多雨地区的雨天行车安全问题，一直是沥青路面结构研究的重点之一。传统高速公路沥青路面采用密级配路面结构^[1]，一方面，由于密级配混合料没有内部孔隙，且路表构造深度较浅，雨水会在轮胎与路表之间形成水膜，减小路表与轮胎的接触，从而在高速行驶时产生水漂现象；另一方面，密级配沥青路面无法实时排出轮胎与路面间的压缩空气，极易产生泵气噪音，降低驾乘车舒适性，且对公路沿线居民的生活带来噪声影响。在此情况下，排水路面由于具有更好的排水降噪性能，被广泛运用到高速公路建设中^[2-7]。

随着排水路面技术的发展，最早在荷兰提出了双层排水路面的概念，即上面层采用小粒径排水混合料，下面层采用大粒径排水混合料，上面层小粒径混合料可以有效阻止杂物颗粒进入混合料内部，具有更好的抗阻塞、自洁性能，下面层大粒径混合料具有更好的排水与储水性能^[8-12]。本研究对大粒径排水混合料展开研究，针对PAC-16，采用正交试验法探究级配与空隙率的关系，并反算出适用于下面层的排水混合料集配，同时与规范中值进行对比，比较其路用性能，验证级配的可行性。

排水混合料为开级配骨架结构，对集料强度以及沥青性能都有较高的要求^[13-14]。本研究集料采用玄武岩粗集料以及石灰岩矿粉，沥青采用70^#基质沥青+15%HVA改性剂的复配方案。原材料的性能如表 1和表 2所示，各原材料均能满足《透水沥青路面技术规程》(CJJ/T 190—2012)的要求。

空隙率是排水混合料的关键控制指标^[15]，而空隙率主要受级配决定。本研究采用正交试验法研究关键筛孔通过率与空隙率的关系，可以通过更少的试验得到较为准确的结果。PAC-16对13.2 mm、9.5 mm、4.75 mm、2.36 mm以及0.075 mm的筛孔通过率这5个因素进行控制，采用5×4的正交表，各因素水平如表 3所示，因素水平范围参照不同规范中给出的级配范围而得。

对正交表中未涉及的筛孔通过率，采用内插法求得各筛孔的通过率。本研究采用规范中的最佳沥青用量预估公式对各级配油石比进行预估，从而减小沥青用量对空隙率的影响。具体正交级配方案如表 4所示。

根据表 4中给出的16组级配方案，根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)的要求，采用双面击实50次的方法成型标准马歇尔试件，并用体积法测量各试件的空隙率，测量结果如表 5所示。

根据上述试验结果，因变量为空隙率，自变量为筛孔通过率，采用数理统计中的后退法进行变量筛选。先将所有自变量带入进行线性回归，然后假定某一自变量退出方程，比较该自变量退出方程后对回归方程效果的影响，剔除影响最小的自变量(即剔除该变量后，剩余变量的R²最大，残差最小)，以此类推，直至只剩一个自变量。被越早剔除的自变量(筛孔通过率)对因变量(空隙率)的影响越小。采用后退法的分析拟合结果如表 5所示。

PAC-16得到的拟合方程如下：

从拟合结果中可以看到，各筛孔通过率敏感性大小为：P_2.36>P_4.75>P_0.075>P_13.2>P_9.5，剔除2.36 mm筛孔通过率后，剩余变量R²=0.342，表明剩余4个自变量与空隙率的拟合相关性较小。从拟合公式的系数上看，2.36 mm、4.75 mm以及0.075 mm筛孔通过率对空隙率的影响要远大于9.5 mm与13.2 mm筛孔通过率，及细集料对空隙率的影响大于粗集料。2.36 mm筛孔通过率每增加1%，混合料空隙率减小0.910%，4.75 mm筛孔通过率每增加1%，混合料空隙率减小0.19%，0.075 mm筛孔通过率每增加1%，混合料空隙率减小0.377%。“贝雷法”中，将0.22D(3.52 mm)作为粗细集料的关键控制点^[16]，及2.36 mm以及4.75 mm通过率也是对排水混合料骨架结构最关键的因素，与拟合结果相同。因此，对PAC-16来说，必须重点控制2.36 mm以及4.75 mm的筛孔通过率来设计级配。

