0 引言

近些年，“海绵城市”的建设理念得到了国家大力推广^[1]，各透水型路面的结构层材料, 如透水型多孔沥青混合料、透水型水泥混凝土、透水型级配碎石等也受到越来越多的关注^[2-3]。尽管级配碎石已经被广泛地应用在中国道路的基层结构中^[4]，但传统的级配碎石基于最大密度理论设计，未充分考虑材料透水性和大空隙率的影响^[5-6]。因此，有必要对透水型级配碎石空隙率对性能的影响展开深入研究。

国内外相关研究表明，级配对级配碎石的力学和渗透性能影响巨大^[7-10]。目前级配碎石级配的组成设计是以嵌挤原则和Weymouth的粒子干涉理论为基础进行设计^[11-12]。核心理念是先由粗骨料相互嵌挤形成骨架，再由次一级的集料对骨架空隙进行逐级填充，最终形成密实稳定的结构^[13]。但是，透水型级配碎石应当首先具备较大的空隙率去满足透水性的要求。因此，透水型级配碎石的设计应当在保证粗集料相互嵌挤，形成稳定的骨架和获得优良力学性能的前提下，有效控制级配碎石的体积参数，得到不同空隙率的级配碎石试件。

相关研究表明，级配碎石的渗透性能与碎石内部的空隙结构高度相关^[14]。级配碎石中的空隙主要是由闭合，半连通和连通空隙3类空隙构成^[15]。但在闭合和半连通空隙中，水分难以流出，这2种空隙对渗透性能贡献较小。而水分可以快速地从连通空隙组成的渗透路径中通过^[16]，因此，除了足够的空隙率，也应确保透水型级配碎石内部具有足够多的连通空隙来保证渗透性能。

中国绝大部分地区为季节性冰冻地区，随季节变化，道路基层材料面临夏热冬冷和反复冻融的水温综合作用影响^[17-18]。低温冻结使渗入水的体积膨胀，融化又使其收缩，但是由膨胀作用导致的级配碎石结构错位却难以恢复^[19]。因此，在这种冻融循环作用下，基层材料的力学性能会发生衰减，降低了路面结构的承载能力。考虑到透水型级配碎石拥有较大的空隙率，更易被水分渗透，因此，也有必要对透水型级配碎石的抗冻性进行研究。

基于上述分析，本研究紧密结合国家“海绵城市”建设理念和战略，针对透水型级配碎石的设计及空隙率对性能的影响展开了研究。首先对透水型级配碎石的材料组成设计方法进行了研究，以期能有效地控制级配碎石包括骨料间隙率、空隙率等体积参数，获得不同空隙率的级配碎石试件。随后，研究了空隙率对透水型级配碎石力学、渗透、抗冻性能等关键指标的影响。最后，结合上述指标的测试结果，推荐了透水型级配碎石的合理空隙率。

1 原材料的基本指标

粗、细集料和填料均为产自陕西的石灰岩，参考《排水沥青路面设计与施工技术规范》(JTGT 3350-03—2020)的要求，按照《公路工程集料试验规程》(JTG E42—2005)和《公路土工试验规程》(JTG 3430—2020)中的方法进行测试，原材料的基本技术指标和要求见表 1。

2 不同空隙率级配碎石试件的级配设计 2.1 基于体积法的级配设计

基于体积法进行级配碎石的级配设计，设计的要点如下：设计时，首先通过粗集料相互嵌挤形成稳定的骨架结构，满足相应的强度需求；随后，逐步确定细集料的合理用量，在保证细集料裹附、胶结粗集料和改善骨架受力的同时，使混合料具有足够的空隙率。按照JTG E42—2005要求，粗集料的骨架间隙率、细集料的填充率和目标空隙率的计算见式(1)~(3)。

$ V_{\mathrm{CA}, \mathrm{DRC}}=\left(1-\frac{\rho}{\rho_{\mathrm{a}}}\right) \times 100, $

(1)

式中，V_{CA, DRC}为粗集料骨架捣实间隙率；ρ为粗集料振实密度；ρ_a为粗集料表观密度。

$ V_2=\frac{V_{\mathrm{F}}}{V_{\mathrm{C}}} \times 100, $

(2)

$ V_{\mathrm{V}}=V_{\mathrm{CA}, \mathrm{DRC}}-V_2, $

(3)

式中，V_F为细集料体积；V_C为粗集料体积；V₂为细集料填充率；V_V为目标空隙率。

2.2 5种空隙率级配碎石试件的级配

经过渗透预试验，结果表明14%空隙率的透水型级配碎石渗透性能较差，22%空隙率时，渗透性能已经能满足暴雨的需求，进一步加大空隙率，会对性能造成不利影响。因此，为研究空隙率对透水型级配碎石强度、渗透和抗冻性能的影响，本研究基于上述设计理念和方法，分别设计了14%，16%，18%，20%和22%这5种空隙率的透水型级配碎石，级配碎石的级配曲线如图 1所示。

