(2)飞散试验的碰撞机理与实际路面磨耗作用存在较大差异，平板飞散试验能够模拟轮胎对路表面的损坏作用，而且对于温度的控制也更为jing确，相比肯塔堡飞散试验更为准确、合理。
(3)对于析漏试验，网篮法相比于烧杯法以及搪瓷盘法具备人为因素干扰较小的优点，且试验结果更为合理。
(4)渗透性试验由于不同国家采用的试验方法以及仪器的不同，导致控制指标无法统一。建议开发基于达西定律不同使用条件下的测试设备，以期得到较小误差的试验结果。
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全文完 发布于《中外公路》2020年第6期。作者简介：徐瑞刚，男，硕士研究生.E-mail：674379691＠qq.com
设备名称：B045 Superpave旋转压实仪 (SGC)
型号：B045/B045-01
制造商：意大利Matest公司
沥青旋转压实仪由意大利Matest研发制造，用于仿真复制实际道路铺设过程真实的压实条件，从而确定沥青的压实特性。这样的压实通过全自动模式实现，结合旋转动作和机械压头施加垂直荷载。压实机由强度结构钢框架组成，确保优良的角度控制。意大利Matest旋转压实仪具有优异的性能，是市场上非常具创新性的旋转压实仪，沥青混合料旋转压实仪有两种型号实用型旋转压实仪和科研型旋转压实仪，旋转压实仪在混凝土和沥青行业有多种用途。模拟和再现实际道路铺设的实际压实条件，以测试符合ASTM、EN和AS标准的沥青压实特性。根据NT Build 427规范，模拟和再现混凝土预制生产线中混凝土混合料压实特性。
荷载通过电控汽缸，压力调节阀伺服控制，高度采用线性传感器测量。旋转运动由高精度的偏心轮系统产生，易于准确设置、保持角度恒定，旋转速度由计算机通过变频器控制。使用合适的带孔模具，GYROTRONIC 沥青旋转压实仪可以压实测试冷拌乳化沥青混合料，压实结果也可用于研究沥青混合料的体积和机械特性。
产品特点：
▍ 强度钢架，保证优良的角度控制，满足 ASTM/ AASHTO 和 EN 欧洲规范严格的偏差要求
▍ 全彩色7英寸触摸屏控制器，与电脑相似
▍ 电脑软件，控制数据采集和处理
▍ 电子角度调整定位
▍ 双角度标定选项，AASHTO、EN和AS规范分别标定在设备旋转内角角度定位点2（0.82°）和3（1.16°）
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▍ 试样自动压平（0°角旋转）
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