高速公路排水路面的設(shè)計(jì)與施工技術(shù)研究

謝祥根,張懷宇

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司，湖南 長沙 410015; 2.湖南省高速公路集團(tuán)有限公司)

1 前言

目前，中國的瀝青面層以AC、SMA、ATB為主要結(jié)構(gòu)層，它們的共同特點(diǎn)是密實(shí)、空隙率小，優(yōu)點(diǎn)是雨水通過路表排出路外，避免了雨水大量進(jìn)入結(jié)構(gòu)層內(nèi)，減少坑槽等早期水損壞，內(nèi)部的瀝青混合料幾乎接觸不到太陽光、空氣，延緩瀝青混合料老化，提高了瀝青路面的路用性能和使用壽命。但是，降雨對(duì)行車安全的影響，越來越引起政府有關(guān)部門以及工程技術(shù)人員、司乘人員的重視。滯留在道路表面的雨水將降低路面和輪胎之間的摩擦力，極易發(fā)生水漂，車輛高速行駛會(huì)濺起水霧，影響其他車輛的視線，容易發(fā)生交通事故。

安全、環(huán)保和舒適的排水路面提供了一個(gè)有效的解決途徑。排水路面的主要特點(diǎn)是空隙率大、排水能力強(qiáng)，既能防止水漂、抑制濺起水霧、減輕眩光，又能降低噪音。工程技術(shù)人員擔(dān)心的是它的耐久性問題，特別是空隙被堵塞，就容易產(chǎn)生水損壞。因此，需要從路面設(shè)計(jì)方案、材料、施工工藝以及養(yǎng)護(hù)工藝、設(shè)備等方面，進(jìn)行系統(tǒng)而深入的研發(fā)。

為了解決超高緩和段表面雨水排出速度慢甚至積水的問題，保證行車安全，湘潭至邵陽高速公路(以下簡稱“潭邵高速公路”)大修工程設(shè)計(jì)了PAC-13排水路面。該文結(jié)合潭邵高速公路大修設(shè)計(jì)和路面施工技術(shù)咨詢經(jīng)驗(yàn)，對(duì)PAC-13排水路面的設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行研究。

2 排水路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 依托工程概況

潭邵高速公路是“7918”國家高速公路網(wǎng)的第13橫——滬昆高速公路(G60)在湖南境內(nèi)的第二段，是湖南省高速公路“十三五規(guī)劃”中“七縱七橫”高速公路網(wǎng)的重要組成部分。途徑湘潭、婁底、邵陽3市，東起株洲北互通(K1 054+400)，接滬昆高速公路醴陵至湘潭段，西止周旺鋪互通(K1 274+850)，接滬昆高速公路邵陽至懷化段，主線全長220.1 km，路基寬度為26、28 m，路面寬度為21、23.5 m對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)速度為100、120 km/h，其中K1 056+430～K1 100+425和K1 247+025～K1 274+850為水泥混凝土路面，其他路段都為瀝青混凝土路面。2000年7月1日開工建設(shè)，2002年12月26日建成通車。

由于原路面結(jié)構(gòu)先天不足以及交通量大、重載超載車多、高溫多雨等原因，潭邵高速公路路面產(chǎn)生了嚴(yán)重?fù)p壞。歷年的日常養(yǎng)護(hù)、中修養(yǎng)護(hù)效果并不理想，許多路段屢修屢壞，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用保持著年均22.7%的持續(xù)高速增長態(tài)勢，大修改造勢在必行。2014年下半年至2015年上半年完成全線大修施工圖設(shè)計(jì)，在施工階段進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。全線施工分“兩期三階段”實(shí)施：一期工程為株洲北互通(K1 054+400)～婁底樞紐互通(K1 156+150)，已于2016年11月完成大修提質(zhì)改造；二期工程為婁底樞紐互通(K1 156+150)～周旺鋪互通(K1 274+850)，以范家山樞紐互通為節(jié)點(diǎn)分為兩階段實(shí)施，第一階段范家山樞紐互通至周旺鋪互通(K1 230+050～K1 274+850)，已于2018年12月完成大修提質(zhì)改造，第二階段婁底樞紐互通至范家山樞紐互通(K1 156+150～K1 230+050)，目前未實(shí)施。

2.2 排水路面設(shè)計(jì)

2.2.1 設(shè)計(jì)路段

經(jīng)充分調(diào)查分析，原則上在縱坡小于等于0.5%的超高路段且橫坡為0前后，結(jié)合兩端橋涵構(gòu)造物等情況，表面層設(shè)計(jì)采用PAC-13排水路面。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)了4段，左幅K1 247+137～K1 248+272(1 135 m)和右幅K1 247+137～K1 248+272(1 135 m)、K1 257+687～K1 258+500(813 m)、K1 272+751～K1 273+730(979 m)，共計(jì)4 062 m。

