多孔沥青混合料孔隙堵塞方法、装置、堵塞后混合料的冻胀方法及其抗冻胀性能评价方法

摘要

本发明公开了多孔沥青混合料孔隙堵塞方法、装置、堵塞后混合料的冻胀方法及其抗冻胀性能评价方法。在含有多孔沥青混合料试件的筒形容器左右两侧旋拧底盖和底座，通过在顶盖和底座中多次注入黏土和清水的悬浊液和多次烘干，实现黏土颗粒对沥青混合料孔隙的逐渐堵塞。采用海绵包裹孔堵混合料，并且在充分吸水后进行冷冻，实现孔堵后混合料的冻胀。结合肯塔堡飞散试验，以冻胀前后多孔沥青混合料飞散损失的变化率评价孔堵后的抗冻胀性能。

说明书

技术领域

本发明涉及多孔沥青混合料，属于多孔沥青路面耐久性评价领域。

背景技术

为了提高城市生态系统功能和减少城市洪涝灾害的发生，我国从2012年开始大力倡导“海绵城市”建设，出台了一系列规划、鼓励政策和实施指导意见。作为“海绵城市”建设的重要方面，具有“渗、滞、蓄、净、用、排”功能多孔沥青路面得到了广泛的关注，被认为是影响“海绵城市”建设成败的关键。在多孔沥青路面中，铺筑在表层的多孔沥青混合料通过其内部丰富的连通孔隙发挥着向下渗水、向外排水的重要作用。多孔沥青混合料的耐久性决定了多孔沥青路面甚至“海绵城市”功能的持续性。

目前，多孔沥青混合料耐久性研究主要集中以下几方面。第一，多孔沥青混合料的孔隙易被灰尘、汽车轮胎磨损的橡胶颗粒等堵塞，导致多孔沥青混合料渗水和排水性能的下降，抵抗或延缓孔隙堵塞成为耐久性研究内容之一；第二，多孔沥青混合料为骨架空隙结构形式，粗集料与粗集料之间采用点与点接触粘结模式，导致混合料在车辆荷载作用下易出现飞散、集料颗粒“跑料”，抗飞散是其耐久性研究内容之二。除了关注耐久性的上述两个方面之外，多孔沥青混合料的冻胀性长期以来没有引起足够的重视，这是由于多孔沥青混合料内部的连通孔隙很多，在沥青混合料内部水凝结成冰后，尽管体积膨胀了9％，但是丰富的连通孔隙可以很好的消散掉因冰体积膨胀引起孔隙压力，因此一般认为多孔沥青混合料孔隙内水凝结成冰不会对混合料产生冻胀破坏。

但是，近年来的研究发现：以上认为的冻胀不显著是建立在多孔沥青混合料内部孔隙保持连通的前提下，若混合料孔隙被尘土等堵塞或者高温永久变形导致孔隙压密而堵塞，此时混合料内部水凝结成冰后体积膨胀量则无处消散，将不可避免导致孔隙压力，可能引发冻胀破坏。不仅如此，堵孔的尘土等固体颗粒在冻结之后，其体积膨胀量可能超过水结冰引起的9％体积膨胀，即堵孔的尘土造成比水结冰更严重的冻胀。令人遗憾的是，在我国已经建成的多孔路面尤其是城市道路的多孔沥青路面中，孔隙堵塞问题十分普遍和严重，部分路面因周边建设工地多尘土重等原因，在建成通车后不久孔隙就被完全堵塞，而相比于高等级公路上汽车轮胎快速滚动引起的气泵效应带出孔隙尘土，城市道路的车速较慢，通过轮胎带出尘土的可能性较小。可见，我国城市多孔沥青路面的孔堵及其引起的冻胀问题十分突出。但是，在多孔沥青混合料性能评价领域，目前并未建立孔堵后冻胀性能的测试方法，由此有必要发明一种评价多孔沥青混合料在内部孔隙堵塞后冻胀性能的方法。

发明内容

本发明提供多孔沥青混合料在内部孔隙堵塞后抗冻胀性能的测试方法，发明包括三部分：多孔沥青混合料孔隙堵塞的室内模拟、孔隙堵塞之后混合料的冻胀方案和抗冻胀性能的测试方案。

一种多孔沥青混合料孔隙堵塞方法，包含以下步骤：

步骤S1、将成型多孔混合料的马歇尔试件成型在一水平放置的筒形容器内，筒形容器的两端开口，并且在两个开口端上分别旋拧底座和顶盖，底座和顶盖的外壁等分固定多个支撑腿，底座和顶盖上分别设有开口；

