排水性沥青混合料（Porous Asphalt Mixture），简称PA。 是由粗集料、细集料、沥青胶浆和空隙构成的一种复合材料，是具有多级空间网络结构的分散体系，其性能不仅受各组成材料和空隙体积含量的影响，同时也受这些因素空间分布的影响^{[1, 2, 3, 4]}。压实成型工艺是影响沥青混合料不同组分空间分布至为关键的因素，即压实成型工艺不同，沥青混合料组分空间分布也就会有所不同，沥青混合料的路用性能也就截然不同^{[5, 6, 7, 8]}。振动压实是否适用于排水性沥青混合料已成为众多工程技术人员研究与关注的问题。本文采用能够模拟振动压路机现场实际施工工况的表面振动压实设备，结合理论分析，对排水性沥青混合料在振动压实状态下的物理、力学性能展开系统的研究，并通过试验路的铺筑与检测，对室内试验研究与理论分析成果进行验证，这对排水性沥青混合料结构耐久性及延长其功能性具有重要的工程实际应用意义。

粗集料采用张家口产玄武岩，细集料采用唐山丰润产石灰岩，矿粉为石灰岩加工制成，基质沥青为韩国SK-70号沥青，其技术性能均满足《公路沥青路面施工技术规范（JTJ F40—2004）》中的指标规定。为提高矿料级配设计的准确性，对集料进行二次筛分，分为16～13.2 mm、9.5～13.2 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、1.18～2.36 mm、0.6～1.18 mm、0.3～0.6 mm、0.15～0.3 mm和0.075～0.15 mm不同粒级。高黏度沥青改性剂采用Sino-TPS，其物理指标见表 1。选择不同级配类型，实现空隙率的变化范围为15%～25%，如表 2所示。其中，油石比按照规范设计流程采用振动压实方法来确定。

研究所用的振动压实仪是根据振动压路机的构造与工作原理^[9]，采用定向振动压路机振动器形式设计，主要由控制平台、动力设备、振动机构3大部分构成，其构造如图 1所示。振动机构仿照振动压路机的振动装置设计而成，由上车系统、下车系统和振动器组成。上车系统和下车系统通过减振块相连，与压头共同提供振动压实的静面压力；振动器由两平行振动轴和安装在其上的一组偏心块组成，与上、下车系统配合提供振动压实的激振力与振幅。振动压实仪的振动参数主要包括静面压力、振动频率、偏心块夹角、激振力以及振幅，经室内优化确定出排水性沥青混合料室内振动参数，与国内常见的双钢轮振动压路机参数相近，如表 3所示。

图 1 振动压实仪构造示意图 Fig. 1 tructure of vibration compactor

混合料的级配组成是影响沥青路面使用性能的重要因素，因此，合适的级配组成是确保沥青混合料路面质量的前提，而保持级配的稳定性是保证沥青混合料具有良好力学性能和路用性能的基础。级配的稳定性取决于碾压方式和压实功的大小 ^[10]，优良的压实方式应保证混合料级配在碾压前后变化不大。对级配PA-13-1排水性沥青混合料，采用16%Sino-TPS+SK70#高黏改性沥青，分别采用振动压实和马歇尔击实方法（双面击实50次）成型试件。待试件自然冷却24 h后，将试件放入60 ℃烘箱中预热，采用人工将混合料分散，然后对混合料进行抽提筛分试验（燃烧炉法），试验结果如表 4所示。

由表 4可知，振动成型和马歇尔击实都将使沥青混合料的级配发生衰变。13.2 mm筛孔通过率在振动成型和马歇尔击实下增加量分别为1.8%和4.1%；4.75 mm筛孔通过率在振动成型和马歇尔击实下增加量分别为0.4%和2.3%，可见，振动成型试件的集料破损率小于马歇尔击实，与原级配较为接近。这主要是由于振动成型的振动作用使被压实材料内产生振动压力波^[10]，在振动压力波作用下,被压材料由初始的静止状态过渡到运动状态，集料颗粒间的摩阻力也由初始的静摩擦状态逐渐进入到动摩擦状态，内摩擦阻力减小，集料运动更加充分，在重力作用下更易于达到要求的密实度。因此，振动成型适用于成型粗集料较多的排水性沥青混合料，成型的试件集料破碎较少^{[8, 11]}。而马歇尔击实是靠冲击作用迫使集料颗粒向下移动，强行嵌入集料间的空隙里，来达到密实效果。由此，集料很容易被击碎且破碎程度较大。

沥青路面空隙可分为有效空隙、半有效空隙和无效空隙。有效空隙也称为连通空隙，可构成水流通道；半有效空隙也称为半连通空隙，只可储水无法排水；无效空隙也称独立空隙，可构成封闭区，无法储水与排水。研究表明^{[12, 13]}，路面透水性能与排水性沥青混合料的空隙率之间存在良好的相关性，随空隙率的增大，路面透水性能增强。对级配PA-13-1排水性沥青混合料，分别采用振动压实和马歇尔击实方法成型试件，并测试试件的体积指标，试验结果如表 5所示。其中，试件的全部空隙率VV通过式（1）计算：

