排水瀝青路面在川東高溫多雨區(qū)的應(yīng)用與性能跟蹤檢測(cè)

譚舉鴻, 黃晚清, 曹明明

(四川省交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 成都 610017)

排水瀝青路面壓實(shí)后空隙率為18%～25%,具有改善路面抗滑、減少雨天行車水霧和夜間行車眩光,提高行車安全、舒適和降低噪聲的功能,應(yīng)用廣泛[1-3]。該類路面在美國和西歐等發(fā)達(dá)國家于20世紀(jì)七八十年代已有較廣泛的應(yīng)用,日本在20世紀(jì)九十年代開始大量應(yīng)用[4]。我國對(duì)排水瀝青路面的研究起步較晚,2000年以后陸續(xù)開展相關(guān)技術(shù)研究,迄今20多年,目前技術(shù)日趨成熟,在我國10多個(gè)省市得到推廣應(yīng)用。已有研究表明:1) 排水瀝青路面能有效降低雨天行車事故,如日本修筑排水瀝青路面試驗(yàn)段的觀測(cè)指出,鋪筑1年后雨天交通事故由鋪筑前的1 525次減少至227次,減少了80%,基本與晴天的事故率相當(dāng)[5-7];2) 排水瀝青路面具有顯著的降噪特性,美國加利福尼亞州測(cè)試數(shù)據(jù)顯示,相對(duì)密級(jí)配瀝青路面,排水瀝青路面的噪聲會(huì)減小3 dB～6 dB(A),這與Kandhal通過一系列深入研究和幾個(gè)歐洲國家及加拿大的測(cè)試數(shù)據(jù)所得結(jié)論一致;美國馬里蘭州1990年的研究認(rèn)為,排水瀝青路面的噪聲相對(duì)密級(jí)配瀝青路面減小2.3 dB～3.6 dB(A),俄勒岡州的研究則認(rèn)為可減小5.7 dB～5.8 dB(A)[8]。

排水瀝青路面混合料采用骨架空隙結(jié)構(gòu),空隙率約20%,這種大空隙結(jié)構(gòu)能顯著提高行車安全性、舒適性,降低噪聲[9],但在材料、工藝相同的條件下,會(huì)降低混合料的強(qiáng)度。另外,隨著運(yùn)營時(shí)間的延長,會(huì)產(chǎn)生空隙堵塞現(xiàn)象,導(dǎo)致排水、降噪功能下降,從而影響排水瀝青路面的服務(wù)功能[10-11]。已有研究多基于室內(nèi)試驗(yàn)和數(shù)值模擬方法,與工程實(shí)際有較大差異,即使有少量的研究采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法,但因跟蹤周期較短,尚不能完全表征排水瀝青路面功能特性的衰減[12-13]。

為此,本文依托川東高溫多雨區(qū)某高速公路試驗(yàn)段,對(duì)排水瀝青路面混合料進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)施工與測(cè)試,以及7年路用性能跟蹤檢測(cè),研究其應(yīng)用性能,并進(jìn)行跟蹤評(píng)價(jià)。

1 工程概況

川東某高速公路沿線地區(qū)多年平均氣溫17.3 ℃～17.6 ℃,多年月平均氣溫在20 ℃以上。夏熱期為5月—9月,其中7月、8月最高,極端最高氣溫40.5 ℃～41.3 ℃;平均低于10 ℃的冬寒期僅12月—2月3個(gè)月,其中1月平均6.6 ℃,為全年最低月份,極端最低氣溫-2.3 ℃～3.8 ℃。區(qū)內(nèi)空氣潮濕,多年平均降水量1 014 mm～1 282 mm,主要集中在5月—9月,最大日降水量182.7 mm,多年平均相對(duì)濕度76%～82%。區(qū)域內(nèi)空氣濕度大,日照少,為輻射低值區(qū)。該區(qū)域降雨量較大,且交通組成以小型車輛為主,重載交通相對(duì)較少,適宜采用排水瀝青路面。因此,2015年在該高速公路K21+000～K25+000和K61+000～K55+000段鋪設(shè)了4 cm排水瀝青路面(PAC-13)試驗(yàn)段。