2.2.2 結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)

PAC-13排水路面都位于原水泥混凝土路面路段，原路面結(jié)構(gòu)為26 cmC35水泥混凝土面層+1 cm稀漿封層+20 cm6%水泥穩(wěn)定碎石基層+16 cm4%水泥穩(wěn)定碎石底基層，總厚度63 cm。大修設(shè)計(jì)方案為：對(duì)舊路病害進(jìn)行換板、壓漿等綜合處治后，加鋪3 cmAC-10F調(diào)平隔離層+18 cmC35連續(xù)配筋混凝土+1 cmSBS改性瀝青同步碎石封層+6 cmSBS改性瀝青AC-20C下面層+防水黏結(jié)層+4 cm高黏度改性瀝青PAC-13表面層。

1 cmSBS改性瀝青同步碎石封層的改性瀝青灑布量為1.5 kg/m2，集料采用4.75～9.5 mm的石灰石，并用油石比0.5%的瀝青進(jìn)行預(yù)拌，裹覆均勻，灑布量以不黏輪胎、履帶為度，為滿鋪面積的70%(8～10 kg/m2)左右。連續(xù)配筋混凝土采用裸化或精銑刨工藝進(jìn)行表面粗糙處理，加強(qiáng)層間黏結(jié)。

為了避免雨水滲入密級(jí)配的AC-20C下面層滯留在結(jié)構(gòu)層內(nèi)產(chǎn)生水損壞，在AC-20C下面層頂面設(shè)計(jì)防水黏結(jié)層。防水黏結(jié)層可采用SBS改性瀝青、橡膠瀝青或改性乳化瀝青，設(shè)計(jì)采用1.6 kg/m2改性乳化瀝青，分2次灑布，每次0.8 kg/m2。

2.2.3 邊部設(shè)計(jì)

通過PAC-13表面層滲入的雨水，經(jīng)過AC-20C下面層頂面排出路外，因此邊部設(shè)計(jì)非常重要，必須確保排水暢通。在潭邵高速公路大修設(shè)計(jì)中，土路肩采用10 cmC25現(xiàn)澆小石子混凝土硬化，中央分隔帶設(shè)計(jì)將波形梁鋼護(hù)欄改造為預(yù)制混凝土護(hù)欄，將填土綠化全部挖除，下部采用C15混凝土回填，護(hù)欄兩側(cè)用C30現(xiàn)澆混凝土硬化，并將超高路段外側(cè)的中央分隔帶縱向水溝由左側(cè)路緣帶移入中央分隔帶內(nèi)。PAC-13排水表面層路段的邊部設(shè)計(jì)，將橫坡低側(cè)的土路肩C25小石子混凝土由10 cm減少為5 cm，頂面標(biāo)高低于AC-20C下面層頂面，如圖1所示。將中央分隔帶縱向水溝外的C30現(xiàn)澆混凝土硬化帶變?yōu)橄虏刻钪?.5～19 mm碎石、上部滿鋪4 cmPAC-13，如圖2所示。為了保證路側(cè)波形梁鋼護(hù)欄立柱埋入深度和波形梁鋼護(hù)欄橫梁中心高度滿足規(guī)范要求，鋼護(hù)欄立柱的長度比其他路段增加5 cm以上。

圖1 橫坡低側(cè)的土路肩設(shè)計(jì)(單位：cm)

圖2 中央分隔帶細(xì)部設(shè)計(jì)(單位：cm)

3 排水路面混合料設(shè)計(jì)

PAC-13排水路面采用開級(jí)配的瀝青混合料，路面空隙率為18%～25%，形成“石-石”點(diǎn)接觸的骨架空隙結(jié)構(gòu)，對(duì)碎石和瀝青膠結(jié)材料的質(zhì)量要求非常高，混合料配合比設(shè)計(jì)好壞決定排水路面路用性能的優(yōu)劣和使用壽命的長短。

3.1 瀝青膠結(jié)料

PAC-13瀝青混合料必須采用高黏度改性瀝青，可直接采用成品高黏度改性瀝青或拌和時(shí)直投高黏度添加劑。該項(xiàng)目采用92%SBS改性瀝青+8%高黏度添加劑雙復(fù)合改性，高黏度添加劑應(yīng)符合JT/T 860.2-2013《瀝青混合料改性添加劑 第2部分 高黏度添加劑》的質(zhì)量要求。SBS改性瀝青采用殼牌(中國)有限公司供應(yīng)的SBS改性瀝青，檢測結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)室按92%SBS改性瀝青+8%高黏度添加劑配制高黏度改性瀝青，檢測結(jié)果如表2所示。