3 试验和测试方法 3.1 级配碎石的CBR值

加州承载比(California Bearing Ratio，CBR)被广泛地用来评价级配碎石材料的抗变形和承载能力^[20-21]，该CBR值受到级配碎石内部结构和密实度的显著影响^[22]。透水型级配碎石具有较大的空隙率，一定程度上降低了材料的密实度，因此，有必要研究透水型级配碎石空隙率对加州承载比(CBR)强度的影响。

本研究的CBR试验按照《公路土工试验规程》的规定进行，不同于普通土质路基，级配碎石受压后，骨架间的嵌挤更加紧密，因此贯入5 mm的CBR值普遍偏大，其值计算见式(4)。

$ R_{\mathrm{CB}}=\frac{P}{10\ 500} \times 100, $

(4)

式中，R_CB为加州承载比(CBR)；P为单位压应力。

3.2 级配碎石的渗透性能

在JTG 3430—2020中规定测定渗透系数时，细粒土、黏性土应采用变水头渗透试验，无凝聚性砂性土应采用常水头渗透试验。透水型级配碎石属于松散材料，理应采用常水头试验。但级配碎石不同于砂性土，颗粒的粒径和棱角性更大，采用规定的木锤难以达到重型击实条件下的密实状态。

全透式路面结构一般采用沥青类路面，在《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中要求使用渗水仪测试车辙板试件的渗透系数，该方法属于变水头渗透试验。但采用轮碾仪，同样难以达到重型击实条件下的密实状态。

因此，目前对于透水型级配碎石的渗透系数尚未形成合理的测试方法。为此，本研究自行设计了可分别采用变水头和常水头2种渗透方法，测试重型击实成型级配碎石试件渗透性能的渗透装置。

该渗透装置如图 2所示，由储水桶、击实筒、渗流装置支架以及连通和出水的管道构成。当进行变水头渗透试验时，应向击实筒试件上方加入一定量的水，观察水分完全渗流的时间，计算渗透系数。当进行常水头试验时，应向储水桶加入足量的水，打开击实筒上方的溢流口保证试件上方始终储存一定高度的水，观察一定时间内，级配碎石的渗水总量，并计算渗透系数。

3.3 级配碎石的抗冻性能

在《公路工程石料试验规程》中规定冻融循环试验要在― 15 ℃冻结4 h，再放入(20±5)℃的恒温水浴中4 h作为一个周期。而《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定沥青混合料的冻融循环要在(― 18±2)℃冻结(16±1)h。吉林大学的段龙梅^[24]对长余高速基层结构的监测结果表明，半刚性基层材料的冻结温度约为(― 18±2) ℃，融化温度约为(20±1) ℃。考虑到透水型级配碎石一般作为全透式沥青路面的基层，因此本研究采用了更严格的(― 18±2)℃条件。对空隙率为14%，16%，18%，20%，22%的试件分别进行了不冻融，冻融1，3，12，24次试验，探究不同冻融循环次数下，试件石料的膨胀系数和CBR值的变化规律。

4 结果与讨论 4.1 空隙率对级配碎石CBR值的影响

本研究在每个空隙率分别成型3个试件，随后饱水4 d，分别测试了上述5种空隙率级配碎石试件的CBR值，探究空隙率对级配碎石CBR值的影响，试验的结果见图 3。

从图 3中可以看出，随空隙率逐渐增加，透水型级配碎石的CBR值逐渐降低。经过拟合，级配碎石的CBR值与空隙率的关系基本服从线性衰减的变化规律，相关系数约为0.985。这是因为细集料和水的相互作用一定程度上可以起到胶结粗集料和分散荷载的作用，随细集料的减少，材料的密实度降低，集料更易发生错动和变形。因此，材料的CBR值和强度逐渐降低。

按照《公路沥青路面设计规范》，经饱水4 d后，级配碎石用作基层时，CBR值应大于等于100%，用作底基层时，应大于等于80%。5种空隙率的级配碎石均能满足规范的要求。因此，当采用合理的级配，在粗集料间的嵌挤作用下，形成的骨架结构已经可以保证级配碎石的强度要求，但空隙率的增加不利于级配碎石的强度，不宜采用过大的空隙率。

4.2 空隙率对级配碎石渗透性能的影响 4.2.1 变水头渗透性能

采用变水头试验对5种空隙率的级配碎石进行渗透性能的测试。每个级配分别成型3个试件。测试时，一次性加入水量为900 mL，应采用导流板缓慢加入，防止冲刷使试件表面松散。渗透系数的计算见式(5)。渗透性能试验的结果见图 4。

$ C_{\mathrm{w}}=\Delta \frac{V_{\mathrm{t}}}{\Delta t}, $

(5)

式中，C_w为渗透系数；V_t为渗流体积；Δt为渗流时间。

试验结果表明空隙率对级配碎石的渗透性能有明显的影响。当空隙率小于18%时，渗透系数较小，试件渗水性能较差。随空隙率增加，试件的透水性能呈现指数形式急剧增加。表明细集料含量较多时，级配碎石中的渗水路径极易被堵塞，导致渗透性能降低。适当减少细集料含量，增加透水型级配碎石的空隙率至20%及以上时，渗水路径显著增加，渗透性能会急剧升高和改善。