为保证PAC-16具有更好的排水、储水性能，将目标空隙率定为22%，代入拟合公式并反算出各粒径筛孔的通过率，得到PAC-16的级配曲线。工程以及试验中进行级配设计时，会以规范的级配中值为基准，控制关键筛孔通过率，在级配中值上下范围内调整几组级配方案进行对比。本研究将拟合所得级配与中华人民共和国交通运输部《排水沥青路面设计与施工技术细则》(总校稿)以及中华人民共和国住房和城乡建设部《透水沥青路面技术规程》(CJJ/T190—2012)两本规范中给出的PAC-16中值级配对比，3种级配曲线如图 1所示。

图 1 PAC-16混合料级配曲线对比 Fig. 1 Comparison of gradation curves of PAC-16 mixture

从图 1可以看出，不同规范中规定的PAC-16级配中值差别不大，本研究所得级配在粗集料部分则与住房和城乡建设部级配接近，比交通运输部级配中值略粗，主要差别则体现在2.36 mm及以下的细集料偏少。

根据规范中的最佳沥青用量预估公式计算混合料初始油石比，在此基础上，以0.5%为间隔，在上下范围内各取2个油石比，通过肯塔堡飞散试验与谢伦堡析漏试验来确定混合料的最佳油石比，试验结果如图 2所示。

图 2 空隙率及排水性能试验结果 Fig. 2 Test result of void air voids and drainage performance

从最佳油石比可以看出，细料用量较少的级配，油石比也相对较低。

作为下面层排水混合料，PAC-16必须具有较好的排水性能^[17]，规范中一般将排水混合料的空隙率规定为18%~25%，渗水系数要求≥3 200 mL/min，对降雨强度较大的地区要求渗水系数≥5 000 mL/min。按照规范要求成型3种级配的标准马歇尔试件以及车辙板试件，采用体积法测量混合料空隙率，采用水中重法测量混合料连通空隙率，采用路用渗水仪测量混合料的渗水系数，试验结果如图 2所示。

从图 2可知，本研究所得级配的测量空隙率为22.1%，很接近目标空隙率22%，说明拟合公式具有较好的准确性。空隙率、连通空隙率以及渗水系数的大小呈现相同的趋势，都为：本研究级配＞交通部中值级配＞住房和城乡建设部中值级配。连通空隙率的大小真正反映了混合料的排水、储水能力，但从试验结果可以看到，渗水系数与连通空隙率随空隙率的变化大致呈线性关系，因此从便捷性角度而言，用空隙率作为评价指标是可行的。3种级配的排水性能都能满足规范要求，本研究级配的排水性能最优。

我国高速公路交通量大，且超载现象严重，对沥青的抗车辙性能要求较高，且降雨量较大的地区，夏季气温一般偏高，因此排水混合料必须具有较好的高温性能^[18]。《透水沥青路面技术规程》(CJJ/T190—2012)中对沥青混合料的动稳定度要求为不小于3 500次/min，随着改性剂技术的提高以及交通量增大的需求，部分新规范将车辙指标提高到6 000次/min。

采用车辙试验评价沥青混合料的高稳定性，成型300 mm×300 mm×50 mm的标准车辙板试件，在60 ℃恒温下，将轮压为0.7 MPa的胶轮放置在试件上来回碾压，根据最后15 min内的变形量求得沥青混合料的动稳定度，试验结果如图 3所示。

图 3 车辙试验结果 Fig. 3 Result of rutting test

从图 3可以看出，3种级配的动稳定度值差别不大，本研究级配的动稳定度略优，都远大于规范指标要求。对于大粒径PAC-16而言，最大粒径较大，不同尺寸的集料相互嵌挤，能够形成良好的骨架结构。一般情况下，在合理范围内，细集料越多，对骨架的高温性能越好，从试验结果可以看出，本研究级配的细集料含量已经能够满足高温性能要求，在此基础上增加细集料并不能进一步明显提高抗车辙性能，且本研究级配的骨架结构要略优于两组中值级配。

