高溫多雨地區(qū)排水瀝青路面設(shè)計(jì)分析

彭秋影

(黑龍江省公路勘察設(shè)計(jì)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 前 言

高速公路早期瀝青路面損壞較快，對(duì)路面使用造成極大影響，不僅會(huì)導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失嚴(yán)重，而且會(huì)造成不良社會(huì)影響。必須針對(duì)高溫多雨地區(qū)氣候特點(diǎn)，研究瀝青路面早期水損害以及車轍機(jī)理和防治措施，才可設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的排水瀝青路。文章將主要以南方高溫多雨地區(qū)瀝青路面為例，分析研究相關(guān)設(shè)計(jì)方案。

1 瀝青路面主要病害

1.1 高溫地區(qū)瀝青路面主要病害

在南方炎熱地區(qū)，瀝青路面需滿足一定的高溫穩(wěn)定性，保證車輛碾壓下，瀝青混合料具備防止路面永久形變能力[1]。高溫穩(wěn)定性病害主要有車轍、搓板、擁包等現(xiàn)象。相關(guān)南方高溫多雨地區(qū)路面調(diào)查情況如圖1所示。

圖1 瀝青路面高溫穩(wěn)定性不足表現(xiàn)形式

車轍病害主要原因在于高溫地區(qū)經(jīng)受來往車輛反復(fù)碾壓，瀝青路面產(chǎn)生永久性變形，造成車轍深度累積。轍槽深度明顯處對(duì)應(yīng)的路面層厚度變薄，瀝青層整體強(qiáng)度也會(huì)隨之降低，引發(fā)其他病害。如若遇到雨季時(shí)期，路面排水不通暢的情況，車轍積水嚴(yán)重將會(huì)使得車輛漂移，造成交通事故發(fā)生。其他病害產(chǎn)生的主要原因是因?yàn)闉r青路面在高溫作用下，路面面層抗剪切能力降低。這些病害主要出現(xiàn)在路拌、貫入、表處等次高級(jí)瀝青路面交道口以及邊坡路段中。

1.2 多雨地區(qū)瀝青路面主要病害

南方多雨季節(jié)時(shí)期，雨水會(huì)滲入路面下破壞瀝青與集料間原有的粘結(jié)附著性，導(dǎo)致產(chǎn)生各種各樣的水損害。具體表現(xiàn)形式為水浸入后，集料顆粒表面形成水膜，提高集料與集料之間的潤滑程度導(dǎo)致摩擦力隨之降低，同時(shí)集料間的粘結(jié)程度也隨之降低而松散性加強(qiáng)，造成集料間整體性降低[2]。除此之外，水浸入明顯降低了瀝青與顆粒之間的粘附性，使得瀝青從顆粒表現(xiàn)脫落，減少集料與集料之間的粘結(jié)作用，增加集料松散性，降低集料間整體性。相關(guān)南方多雨地區(qū)瀝青路研究表明，水損害主要表現(xiàn)形式包括松散、剝離以及坑洞等。

2 南方高溫多雨地區(qū)排水瀝青路設(shè)計(jì)概述

雨天潮濕路面抗滑性能不足是影響行車安全的一大因素?？够圆蛔闩c瀝青路面路表結(jié)構(gòu)分布狀態(tài)有關(guān)，另一方面，道路S型曲線中部超高過渡段與凹曲線底部合成坡度較小，易積水形成厚水膜。有研究表明，厚水膜路段摩擦系數(shù)系數(shù)下降50%左右，行車事故將會(huì)增加4倍以上。開級(jí)配瀝青磨耗層OGFC，是一種大孔隙瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的連通內(nèi)部孔隙可以實(shí)現(xiàn)路表水快速下滲以及排除。因此在路面水膜厚度較大，或者路面排水不暢路段，可設(shè)置OGFC排水路面提高行車安全穩(wěn)定[3]。常用的磨耗層OGFC-13，設(shè)計(jì)空隙率一般為18%～22%，排水瀝青路面豎向橫向滲水性能與內(nèi)部空隙率呈線性正相關(guān)：空隙率小于15%時(shí)，滲透系數(shù)接近0。OGFC排水路面粗集料“點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)”使得其力學(xué)性能與傳統(tǒng)密實(shí)型混合料之間存在較為明顯差異，因此在配比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)關(guān)注排水性能以及抗車轍變形性能。相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)表明，OGFC路面后期使用時(shí)，容易出現(xiàn)耐久性問題，其中包括空隙堵塞、車轍變形以及松散掉粒等病害，解決排水路面長期路用性能的關(guān)鍵為平衡OGFC路面排水功能以及結(jié)構(gòu)力學(xué)性能。