步骤S2、将粒径在0.15mm～0.3mm的干燥黏土颗粒和清水混合成悬浊液，将配制好的悬浊液分成等质量的两份，分别从底座和顶盖的两个开口注入进筒形容器内，注入完毕后，通过实心塞体将底座和顶盖上的两个开口密封，外力晃动所述筒形容器以使筒形容器内悬浊液中黏土颗粒充分进入多孔混合料马歇尔试件的孔隙内；

步骤S3、把实心塞体换成透气塞体，并且将透气塞体上开有透气孔的一侧朝上放置于烘箱内，干燥过程中悬浊液中的水份通过透气孔从筒形容器内蒸发出去，直至筒形容器内的液体完全烘干；

步骤S4、将顶盖和底座从筒形容器上拧下并清洗后，与筒形容器重新装配紧密，重复步骤S2～步骤S3共3次后获得孔隙被黏土堵塞的多孔混合料试件。

3次重复步骤S2～步骤S3之前，依次将筒形容器绕自身轴线方向翻转180度、90度和180度，使得马歇尔试件进行3次翻转、4次烘干处理的堵塞过程。

一种基于所述多孔沥青混合料孔隙堵塞方法的装置，包括一筒形容器，所述筒形容器包括上、下两端开口的筒形容器、以及分别与所述筒形容器的两个开口端螺纹连接的顶盖和底座，顶盖和底座上均设置一个开孔；

塞体，用于与所述开孔相配合连接；

若干根长度一致的支撑腿，分别设置于顶盖和底座的外壁上，并且沿顶盖外壁和底座外壁均布。

所述实心塞体和透气塞体均为硅胶材料制作。

所述实心塞体或透气塞体均为圆台状。

一种多孔沥青混合料孔隙堵塞后混合料的冻胀方法，把脱模后获得孔隙被黏土堵塞的多孔混合料试件四周用吸水性材料完全包裹、扎紧后，完全浸没在清水中，使吸水性材料及其中的混合料试件充分吸水，然后取出并立即放入-18℃冰箱内，完成对混合料的冻胀过程。

所述吸水性材料为厚度大于15mm的海绵。

一种孔堵后混合料的抗冻胀性能评价方法，以飞散损失变化率K_d＝(S₁-S₀)/S₀×100％评价多孔混合料孔隙堵塞后抗冻胀性能，其中，S₁为孔堵冻胀后混合料的肯塔堡飞散损失，S₀为不经过孔隙堵塞和冻胀过程的混合料飞散损失。

本发明所达到的有益效果：

本发明实现了对多孔沥青混合料孔隙堵塞、孔堵后冻胀的室内模拟，并且通过本专业常见的肯塔堡飞散试验，以冻胀后多孔混合料的飞散损失变化率评价抗冻胀性能。

本发明的孔堵模拟装置具有制作方便、操作简洁的优势。

附图说明

图1为多孔沥青混合料孔隙堵塞装置的结构示意图；

图2为透气塞体的主视图；

图3为图2的俯视图；

图4为水平放置的孔隙堵塞装置结构示意图；

图5为图4的侧视图；

图6为三次翻转筒形容器在其侧壁所作的四次半圆形标记；

图7为海绵包裹的孔堵混合料试件。

1-顶盖；2-筒形容器；3-底座；4-顶盖；5-螺纹；6-实心塞体；7-透气塞体；8-支撑腿；9-多孔沥青混合料；10-第一次堵塞过程的半圆形标记；11-第二次堵塞过程的半圆形标记；12-第三次堵塞过程的半圆形标记；13-第四次堵塞过程的半圆形标记；14-黏土颗粒；15-海绵；16-悬浊液。

具体实施方式

下面结合附图对本次发明的多孔沥青混合料孔隙堵塞后抗冻胀性能测试方法作进一步描述。

多孔沥青混合料孔堵后抗冻胀性能测试方法涉及到以下几个环节，第一混合料孔隙堵塞，第二堵塞后的混合料冻胀，第三冻胀后的性能评价。其中孔隙的堵塞采用本发明所述的多孔混合料孔堵装置加以实现，混合料冻胀采用低温冷冻加以实现，抗冻胀性能评价结合本专业常见的肯塔堡飞散试验完成。下面逐一对以上方式加以说明和描述。

(1)多孔混合料孔堵装置

多孔沥青混合料内部孔隙十分丰富，有连通孔隙、开口孔隙、闭口孔隙等等，大量已有研究表明，堵塞这些孔隙的尘土颗粒关键粒径是0.15～0.3mm，而且干燥尘土颗粒难以进入多孔混合料内部堵塞孔隙，一般都是通过水流的带动作用堵塞混合料内部孔隙的，因此本发明配置0.15～0.3mm黏土颗粒与清水的悬浊液，供孔隙堵塞之用。