2 混合料試驗(yàn)結(jié)果

2.1 瀝青結(jié)合料

大量工程實(shí)踐表明,瀝青膠結(jié)料的性能對(duì)排水瀝青路面的耐久性有決定性影響,采用改性瀝青可使排水瀝青路面的瀝青膜厚度增加30%～40%,從而減少老化和剝落。日本要求高粘度改性瀝青在60 ℃時(shí)瀝青的動(dòng)力粘度要求大于20 000 Pa·s,目的是提高和改善與水接觸作用的高抗剝離性及骨料間的高粘結(jié)性。試驗(yàn)用高粘改性瀝青測(cè)試結(jié)果如表1所示,滿足文獻(xiàn)[14-15]的要求。

表1 高粘改性瀝青技術(shù)要求

2.2 粗集料

排水瀝青混合料粗集料比例占80%～85%,其品質(zhì)特性及粗集料部分的級(jí)配組成會(huì)對(duì)排水瀝青混合料性能產(chǎn)生重要影響,且影響程度遠(yuǎn)超密級(jí)配的瀝青混合料。排水瀝青混合料應(yīng)采用更高品質(zhì)的石料,即壓碎值小、軟石含量少、針片狀少、形狀方正的石料,具體技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 排水瀝青混合料用粗集料質(zhì)量技術(shù)要求

2.3 細(xì)集料

由于排水瀝青混合料空隙率大,受雨水沖刷作用突出,因此,要求細(xì)集料具有優(yōu)良的粘附性。排水瀝青混合料宜采用堿性石料加工的細(xì)集料,禁止使用酸性石料加工的細(xì)集料及與瀝青粘附性差的天然砂。細(xì)集料應(yīng)潔凈、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì),具體技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 排水瀝青混合料用細(xì)集料質(zhì)量技術(shù)要求

2.4 混合料

PAC-13級(jí)配范圍測(cè)試結(jié)果如表4所示。排水瀝青混合料采用馬歇爾試驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)方法,瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表4 排水瀝青混合料PAC-13級(jí)配范圍

表5 排水瀝青混合料技術(shù)要求

3 現(xiàn)場(chǎng)施工

3.1 防水粘結(jié)層施工

為避免排水功能層的雨水橫向排出時(shí)入滲至其下路面結(jié)構(gòu)層內(nèi),且要保證層間粘結(jié),以免排水瀝青混合料脫落,瀝青防水粘結(jié)層施工前需對(duì)下伏層進(jìn)行檢查,確保其平整、干燥、潔凈,無灰塵等雜物,同時(shí)對(duì)存在的裂縫和滲水等病害進(jìn)行處治。為加強(qiáng)防水和層間粘結(jié),試驗(yàn)段采用改性瀝青同步碎石封層作為防水粘結(jié)層。防水粘結(jié)層施工完成后,嚴(yán)禁行人、自行車和各種機(jī)動(dòng)車輛通行,避免造成污染和破壞,同時(shí)應(yīng)及時(shí)跟進(jìn)排水瀝青層的施工。

3.2 排水瀝青混合料拌合

排水瀝青混合料拌合時(shí)間通過試拌確定,以混合料拌合均勻、所有礦料全部均勻裹覆瀝青為度,拌合采用預(yù)混式方法時(shí),拌合時(shí)間不宜少于50 s(其中干拌時(shí)間不應(yīng)少于5 s);采用直投式方法時(shí),拌合時(shí)間不宜少于60 s(其中干拌時(shí)間不應(yīng)少于10 s)。出料溫度低于下限值165 ℃或高于上限值 195 ℃的瀝青混合料必須廢棄處理。排水瀝青混合料嚴(yán)禁使用回收粉,且宜隨拌隨用,不宜存儲(chǔ)。

3.3 排水瀝青混合料運(yùn)輸和攤鋪

排水瀝青混合料的運(yùn)輸和攤鋪與SMA等混合料要求基本類似,但由于排水瀝青混合料空隙率大,熱量散失更快,且常用高粘改性瀝青,粘度大,碾壓溫度相對(duì)較高。攤鋪前將熨平板預(yù)熱至110 ℃以上,攤鋪應(yīng)慢速、均勻、連續(xù)不間斷。