一般情況下，排水瀝青路面設(shè)計(jì)選用高黏度改性瀝青，以此來改善膠結(jié)料粘結(jié)性能。為了保證排水連通空隙，國內(nèi)選擇不摻加纖維，由此產(chǎn)生了許多耐久性問題。文章通過某南方高速公路項(xiàng)目，采用改進(jìn)CAVF體積設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行OGFC-13混合料級(jí)配設(shè)計(jì)，通過結(jié)合工業(yè)CT掃描技術(shù)，主要分析摻加纖維前后的混合料空隙率分布狀態(tài)，提出均衡排水功能與力學(xué)性能配合比設(shè)計(jì)方案。通過瀝青膠結(jié)料黏溫試驗(yàn)，對(duì)比高黏度瀝青與普通SBS改性瀝青黏度變化規(guī)律，指導(dǎo)OGFC混合料施工環(huán)節(jié)溫度控制，基于紅外溫度成像儀，選擇溫度較為均勻的區(qū)域，利用無核密度儀檢測(cè)壓實(shí)度，研究不同工藝對(duì)于OGFC-13路面性能影響。

3 CAVF法配合比設(shè)計(jì)

3.1 CAVF法基本原理

3.2 工業(yè)CT原理

采用Compact-225型工業(yè)CT，CT電子輻射發(fā)生器采用225 kV金屬陶瓷X射線管，具體Compact-225型工業(yè)CT性能參數(shù)如表1所示。

表1 Compact-225型工業(yè)CT性能參數(shù)

CT掃描中，獲取的數(shù)據(jù)為體現(xiàn)X射線出射強(qiáng)度投影數(shù)據(jù)圖像。瀝青混合料為非均勻介質(zhì)物體，X射線穿透瀝青混合料，各處衰減系數(shù)不相同，以級(jí)聯(lián)形式表示X射線入射強(qiáng)度以及出射強(qiáng)度關(guān)系時(shí)，可以將瀝青混合料分割成無數(shù)個(gè)小單元計(jì)算。X射線穿透瀝青混合料投影可以用出射強(qiáng)度與入社強(qiáng)度比值負(fù)對(duì)數(shù)表示。具體CT掃描原理示意圖如圖2所示。

圖2 CT掃描原理示意圖

3.3 CT掃描技術(shù)對(duì)瀝青混合料測(cè)試

對(duì)OGFC-13瀝青混合料馬歇爾試件進(jìn)行CT掃描，圖片像素大小為1 024×1 024，斷面各方向像素大小為0.1 mm。處理CT圖像方法有模糊C均值聚類算法、閾值分割法以及EM算法。研究表明，這三種CT圖像處理方法都能有效區(qū)分瀝青、集料以及背景等，其中閾值分割法處理速度以及處理效果與實(shí)際結(jié)構(gòu)最接近。具體CT圖像處理流程如圖3所示。

圖3 CT圖像處理流程

3.4 目標(biāo)空隙率級(jí)配設(shè)計(jì)

研究項(xiàng)目所在位置處于亞熱帶以及熱帶氣候，平均氣溫為21.8 ℃，年均降水量可達(dá)到1 789.3 mm，是典型的高溫多雨區(qū)，因此對(duì)于瀝青路面耐久性以及排水性能，是巨大挑戰(zhàn)。項(xiàng)目OGFC-13涉及空隙率為21%，礦粉以及水泥添加量均為1.5%，有效瀝青體積為10.5%。