另一方面，从沥青混合料孔隙堵塞的过程看，孔堵是孔隙多次被尘土逐渐堵塞的过程，不是黏土与清水的混合悬浊液一次注入混合料就能堵住孔隙的。

为此，本发明提供了图1所示的孔堵装置，它由顶盖1、筒形容器2和底座3构成，顶盖1为一高度为80mm、直径为130mm的顶盖4，顶盖1内部开设高度为65mm、内径为111.6mm的圆口，圆口内壁由下至上设有高度为20mm的螺纹5，顶盖1的顶部开口，开口在顶盖1顶部的直径为90mm、在顶盖1内部圆口顶的直径为80mm，与开口配套的有两个圆台状硅胶塞，用于堵塞开口，一个为实心塞体6，另一个为透气塞体7。

如图2所示，在顶盖1的外壁4等分处焊接4个尺寸相同的支撑腿8，支撑腿8的长度大于10mm，以保证顶盖1水平侧向放置时，支撑腿8能支撑住顶盖1。

筒形容器2高度为70mm，内、外径分别为101.6mm和111.6mm，筒形容器外壁在距顶20mm和距底20mm范围内设有螺纹，以分别与顶盖1和底座3旋拧连接。

底座3与顶盖1具有相同的构造，并同样配有实心硅胶/6和通孔硅胶塞7。

(2)孔隙堵塞方法

采用顶盖1、筒形容器2和底座3构成的孔堵装置，能够实现对多孔混合料孔隙的堵塞，具体步骤是：

步骤一：在筒形容器2内成型沥青混合料的马歇尔试件，把顶盖1、筒形容器2和底座3通过螺纹依次旋紧，并水平放置；配制0.15～0.3mm干燥黏土颗粒300g与清水400g的混合悬浊液，分成相同的两等份，分别注入筒形容器两端的顶盖1和底座3内，盖紧实心塞体6，此时沥青混合料的下半部分被悬浊液浸泡；左右来回晃动孔堵装置，为使注入的悬浊液中黏土颗粒充分进入多孔沥青混合料的孔隙内，本发明设定晃动次数为100次，晃动过程为60～100s，晃动后再把实心橡胶塞6换成透气塞体7，并使通孔部分朝上，如图3所示；

用记号笔在筒形容器外侧作第一次堵塞过程的半圆形标记10标识出未被悬浊液浸泡的上半部分，如图4所示；把顶盖1、筒形容器2和底座3构成的孔堵装置及其中的多孔混合料试件和悬浊液一起水平侧放入150℃烘箱内，干燥过程中悬浊液内水分通过透气塞体7中的孔蒸发出去，4h后取出，完成第一次堵塞过程。

步骤二：旋开顶盖1和底座3，清洗干净后，再与筒形容器2装配紧密。翻转180度拧紧的顶盖1、筒形容器2和底座3，直到步骤一中所做第一次堵塞过程的半圆形标记10向下，并用记号笔在筒形容器2侧壁上画第二次堵塞过程的半圆形标记11，标识出侧壁朝上的部分。采用与步骤一相同的方法，完成第二次堵塞过程。

步骤三：旋开顶盖1和底座3，清洗干净后，再与筒形容器2装配紧密。翻转90度拧紧的顶盖1、筒形容器2和底座3，直到步骤一、步骤二中所做第一次堵塞过程的半圆形标记10和第二次堵塞过程的半圆形标记11在左右两侧，并用记号笔在筒形容器2侧壁上画第三次堵塞过程的半圆形标记12，标识出侧壁朝上的部分。采用与步骤一相同的方法，完成对混合料孔隙的第三次堵塞。

步骤四：旋开顶盖1和底座3，清洗干净后，再与筒形容器2装配紧密。翻转180度拧紧的顶盖1、筒形容器2和底座3，直到步骤三中所做第三次堵塞过程的半圆形标记12向下，并用记号笔在筒形容器2侧壁上画第四次堵塞过程的半圆形标记13，标识出侧壁朝上的部分。采用与步骤一相同的方法，完成对混合料孔隙的第四次堵塞，并把混合料试件脱模。