点击浏览公式

试件的连通空隙率VV_c通过式（2）计算：

点击浏览公式

点击浏览公式

由表 5可见，成型方式不同，排水性沥青混合料内部空隙率（全部空隙率或连通空隙率）不同。对于同一级配，振动成型试件的空隙率较双面击实50次成型试件的空隙率降低，连通空隙率也呈现类似规律。这说明振动作用更有利于混合料矿料颗粒在三维空间上的移动与相互填充。

排水性沥青混合料的主要性能是排除路表降水，透水性能是其最为关键的指标。渗透系数是反映孔隙介质透水能力的一个综合系数，表征了流体通过孔隙骨架的难易程度，可衡量多孔隙排水性沥青混合料的透水性能。室内渗透系数的测试方法一般有常水头和变水头两种，本文对表 2中3种不同级配的排水性沥青混合料，采用16%Sino-TPS+SK70^#高黏改性沥青，分别采用振动压实和马歇尔击实方法（双面击实50次）成型试件，参照相关文献，根据土壤渗透试验方法原理^[14]，自行设计渗透仪装置，如图 2所示，采用常水头法测定试件的渗透系数。透水系数k通过式（4）进行计算，试验结果见表 6。

点击浏览公式

图 2 渗透仪 Fig. 2 Permeanter

由表 6可以看出：（1）对于同一级配的排水性沥青混合料，成型方式对其透水性能有一定的影响，振动压实成型试件的渗透系数小于马歇尔击实成型试件；（2）在振动压实成型条件下，排水性沥青混合料的渗透系数会因其矿料级配的不同而不同，也就是说，可通过调整矿料级配来协调与平衡排水性沥青混合料功能性与耐久性之间的矛盾。

沥青混合料的高温稳定性是指在高温和交通荷载持续作用下，沥青路面抵抗永久变形（车辙、推移、拥包等）的能力。已有研究表明，排水性沥青混合料中矿料颗粒的强嵌挤作用和高黏改性沥青所提供的高黏结力，使得混合料的抗高温变形能力比普通沥青混合料高。对PA-13-2级配，采用16%Sino-TPS+SK70^#高黏改性沥青，按照振动击实试验确定混合料的毛体积密度，以空隙率20%为控制标准，分别采用静压和振动方式成型试件。采用车辙试验来评价排水性沥青混合料的高温稳定性，以动稳定度和60 min变形量作为评价指标。车辙试验试件为300 mm×300 mm×50 mm的板状试件，为此，研究设计了适用于振动成型的车辙试模。对成型的试件分别进行车辙试验，试验结果如图 3所示。

图 3 不同成型方式与动稳定度关系 Fig. 3 elation of different molding methods with dynamic stability

由图 3可以看出，对于同一排水性沥青混合料，成型方式不同，动稳定度不同，振动压实成型试件的动稳定度为静压成型试件的1.532倍。这说明在不同成型方式下，排水性沥青混合料的内部结构不同，矿料颗粒之间相互接触状态和嵌挤程度也不同，选择合理的压实工艺对排水性沥青混合料高温稳定性至关重要。

在低温状况下，尤其温度骤降时，由于沥青混合料不同组分之间收缩程度不同，致使沥青混合料内部产生温度应力，且降温速度越快，所产生的温度应力越大，一旦温度应力大于集料与沥青胶浆间的界面强度，沥青路面就会很快开裂^[15]。对表 2所示3种级配和油石比，采用16%Sino-TPS+SK70^#高黏改性沥青，分别采用不同压实方法成型试件。对不同成型方式下的试件进行低温劈裂试验，试验温度为（-10±0.5）℃，加载速率为1 mm/min，试验结果如表 7所示。

由表 7可以看出：（1）不同成型方式下，排水性沥青混合料的低温抗裂性能均与其空隙率显著相关，随着空隙率的增大而减小；（2）对于同一级配排水性沥青混合料，在不同成型方式下其低温劈裂强度存在一定差别，振动压实＞马歇尔击实，这反映了成型方式对排水性沥青混合料内部结构的影响，在振动压实下，排水性沥青混合料更密实，低温抗裂性能更优。

沥青路面在内部有水的条件下，经受交通荷载动态的反复作用，孔隙中的水逐渐浸入沥青与集料的界面，使得沥青黏附性降低，由于水动力的反复循环作用，沥青膜渐渐地从集料表面脱落(剥离)^[16]，导致路面出现松散、坑槽等水损坏现象。与密级配沥青混合料相比，由于排水沥青混合料为典型的骨架空隙结构，空隙率大，大量的开口空隙暴露于大气中，与水的接触面积大，受水的侵蚀机会增多，其抗水损害能力尤其重要。对表 2所示3种级配和油石比，采用16%Sino-TPS+SK70#高黏改性沥青，分别采用不同压实方法成型试件。对不同成型方式下的试件进行浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验，试验结果如表 8所示。

