鐵路瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)防水性能研究

張世杰

中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055

路基溫度、含水量變化將導(dǎo)致路基不均勻變形，從而影響軌道結(jié)構(gòu)的平順性與耐久性，成為鐵路運(yùn)行安全的重大隱患之一，同時(shí)也給鐵路養(yǎng)護(hù)維修造成很大的困難［1］。路基防水封閉層作為防排水體系的重要組成部分，是阻止表面水向路基結(jié)構(gòu)內(nèi)部滲透的外部屏障，對(duì)減小路基水分變化、防治路基病害有著不可替代的作用。因此，高速鐵路路基的防水封閉效果對(duì)路基長(zhǎng)期服役性能至關(guān)重要。

2000年后，我國(guó)開(kāi)始將瀝青混凝土引入高速鐵路工程建設(shè)，主要采用線間和路肩封閉的形式，因高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的高標(biāo)準(zhǔn)要求和施工要求對(duì)工藝的限制，瀝青混凝土防水封閉技術(shù)僅在遂渝試驗(yàn)段、京津城際鐵路、武廣客運(yùn)專線等線路進(jìn)行了有限的應(yīng)用，實(shí)際效果表明無(wú)法充分發(fā)揮其應(yīng)有的防水封閉作用［2］。中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司提出了全斷面瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)（圖1），即在基床表層與混凝土底座之間全斷面鋪設(shè)一定厚度的瀝青混凝土，以實(shí)現(xiàn)對(duì)路基的防水保護(hù)［3］。

圖1 全斷面瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)示意

本文在綜述國(guó)內(nèi)外瀝青混凝土滲水特性研究的基礎(chǔ)上，確定了瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)的材料選型原則，依托京張高速鐵路工程評(píng)價(jià)鐵路瀝青混凝土封閉結(jié)構(gòu)的防水性能。

1 瀝青混凝土滲水特性的研究現(xiàn)狀

國(guó)外使用瀝青混凝土?xí)r間較早，因而對(duì)瀝青混凝土滲水特性的研究也相對(duì)較早，研究成果也較為豐富。Holtz［4］對(duì)多孔材料的滲透性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)影響其滲透性的主要因素包括空隙大小、空隙形狀、空隙尺寸、材料飽和度等。Zube［5］對(duì)瀝青混凝土空隙率及其滲透性能進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)空隙率低于8%時(shí)，瀝青混凝土的滲水系數(shù)基本為0，說(shuō)明其具有良好的防水性能；當(dāng)空隙率大于8%時(shí)，瀝青混凝土的空隙率越大，其滲水性能越強(qiáng)。Brown等［6］也通過(guò)試驗(yàn)得到近似的試驗(yàn)規(guī)律。Roberts等［7］指出當(dāng)空隙率低于3%時(shí)瀝青混凝土較為密實(shí)，其強(qiáng)度主要為黏結(jié)力，內(nèi)摩阻力占比較低；當(dāng)空隙率超過(guò)8%時(shí)，空氣和水分容易侵入到瀝青混凝土內(nèi)部，造成瀝青混凝土的老化，從而引起瀝青混凝土的早期開(kāi)裂和松散剝落等病害的發(fā)生。Mallick等［8］研究了瀝青混凝土空隙率和結(jié)構(gòu)層厚度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)集料最大公稱粒徑不同，瀝青混凝土的滲水性能也會(huì)存在較大的差異。Molenaar等［9］重點(diǎn)對(duì)瀝青混凝土空隙率與層間黏結(jié)層的滲水特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)空隙率越大，層間黏結(jié)層的滲水能力越強(qiáng)。Richardson［10］針對(duì)排水性路面進(jìn)行研究，結(jié)果表明當(dāng)排水性路面材料沒(méi)有層理結(jié)構(gòu)時(shí)，其橫縱向滲透系數(shù)基本相等。Lindly等［11］采用常水頭和變水頭法測(cè)試了材料的滲透系數(shù)，對(duì)于滲透系數(shù)大于10-2cm∕s滲透性較強(qiáng)的材料可采用常水頭法，反之則更適用于變水頭法。Kutay等［12］利用X?ray CT技術(shù)研究瀝青混凝土滲透性與水損害的關(guān)系，研究結(jié)果表明瀝青混凝土的滲透性與水壓力關(guān)系密切，動(dòng)水壓力下材料的滲透系數(shù)更大，且滲透性越強(qiáng)，瀝青混凝土越容易出現(xiàn)水損害。