由此，通过3次翻转，使得多孔沥青混合料经过了四次堵塞过程，获得了孔隙被黏土14堵塞的多孔混合料。

(3)孔堵沥青混合料的冻胀方法

实际多孔沥青路面路面在冰冻过程中，外界湿气会进入混合料孔隙，使得孔隙内尘土颗粒冰冻时有源源不断的湿气和水分供应，导致其体积膨胀量很大，从而对堵塞后孔隙或闭口孔隙造成很大的孔隙压力，导致冻胀损伤和破坏。为了模拟这一过程，本发明在孔隙被黏土14堵塞的多孔混合料中，裹覆具有良好吸水和饱水功能的海绵15，为混合料冻胀提供外界的水汽，为了使海绵具有良好的吸水和饱水功能，海绵的厚度以大于15mm为宜，并把裹有海绵的混合料试件完全浸没在25℃清水中，使得海绵和混合料内黏土充分浸润和吸水，2h后取出。在不拧干海绵时，立即把它们一起放入-18℃的冰箱内5h，此过程中海绵内吸收的水分会迁移到混合料孔隙内，使黏土颗粒凝冰出现类似于路面实际的体积膨胀量。

(4)冻胀后多孔混合料的飞散试验

本发明采用本专业常用的肯塔堡飞散试验，并以冻胀前后多孔混合料飞散损失的变化率作为孔堵混合料抗冻胀评价指标。把经冻胀后的混合料试件从海绵内取出，在室温条件下晾干24h，称取试件质量为m₀，并进行肯塔堡飞散试验，称取飞散后试件质量m₁，得到冻胀后混合料的飞散损失S₁＝(m₀-m₁)/m₀×100％。

以多孔沥青混合料试件，在不经过孔隙堵塞和冻胀下，进行肯塔堡飞散试验，得到飞散损失S₀。以冻胀前后飞散损失的变化率K_d＝(S₁-S₀)/S₀×100％评价多孔混合料孔隙堵塞后抗冻胀性能。需要说明的是，K_d越大说明多孔混合料孔隙堵塞后的抗冻胀性能越差，当抗冻性能很差时，K_d甚至可能大于100％。

实施例：

下面通过实施例说明孔隙堵塞下多孔沥青混合料冻胀性能的测试方法。实施例中待评价的多孔沥青混合料为OGFC-13，其级配、沥青用量BC、空隙率VV见表1。

表1实施例采用的OGFC-13

1.沥青混合料孔隙堵塞装置的准备和孔隙堵塞

准备本发明所述的由顶盖、筒形容器和底座所组成的孔隙堵塞装置，并检查顶盖与筒形容器、筒形容器与底座之间能否旋紧。

按表1高温拌合OGFC-13的松散沥青混合料，并在本发明所述的筒形容器中采用马歇尔击实方法成型OGFC-13的马歇尔试件，待试件冷却后，筒形容器的两端分别与顶盖和底座旋紧，水平侧向放置后，用记号笔在筒形容器上侧面画半圆形记号。

准备干燥黏土颗粒，筛分得到粒径为0.15～0.3mm的土颗粒1200g，等分为4份，分别与400g清水混合，配制得到4份质量为700g的悬浊液。把其中1份悬浊液一半注入水平侧放的顶盖内，另一半注入底座内，塞进实心塞体后，在60～100s之内来回晃动孔隙堵塞装置100次，使黏土颗粒充分进入混合料的孔隙内部。以透气塞体替代实心橡胶塞，并保持孔隙堵塞装置水平，放置在150℃烘箱内4h后取出，冷却。

旋开顶盖和底座，清洗干净后，再与筒形容器装配紧密。翻转拧紧的顶盖、筒形容器和底座，使得每次记号笔标记的半圆形不重复。重复三次以上孔隙堵塞操作。如此，实现对OGFC-13孔隙的四次堵塞。

2.OGFC-13冻胀与飞散

对OGFC-13马歇尔试件脱模，采用干燥海绵完全裹覆试件表面，并用橡皮筋捆扎，完全浸没在25℃清水中，2h后取出并立即放入-18℃冰箱内冷冻5h。从冰箱内取出裹有海绵的试件，放在室温条件下，待海绵内冰融化后，揭开海绵，取出OGFC-13试件，并在室温条件下晾干24h，称取试件质量为m₀＝1145.2g。进行肯塔堡飞散试验，称取飞散后试件质量m₁＝834.6g，得到冻胀后混合料的飞散损失S₁＝(1145.2-834.6)/1145.2×100％＝27.1％。

以初始质量为1023gOGFC-13试件，在不经过孔隙堵塞和冻胀下，进行肯塔堡飞散试验，飞散后质量为945.1g，得到飞散损失S₀＝(1023-945.1)/1023×100％＝7.6％。计算冻胀前后飞散损失的变化率K_d＝(27.1-7.6)/7.6×100％＝256.6％，可见冻胀前后混合料的飞散损失差异很大，这就表明本实施例中OGFC-13在孔隙堵塞后的冻胀过程，对孔隙结构具有显著的膨胀压力，导致混合料较大的冻胀损伤。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。