表1 SBS改性瀝青檢測結(jié)果及質(zhì)量要求

表2 高黏度改性瀝青檢測結(jié)果及質(zhì)量要求

3.2 集料

粗集料應(yīng)質(zhì)地堅(jiān)硬、顆粒形狀好、耐磨，采用某碎石場生產(chǎn)的玄武巖碎石，按9.5～13.2、4.75～9.5 mm兩級(jí)備料，并安裝除塵設(shè)備。0～2.36 mm細(xì)集料采用某碎石場生產(chǎn)的石灰石機(jī)制砂。粗集料、細(xì)集料的試驗(yàn)檢測結(jié)果如表3、4所示。

表3 粗集料檢測結(jié)果及質(zhì)量要求

表4 細(xì)集料檢測結(jié)果及質(zhì)量要求

3.3 填料

填料采用潔凈的9.5～19 mm石灰?guī)r粗集料磨細(xì)得到的新鮮礦粉，檢測結(jié)果如表5所示。

3.4 生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)

3.4.1 設(shè)計(jì)礦料級(jí)配

拌和樓配置3、6、11和16 mm篩網(wǎng)，對(duì)應(yīng)的礦料分為0～3、3～6、6～11和11～16 mm4檔熱料倉集料。熱料倉集料比例為(11～16 mm)∶(6～11 mm)∶(3～6 mm)∶(0～3 mm)∶礦粉=40%∶47%∶9%∶4%，PAC-13混合料的礦料設(shè)計(jì)級(jí)配范圍及合成級(jí)配如表6所示。

表5 礦粉檢測結(jié)果及質(zhì)量要求

表6 PAC-13 礦料設(shè)計(jì)級(jí)配

3.4.2 混合料路用性能試驗(yàn)

PAC-13瀝青混合料應(yīng)添加聚酯纖維或玄武巖纖維起增黏作用，該項(xiàng)目添加混合料質(zhì)量0.1%的聚酯纖維。采用馬歇爾試驗(yàn)方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，雙面擊實(shí)各50次，擊實(shí)溫度為165 ℃。經(jīng)試驗(yàn)，PAC-13混合料最佳油石比為4.8%，試件毛體積相對(duì)密度(體積法)為2.070，理論最大相對(duì)密度為2.663，路用性能試驗(yàn)結(jié)果見表7。

表7 PAC-13混合料路用性能試驗(yàn)結(jié)果

4 排水路面施工工藝

由于客觀原因，只施工了左幅K1 247+137～K1 248+272和右幅K1 247+137～K1 248+272、K1 257+687～K1 258+500共3段PAC-13排水路面，右幅K1 272+751～K1 273+730攤鋪了SMA-13表面層。PAC-13瀝青混合料是骨架大空隙的開級(jí)配結(jié)構(gòu)，添加了高黏度添加劑和聚酯纖維，其施工工藝與AC、SMA等瀝青混合料施工要求不同。

4.1 PAC-13瀝青混合料拌和

瀝青拌和樓增加2套摻高黏度添加劑和聚酯纖維的投送設(shè)備，通過管道直達(dá)拌和缸，并與拌和樓的中央控制室連線建立有效的通信系統(tǒng)。2套投送設(shè)備采用稱重計(jì)量，提前標(biāo)定準(zhǔn)確。固定每盤的混合料產(chǎn)量(該項(xiàng)目3 t)，按摻加比例計(jì)算每盤混合料的高黏度添加劑和聚酯纖維的重量，并在投送設(shè)備上設(shè)定。高黏度添加劑和聚酯纖維的足量添加非常關(guān)鍵，不能漏加少加。

按生產(chǎn)配合比試拌試鋪驗(yàn)證后的比例設(shè)定拌和樓參數(shù)(礦料比例、拌和時(shí)間)，將各種粗細(xì)集料、纖維放入拌和缸內(nèi)干拌10 s，然后加入瀝青同時(shí)添加高黏添加劑拌和15 s，最后加入礦粉拌和35 s?；旌狭蠎?yīng)拌和均勻、顏色一致、所有礦料顆粒全部裹覆瀝青結(jié)合料，無花白料、結(jié)團(tuán)、離析或嚴(yán)重的粗細(xì)料分離現(xiàn)象。在施工過程中，應(yīng)根據(jù)級(jí)配篩分試驗(yàn)，調(diào)整各種礦料比例，保證混合料級(jí)配滿足設(shè)計(jì)要求?；旌狭铣鰪S溫度為175～185 ℃，超過195 ℃或低于165 ℃應(yīng)廢棄。