國(guó)內(nèi)對(duì)于瀝青混凝土材料滲水特性的研究起步相對(duì)較晚。但漢成等［13］采用改進(jìn)的滲水試驗(yàn)測(cè)試儀器對(duì)一高速公路瀝青瑪蹄脂碎石混合料（Stone Matrix Asphalt，SMA）路面進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土層厚度與其抗?jié)B性能成正比，SMA?16路面滲水系數(shù)不大于100 mL∕min，檢測(cè)合格率為90%。易軍艷等［14］提出了AC類(lèi)瀝青混凝土的臨界滲水系數(shù)為100 mL∕min，AC?13、AC?16以及AC?20的臨界空隙率分別為7%、6%、5%，并發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土空隙率越大、集配越粗、結(jié)構(gòu)層厚度越小，瀝青混凝土的滲透系數(shù)越大，采用臨界滲水系數(shù)和臨界空隙率的雙重指標(biāo)控制，可有效降低水損害發(fā)生的概率。陳景等［15］驗(yàn)證了達(dá)西定律研究瀝青混凝土滲水性能的適用性，發(fā)現(xiàn)了空隙率大于7%時(shí)瀝青混凝土的滲水系數(shù)會(huì)急劇增大，最后建議在配合比階段公稱最大粒徑小于19 mm AC類(lèi)的滲水系數(shù)應(yīng)小于等于120 mL∕min。王薇［16］利用灰關(guān)聯(lián)分析法和滲水試驗(yàn)，確定了空隙率、小于2.36 mm顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、瀝青針入度為影響瀝青混凝土滲水性能的三大影響因素。

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞瀝青混凝土的滲水特性開(kāi)展大量研究工作，重點(diǎn)從試驗(yàn)方法、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試、影響因素、滲水特性與水損害關(guān)系等方面開(kāi)展研究，但尚未涉及配合比設(shè)計(jì)階段材料選型與瀝青混凝土滲水特性的關(guān)系研究。

2 瀝青混凝土材料設(shè)計(jì)原理

瀝青混凝土在宏觀上是包含了一種多級(jí)空間網(wǎng)狀礦料結(jié)構(gòu)、空隙及瀝青砂漿的均勻混凝土材料。根據(jù)混凝土中骨料結(jié)構(gòu)的空間分布狀態(tài)及其與瀝青砂漿的相對(duì)比例，可將瀝青混凝土分為：懸浮-密實(shí)型、骨架-空隙型及骨架-密實(shí)型三類(lèi)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖2 瀝青混凝土的結(jié)構(gòu)類(lèi)型與外觀狀態(tài)

1）懸浮-密實(shí)型的瀝青混凝土多采用連續(xù)型密級(jí)配，但各級(jí)集料均被次級(jí)集料所隔開(kāi)，相互之間不能形成骨架結(jié)構(gòu)，即粗集料懸浮于細(xì)集料和瀝青膠漿之間。其基本特點(diǎn)為：密實(shí)度高，防水性好，黏聚力高，內(nèi)摩擦角低，低溫抗裂性、耐久性較好，但高溫穩(wěn)定性較差。懸浮-密實(shí)型的瀝青混凝土典型代表為連續(xù)密級(jí)配瀝青混凝土AC。

2）骨架-空隙型瀝青混凝土的典型代表為開(kāi)級(jí)配排水式瀝青磨耗層（Open?graded Friction Courses，OGFC），其采用連續(xù)開(kāi)級(jí)配，以較多的粗集料形成嵌擠結(jié)構(gòu)，采用較少的細(xì)集料以形成較大的連通空隙。骨架-空隙型瀝青混凝土具有透水性，目前在市政行業(yè)海綿城市中應(yīng)用較多。經(jīng)合理設(shè)計(jì)與施工的骨架-空隙型瀝青混凝土其高溫穩(wěn)定性好，但由于細(xì)集料含量少，空隙未能充分填充，其耐水害、抗疲勞和耐久性能較差，所以一般要求采用高黏稠瀝青，以防止瀝青老化和剝落。

3）骨架-密實(shí)型瀝青混凝土的典型代表為瀝青瑪蹄脂碎石混凝土SMA，其采用間斷級(jí)配，粗集料形成骨架，細(xì)集料充分填充骨架空隙。骨架-密實(shí)型瀝青混凝土兼具了懸浮-密實(shí)型和骨架-空隙型的優(yōu)點(diǎn)，具有密實(shí)度較大，黏聚力高，內(nèi)摩擦角大，高溫、低溫、抗疲勞性能較好等特點(diǎn)，但間斷級(jí)配在拌和、攤鋪等過(guò)程中易產(chǎn)生離析現(xiàn)象，施工質(zhì)量難以保證，對(duì)瀝青混凝土的施工質(zhì)量控制技術(shù)提出了較高要求。

鐵路瀝青混凝土的首要功能是作為不透水層為路基提供防水保護(hù)，結(jié)合懸浮-密實(shí)型、骨架-空隙型及骨架-密實(shí)型三類(lèi)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，骨架-空隙型瀝青混凝土無(wú)法滿足鐵路瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)的功能要求。骨架-密實(shí)型瀝青混凝土對(duì)施工控制技術(shù)要求較高，從技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度，最終推薦采用懸浮-密實(shí)型瀝青混凝土作為鐵路瀝青混凝土的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，并且主要以AC類(lèi)為主。