4.2.2 常水头渗透性能衰减规律

如图 5所示，在长期渗流作用下，不断冲刷的水流会带走级配碎石中的细集料迁移并堵塞部分渗透路径。因此，研究利用自行研制的渗透装置，用常水头试验对5种空隙率级配碎石试件的长期渗透性能衰减规律进行研究。测试时，在储水桶中加入足够的水，通过击实试验筒上的溢流口保证水头高度的稳定，每隔5 min称量通过级配碎石试件的水样质量，每个试件持续监测110 min。用衰减系数对渗透性能的衰减进行评价，衰减系数的计算见式(6)，各空隙率级配碎石的渗透衰减系数如图 6所示。

$ \eta=\frac{C_{\mathrm{w} 0}-C_{\mathrm{w} i}}{C_{\mathrm{w} 0}}, $

(6)

式中，η为衰减系数；C_w0为初始渗透系数；C_wi为第i分钟渗透系数。

从图 6中可以看出，长期水流冲刷作用下，透水型级配碎石的渗透性能会逐渐衰减。空隙率较小时，渗透性能是逐渐衰减的，而空隙率较大时，渗透性能在渗透的初期就出现明显的迅速衰减，随后逐渐趋于稳定。

这主要是由于级配碎石中的细集料和水形成的胶结作用非常微弱，水流的冲刷作用下，细集料沿水流方向迁移堆积，堵塞了排水路径。由于大空隙率的级配碎石冲刷作用更加明显，因此渗透性能在早期就衰减很快，但大空隙率级配碎石细集料的含量相对较少，所以达到新的稳定状态也较快。

4.3 空隙率对级配碎石抗冻性影响 4.3.1 冻融循环对级配碎石膨胀系数影响

由于水分更易渗入透水型级配碎石内部，因此有必要研究冻融循环作用对级配碎石体积膨胀率的影响。级配碎石体积膨胀系数的计算见式(7)。

$ \omega=\frac{\Delta h}{h} \times 100, $

(7)

式中，ω为体积膨胀系数；Δh为冻融i次试件高度膨胀差值；h为原试件高度。

本研究5个空隙率的级配碎石在冻融循环1，3，6，12和24次后的体积膨胀系数见图 7。

从图 7中可以看出，整体而言，随冻融次数增加，试件膨胀系数逐渐增加。空隙率为14%和16%的试件体积膨胀率一直在增加，而空隙率为18%，20%，22%的试件体积膨胀率先增加后趋于稳定。这说明大空隙率级配碎石在冻融循环作用下的体积形变较小，并且体积的形变更易达到稳定的状态。

这主要是由于级配碎石中的水分在冻胀作用下会结冰，使颗粒间的距离增加，试件的体积发生膨胀。当空隙率较小时，试件中的水分更易滞留在试件内部，使得空隙率小的级配碎石试件体积膨胀率更大，不易稳定。而大空隙级配碎石试件内部有更多的空隙，能迅速排除水分并缓解结冰时的膨胀作用，因此大空隙率级配碎石试件的体积膨胀率更小，更易达到稳定的状态。

4.3.2 冻融循环对级配碎石CBR值影响

在冻融循环作用下，级配碎石的形变会进一步影响到试件的整体结构强度和稳定性，因此本文研究了随冻融循环次数的增加，不同空隙率级配碎石试件的CBR值的变化。经历不同循环冻融次数后，各空隙率级配碎石的CBR值见图 8。

由图 8可知，随冻融循环次数增加，级配碎石的CBR值不断降低，但降低的幅度有限。较小空隙率试件的CBR值先迅速减少，后趋于稳定，较大空隙率试件的CBR值一直缓慢减少。该结果表明，冻融循环作用对试件CBR值的影响主要集中在冻融循环的初期阶段。较小空隙率试件受冻融循环作用影响较大，但很快趋于稳定。大空隙率试件受冻融循环作用的影响较小。

5 结论

(1) 基于体积法进行级配设计，能在保证级配碎石骨架结构稳定性的同时，有效控制体积参数，得到不同空隙率的级配碎石试件。

(2) 随空隙率的增加，CBR值呈线性衰减。大空隙率对级配碎石的强度有不利影响。当空隙率扩大至22%时，CBR值明显减小，因此，透水型级配碎石的空隙率不宜过大。

(3) 变水头试验结果表明，在空隙率小于18%时，渗透性能较差。应适当减少细集料含量，空隙率大于等于20%时，渗水路径显著增加，渗透性能急剧升高。常水头试验结果表明，长期渗流条件下，级配碎石试件的渗透性能会逐渐衰减，大空隙级配碎石的渗透性能在早期衰减较快，但也较快地趋于稳定。

(4) 冻融循环结果说明，大空隙率的级配碎石试件体积膨胀率更小，更易达到稳定的状态。冻融循环作用对级配碎石试件CBR值的影响主要集中在冻融的初期阶段，总的来说，冻融循环作用对透水型级配碎石试件CBR值的影响较小。

(5) 推荐透水型级配碎石的空隙率控制在20%左右，既能确保具有足够的力学性能，又能保证良好的渗透和抗冻性能。