4.2 PAC-13瀝青混合料攤鋪

在正常路段采用1臺(tái)單機(jī)功率≥260 kW的大功率攤鋪機(jī)半幅全斷面(11.75 m)一次攤鋪成型，在互通內(nèi)加、減速車道等加寬路段，增加1～2臺(tái)攤鋪機(jī)同步攤鋪，避免冷接縫。攤鋪機(jī)兩側(cè)采用非接觸式平衡梁找平和控制厚度。松鋪系數(shù)為1.25，攤鋪速度為2.0 m/min，基本與拌和樓產(chǎn)量匹配。熨平板的振動(dòng)、振搗頻率應(yīng)視攤鋪面情況適當(dāng)調(diào)整，既要保證初始?jí)簩?shí)度，也不能使集料破損、瀝青膜損壞?；旌狭蠑備仠囟炔坏陀?60 ℃

4.3 PAC-13瀝青混合料壓實(shí)

配置4臺(tái)工作質(zhì)量13 t的雙鋼輪壓路機(jī)和2臺(tái)工作質(zhì)量30 t膠輪壓路機(jī)。高黏度改性瀝青的黏度大，必須趁高溫及時(shí)碾壓才能確保壓實(shí)效果。為了減少混合料溫度損失，3臺(tái)雙鋼輪壓路機(jī)并排緊跟攤鋪機(jī)初壓，采用靜壓的方式碾壓，溫度不低于155 ℃，碾壓區(qū)長度控制為20～25 m，以盡快使表面壓實(shí)，減少熱量散失，碾壓速度應(yīng)控制為2～3 km/h，碾壓遍數(shù)4遍。復(fù)壓采用2臺(tái)膠輪壓路機(jī)，上膠輪壓路機(jī)的時(shí)機(jī)必須控制好，混合料溫度控制為70～90 ℃，溫度太高將會(huì)出現(xiàn)空隙率偏小、表面致密，降低排水效果，溫度太低，起不到壓實(shí)效果。當(dāng)混合料黏碾壓輪時(shí)，及時(shí)用噴霧器噴灑少量植物油。復(fù)壓速度控制為3～5 km/h，碾壓遍數(shù)2遍。終壓采用1臺(tái)雙鋼輪壓路機(jī)緊接在復(fù)壓后進(jìn)行，以消除輪跡、缺陷和保證有較好平整度，終壓速度應(yīng)控制為3～5 km/h，碾壓遍數(shù)為1遍。

5 排水路面檢測

(1) 按照J(rèn)TG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，對(duì)3段PAC-13排水路面各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測，均達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。壓實(shí)度、厚度、空隙率、滲水系數(shù)、構(gòu)造深度、橫向力系數(shù)等關(guān)鍵指標(biāo)檢測結(jié)果如表8所示。

表8 PAC-13排水路面關(guān)鍵項(xiàng)目檢測結(jié)果

(2) 剎車距離測試。為了驗(yàn)證排水瀝青路面的抗滑性能，測試了同一車輛在不同類型瀝青表面層上以相同速度行駛時(shí)的剎車距離。測試天氣為小雨天，測試車輛為雷諾SUV，路面為相鄰路段的PAC-13排水瀝青路面和SMA-13路面，其剎車距離分別為11.5、16.7 m，說明排水路面具有優(yōu)良的抗滑性能。

6 結(jié)論

(1) 通過通車后幾個(gè)月的跟蹤觀察，目前PAC-13排水路面路況和排水效果良好。

(2) 從混合料的路用性能和路面實(shí)體檢測結(jié)果看，PAC-13排水路面既具有優(yōu)良的排水能力、抗滑性能，又有足夠的高溫抗車轍性能和抗水損壞性能，耐久性需要長期持續(xù)跟蹤調(diào)查。

(3) PAC-13瀝青路面是“石-石”點(diǎn)接觸的骨架大空隙結(jié)構(gòu)，必須采用優(yōu)質(zhì)的集料和高黏度改性瀝青膠結(jié)料，才能保證路面結(jié)構(gòu)的路用性能和耐久性。

(4) 在多雨地區(qū)，單層或雙層排水路面具有廣闊的應(yīng)用前景，在路面結(jié)構(gòu)、高黏度改性瀝青、施工工藝以及養(yǎng)護(hù)工藝、養(yǎng)護(hù)設(shè)備等方面應(yīng)進(jìn)行持續(xù)研究。