3 配合比設(shè)計(jì)

瀝青混凝土在組成上可視為由瀝青、集料和空隙組成，三者的相互關(guān)系常采用礦料間隙率、空隙率與瀝青飽和度表征，具體由各組成材料的相對(duì)密度及瀝青混凝土的相對(duì)密度計(jì)算確定?？障堵适侵笧r青混凝土內(nèi)部礦料及瀝青以外的體積占其總體積的百分率；礦料間隙率則指瀝青混凝土中，全部礦料毛體積以外的體積占瀝青混凝土毛體積的百分率；瀝青飽和度則指礦料間隙被瀝青填充的程度。

瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)的目的是根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)要求，合理確定礦料級(jí)配和最佳瀝青用量的過(guò)程，使得瀝青混凝土的高溫、低溫、抗疲勞、抗水損害等性能達(dá)到平衡，保持良好的工作狀態(tài)。目前瀝青混凝土的配合比設(shè)計(jì)方法主要分為三類(lèi)：①經(jīng)驗(yàn)法，如馬歇爾設(shè)計(jì)法。②基于相關(guān)性能的設(shè)計(jì)法，以法國(guó)的EME設(shè)計(jì)法為代表。③基于路用性能的設(shè)計(jì)法，以Superpave設(shè)計(jì)法為代表。無(wú)論上述哪種設(shè)計(jì)方法，其基礎(chǔ)均為瀝青混凝土的體積參數(shù)設(shè)計(jì)。鐵路瀝青混凝土配合比設(shè)計(jì)方法在綜合吸收方法①和③成果的基礎(chǔ)上，采用馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)體系進(jìn)行瀝青混凝土的配合比設(shè)計(jì)。

在所用原材料確定的情況下，瀝青混凝土的材料設(shè)計(jì)主要是通過(guò)優(yōu)化礦料級(jí)配與調(diào)整瀝青用量來(lái)實(shí)現(xiàn)瀝青混凝土綜合性能的優(yōu)化與平衡設(shè)計(jì)。近年來(lái)隨著對(duì)瀝青混凝土研究的深入，發(fā)現(xiàn)礦料的骨架狀態(tài)、瀝青砂漿的性能以及瀝青與礦料的相互作用對(duì)瀝青混凝土的高溫、低溫、抗疲勞性能及抗水損害能力等有決定性影響。

在充分調(diào)研與分析國(guó)內(nèi)外瀝青混凝土礦料級(jí)配的基礎(chǔ)上，采用馬歇爾穩(wěn)定度設(shè)計(jì)方法，按照懸浮-密實(shí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最終確定京張城際鐵路瀝青混凝土的礦料級(jí)配范圍，見(jiàn)表1。

表1 瀝青混凝土的礦料級(jí)配范圍

4 防水效果評(píng)價(jià)

根據(jù)JTGE60—2008《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》中瀝青混凝土滲水系數(shù)的測(cè)試方法的規(guī)定，以水面從100 mL水量下降到50 mL水量所需的時(shí)間為標(biāo)準(zhǔn)，若滲水時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也可以采用3 min通過(guò)的水量計(jì)算。滲水系數(shù)Cw的計(jì)算公式為

式中：V1為第一次計(jì)時(shí)時(shí)的水量，通常為100 mL；V2為第二次計(jì)時(shí)時(shí)的水量，通常為500 mL；t1為第一次計(jì)時(shí)的時(shí)間；t2為第二次計(jì)時(shí)的時(shí)間。

按照區(qū)間正線路基沿線路縱向連續(xù)長(zhǎng)度每500 m、站場(chǎng)路基折合正線雙線每500 m不少于5個(gè)測(cè)點(diǎn)的頻率進(jìn)行檢驗(yàn)，其代表性測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 代表性測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》密級(jí)配瀝青混凝土的滲水系數(shù)應(yīng)不超過(guò)120 mL∕min。京張工〔2018〕133號(hào)《新建北京至張家口城際鐵路碾壓式瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)技術(shù)要求（暫行）》中明確規(guī)定瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)的滲水系數(shù)應(yīng)小于等于60 mL∕min，可為路基提供良好的防水保護(hù)。由表2可知，京張城際鐵路瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)的滲水系數(shù)為3.33 mL∕min，滿足相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，可有效防止水分侵入路基，進(jìn)而降低路基凍害的發(fā)生概率。

5 結(jié)語(yǔ)

1）建議鐵路瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)選用懸浮-密實(shí)結(jié)構(gòu)，以AC類(lèi)瀝青混凝土為主。

2）可采用馬歇爾穩(wěn)定度設(shè)計(jì)方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，并提出瀝青混凝土的建議級(jí)配范圍。

3）現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的滲水系數(shù)均小于等于60 mL∕min，說(shuō)明瀝青混凝土防水封閉結(jié)構(gòu)具有良好的防排水性能，可降低路基凍脹、翻漿冒泥等病害的發(fā)生概率。