沥青路面的低温开裂大致分为3类：一是受温度变化而产生的低温收缩裂缝，二是在温度循环作用下的疲劳裂缝，三是受基层开裂影响，自下而上产生的反射裂缝。低温抗裂性能是一项重要的路用性能指标，本研究采用低温小梁弯曲试验来评价排水混合料的低温抗裂性能。将车辙板切割成250 mm×30 mm×35 mm的小梁，在-10 ℃的温度下保温4 h后，放置于间距为200 mm的支座上，用UTM试验机进行加载。低温小梁弯曲试验结果如图 4所示。

图 4 低温小梁弯曲试验结果 Fig. 4 Result of low temperature trabecula bending test

《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中对改性沥青混合料低温弯曲试验的最大弯拉应变指标要求不小于2 500 με(冬温区及冬冷区)。从图 4可以看出，3种级配的最大弯拉应变均能满足规范要求。

最大弯拉应变越大，低温性能越好；弯曲劲度模量越小，低温性能越好。从试验结果可以看出，本研究级配的低温性能要差于两规范中值级配，主要原因在于两规范中值级配的细集料用量较多，混合料内部集料间的黏结作用越强，因此低温抗裂性能越优。

排水沥青为开级配骨架空隙结构，在水流冲刷和车辆荷载的耦合作用下，容易发生水损害，产生松散、唧浆、坑槽、网裂等破坏。本研究采用冻融劈裂试验评价排水混合料的水稳定性，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的要求，一组试件在冷冻、高温循环后测量其劈裂强度，另一组则直接测量劈裂强度，将两组的试验结果进行对比，冻融劈裂试验结果如图 5所示。

图 5 冻融劈裂试验结果 Fig. 5 Result of freeze-thaw splitting test

住房和城乡建设部《透水沥青路面技术规程》(CJJ/T190—2012)中要求冻融劈裂强度比不小于85%。从图 5中可以看出，3种级配都能满足规范的水稳定性要求。其中，本研究所得级配的劈裂强度与冻融劈裂强度比要略低于两规范中值级配，交通部与住建部中值级配TSR相对接近，主要原因在于细集料用量较少，油石比较低，导致沥青与水的接触面积更大，水损害更加严重。

本研究通过混合料性能试验，对PAC-16排水混合料级配与空隙率的关系进行研究，同时对不同级配的混合料路用性能进行对比分析，得出以下结论：

(1) 对于PAC-16而言，2.36 mm与空隙率的拟合相关性最好，2.36 mm、4.75 mm以及0.075 mm筛孔通过率对空隙率影响相对较大，而9.5 mm以及13.2 mm的粗集料筛孔通过率对空隙率影响相对较小。在进行PAC-16级配设计时，必须重点控制2.36 mm以及4.75 mm筛孔通过率。

(2) 以目标空隙率22%反算得到的级配曲线，与交通部以及住建部中给出的中值级配差距不大，其主要区别在于本研究级配的细集料用量较少，从试验结果可以看到，拟合级配的空隙率与目标空隙率很接近，拟合效果较好。

(3) 3种级配均有很好的排水、储水性能，其中本研究级配的空隙率与渗水系数略大于两规范中值级配。

(4) 本研究级配的高温抗车辙性能要略优于两规范中值级配，说明本研究级配的细集料用量能够满足高温性能要求，进一步增加细集料用量不能明显增强高温性能。

(5) 本研究级配的低温性能以及水稳性能要略差于两规范中值级配，其主要原因在于本研究级配细集料偏少，沥青用量较少，空隙率略大，以至于集料间的黏结作用略差，更容易受到雨水冲刷破坏。

(6) 综合考虑，本研究拟合所得的PAC-16排水混合料级配较优，具有较好的路用性能，能够满足规范要求。若对低温以及水稳性能要求更高，则可以提高2.36 mm通过率，并通过拟合公式反算其他筛孔通过率，从而保证最终空隙率。