为了进一步验证室内试验研究和理论分析成果，结合某市政道路工程，铺筑了长度为300 m的排水性沥青混合料试验路。试验路排水路面面层为4 cm排水沥青混凝土（PA-13），下面层为AC-16F密级配改性沥青混凝土路面，并在上、下面层之间铺设1 cm胶粉改性沥青（用量为1～2 kg/m²）防水黏结层，保证面层之间具有良好的黏结能力和防水性。试验路采用的粗、细集料及矿粉与室内试验相同，基质沥青采用SK-70，高黏度改性剂采用深圳海川Sino-TPS，高黏度改性剂与基质沥青质量比为16∶84。排水性沥青混合料的矿料级配为表 2中PA-13-2，油石比为4.8%。

沥青混合料的施工工艺主要包括拌和、运输、摊铺和碾压4个环节。与传统沥青混合料相比，排水性沥青混合料的运输、摊铺和碾压工艺类似，但由于使用了高黏改性剂及其内部大空隙的特殊结构，其拌和和碾压工艺有所差别，应注意以下几个方面：

（1）拌和温度与时间。根据相关施工经验确定的施工温度为：矿料加热温度190～200 ℃，基质沥青加热温度160～165 ℃，拌和温度175～185 ℃，混合料出厂温度(180±5)℃。经过多次试拌目视观察，确定粗、细骨料和Sino-TPS同时进拌和楼拌锅干拌10 s，然后再加入基质沥青和矿粉，拌和45 s后出锅，整个拌和循环约为75 s。

（2）碾压是排水沥青路面施工中至关重要的环节。由于排水性沥青混合料为石-石嵌挤的大空隙结构，如果碾压过多、过重，则可能导致粗集料嵌挤界面的破碎和骨架结构的失稳；如果碾压过少、过轻，则会导致结构强度不足和空隙过大、耐久性下降等问题。本试验路的振动压实工艺为：首先采用12 t双钢轮振动压路机以高频、低幅方式振动3遍，然后采用大于11 t的双钢轮振动压路机静压两遍，消除轮迹印，且两道工序应紧密配合，衔接紧凑。

（1）排水性沥青混合料矿料级配

对试验段的排水性沥青混合料进行矿料级配检验，结果如表 9所示。

从检测结果可以看出，该试验段排水性沥青混合料生产过程中所检测的矿料级配的平均值与目标级配接近，各关键筛孔（13.2，4.75，2.36 mm和0.075 mm）通过率标准差和变异系数较小。

（2）油石比

对试验段生产的排水性沥青混合料进行油石比的检验，结果见表 10。

检测结果表明，最佳油石比能够控制在油石比设计范围内，施工过程中油石比质量得到了有效控制。

（3）摩擦系数

检测结果统计表明，路面实测的摩擦系数均大于46 BPN，平均值为60 BPN，能够满足设计要求，表明路面具有足够的抗滑能力。

（4）渗水系数

检测路面渗水系数共9处，平均值为2 044 mL/15 s，偏差为5.8%，参照国内外排水性沥青路面透水能力标准要求（1 000 mL/15 s），检测结果完全满足要求。

（5）压实度

在不同段落钻取两个芯样，测定其毛体积密度、压实度与空隙率如表 11所示。

由表 11可以看出，试验路的空隙率为20.6%和21.1%，能够满足设计与排水性能要求。对于压实度，若以马歇尔击实试验确定的标准密度计算，现场压实度已经超过100，而以振动击实试验确定的标准密度计算，现场压实度为99.4%和98.9%，处于合理范围，这说明以振动击实试验确定的标准密度控制现场施工更为科学。

通过室内试验对不同成型方式下排水性沥青混合料路用性能的对比研究和试验路的验证分析，得出如下结论：

（1）振动成型和马歇尔击实都将使沥青混合料的级配发生衰变，马歇尔击实是靠冲击作用迫使集料颗粒向下移动，强行嵌入集料间的空隙里，达到密实效果，集料很容易被击碎且破碎程度较大；振动成型适用于成型粗集料较多的排水性沥青混合料，试件集料破碎情况较少，与原级配较为接近。

（2）成型方式不同，排水性沥青混合料内部空隙率不同。对于同一级配，振动成型试件的空隙率较双面击实50次成型试件的空隙率降低，振动作用更有利于混合料矿料颗粒在三维空间上的移动与相互填充。

（3）同一级配排水性沥青混合料，成型方式不同，路用性能截然不同，振动压实方式较传统马歇尔锤击压实方式更有利于排水性沥青混合料嵌挤骨架结构的形成，进而显著提高排水性沥青混合料的路用性能。

（4）采用振动方式压实排水性沥青混合料是可行的，以振动击实试验确定的标准密度控制现场施工更为科学。