3.5 CT掃描技術(shù)排水路面空隙率分布

在確定除瀝青外的各檔材料摻配比例時(shí)，也應(yīng)確定最終油石比：一種為添加瀝青時(shí)的油石比；另一種為添加瀝青以及纖維時(shí)的油石比。研究這兩種油石比，各檔集料添加比例一致，級(jí)配1采用4.9%油石比；級(jí)配2采用5.2%油石比，另添加0.3%木質(zhì)素纖維，瀝青為高黏度瀝青。每種級(jí)配分別成型三個(gè)馬歇爾試件，通過密度試驗(yàn)計(jì)算，得出級(jí)配1以及級(jí)配2空隙率均值都為20.9%[5]。將試件自然風(fēng)干后，質(zhì)量不再變化，采用X-rayCT掃描試件，掃描斷面為試件橫斷面，橫斷面間距3 mm，掃描21張圖像。按照CT圖像處理流程，利用MATLABbwselect函數(shù)計(jì)算每一個(gè)斷面空隙率，分析空隙率分布情況。試驗(yàn)結(jié)果表明兩種配比試件頂部切片空隙率都較大，其中配比1空隙率更大。距頂部高度下降時(shí)，混合料空隙率變小。配比1試件底部空隙率下降趨勢(shì)較為明顯，通過結(jié)合混合料試件情況，在馬歇爾試件成型過程中，瀝青膠漿沉底；配比2試件空隙率分布曲線較為穩(wěn)定，加入纖維有助于吸收并擴(kuò)散混合料多余自由瀝青，促進(jìn)內(nèi)部空隙率分布均勻。

3.6 排水功能與結(jié)構(gòu)耐久性配合比

試驗(yàn)結(jié)果表明，兩個(gè)級(jí)配空隙率和滲水系數(shù)指標(biāo)相差不大，但對(duì)于60 ℃動(dòng)穩(wěn)定度，配比2(高油量+纖維)動(dòng)穩(wěn)定度值要比配比1(低油量)動(dòng)穩(wěn)定度值高出20%左右。因此，當(dāng)空隙率一定，采用高油量+纖維級(jí)配，可提高OGFC-13瀝青混合料高溫抗變形性能。除此之外，研究表明，排水式路面大空隙率，可增大瀝青結(jié)合料與空氣接觸表面積，易受到外界腐蝕老化。若適當(dāng)加入瀝青用量，摻加纖維穩(wěn)定劑，可顯著提高大孔隙瀝青混合料耐久性能。具體混合料性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如表2所示。

表2 混合料性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，兼顧OGFC排水功能和結(jié)構(gòu)路用性能基礎(chǔ)，確定生產(chǎn)配比：碎石11～16 mm；碎石6～11 mm；碎石3.5～6 mm；集料、礦粉、水泥質(zhì)量比例為32∶50∶4∶11∶1.5∶1.5，油石比為5.2%，木質(zhì)素纖維穩(wěn)定劑摻量為0.3%。

3.7 排水路面施工質(zhì)量控制關(guān)鍵技術(shù)

(1)高黏度瀝青黏溫特性

應(yīng)對(duì)OGFC混合料高黏度瀝青進(jìn)行布氏黏度試驗(yàn)，確定碾壓溫度區(qū)間，較好指導(dǎo)OGFC瀝青路面施工?？蛇x用SBS改性瀝青與高黏度瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，研究在不同溫度下，改性瀝青與高黏度瀝青的黏度差異。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 瀝青黏溫試驗(yàn)結(jié)果

由表可見，瀝青溫度高于120 ℃時(shí)，高黏度瀝青黏度比SBS改性瀝青黏度高20%～87%左右。低于110 ℃時(shí)，兩種瀝青黏度急劇增加。根據(jù)相關(guān)要求，排水瀝青路面收光溫度范圍應(yīng)控制在80～100 ℃。實(shí)際項(xiàng)目中，在80～100 ℃范圍排水瀝青層表面壓實(shí)效果一般，而且會(huì)損壞表面集料棱角。由此可見，項(xiàng)目應(yīng)提高收光溫度。

(2)不同碾壓工藝

通過OGFC-13試驗(yàn)，分析三種碾壓工藝對(duì)OGFC-13路面性能影響。具體碾壓方案如圖4所示。

表4 碾壓方案

4 結(jié) 論

通過具體分析南方某高速公路項(xiàng)目，采用CAVF法設(shè)計(jì)排水路面結(jié)構(gòu)，利用CT掃描技術(shù)處理空隙率分布情況等研究，討論高溫多雨地區(qū)排水瀝青路設(shè)計(jì)，延長排水瀝青路使用壽命。