3.4 排水瀝青混合料碾壓及開放交通

排水瀝青混合料的碾壓必須在適宜溫度下進(jìn)行,并應(yīng)均勻碾壓,避免過壓。采用雙鋼輪壓路機(jī)緊跟攤鋪機(jī)靜壓,不得開振,且在碾壓過程中相鄰碾壓帶的重疊約為0 cm～5 cm,避免局部過壓或欠壓。當(dāng)路面溫度下降至約80 ℃～90 ℃時(shí),采用膠輪壓路機(jī)穩(wěn)壓1遍。待攤鋪層完全冷卻,表面溫度低于50 ℃方可開放交通。

4 排水瀝青路面功能測(cè)試

4.1 構(gòu)造深度及摩擦系數(shù)

依據(jù)《公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》(JTG 3450—2019)[16],采用手工鋪砂法測(cè)定排水瀝青路面構(gòu)造深度為1.88 mm,采用DF儀對(duì)排水瀝青路面動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果如圖1所示。由圖1可看出,摩擦系數(shù)整體均呈現(xiàn)隨車速增加而減小,在車速超過50 km/h后基本維持不變。

4.2 剎車距離

雨天后,采用同一測(cè)試車輛哈弗H5越野車對(duì)排水瀝青路面PAC-13和瀝青瑪蹄脂路面SMA-13進(jìn)行剎車距離檢測(cè),如圖2所示。行駛速度分別為50 km/h、80 km/h時(shí),剎車距離檢測(cè)結(jié)果如表6所示。與SMA路面相比,排水瀝青路面的剎車距離減少了30%左右,80 km/h速度可在18 m左右范圍內(nèi)停車,說明雨天時(shí)排水瀝青路面的抗滑效果明顯提高,極大地減少了雨天行車安全事故。

圖2 剎車距離測(cè)試

表6 剎車距離檢測(cè)結(jié)果

4.3 降噪性能

雨天后,對(duì)排水瀝青路面PAC-13和瀝青瑪蹄脂路面SMA-13進(jìn)行降噪性能測(cè)試,測(cè)試方法為:采用噪聲測(cè)試儀測(cè)試同一車輛在不同路面結(jié)構(gòu)上以不同速度行駛時(shí)產(chǎn)生的噪音,測(cè)試車輛為哈弗H5越野車,噪聲測(cè)試儀距路面表面高度約0.4 m,距測(cè)試車輛中心水平距離6 m,傳聲器平行于路面,其軸線垂直于車輛行駛方向,結(jié)果如表7所示。從表7可知,排水降噪瀝青表層可降低路面噪音2 dB～5 dB,速度越快降噪效果越明顯,極大地提高了行車舒適性。

表7 噪聲檢測(cè)記錄

4.4 排水功能

采用快速滲水測(cè)試儀對(duì)排水瀝青路面排水功能進(jìn)行了測(cè)試,如圖3所示。該測(cè)試儀通過數(shù)據(jù)線與電腦連接,人工操作電腦自動(dòng)進(jìn)行滲水試驗(yàn),試驗(yàn)方法參見規(guī)范《排水瀝青路面設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3350-3—2020)[14]中附錄D,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示,排水瀝青路面施工完成時(shí)滲水系數(shù)測(cè)值為5 500 mL/min～6 000 mL/min左右。這一結(jié)果表明:經(jīng)過7年的運(yùn)營,滲水系數(shù)降低了約50%,但滲水系數(shù)均值仍可達(dá)到2 830.41 mL/min,且部分點(diǎn)位測(cè)值仍在3 000 mL/min以上,仍具有良好的排水性能。

圖4 滲水系數(shù)檢測(cè)結(jié)果

綜上分析,由于排水瀝青路面具有良好的抗滑和排水性能,因此,雨天行車可大幅降低水膜厚度、避免濺起水霧,夜間行車可大幅減少眩光,保證行車安全和舒適。

5 排水瀝青路面技術(shù)狀況跟蹤測(cè)試

建成通車以來,排水瀝青路面損壞技術(shù)狀況指數(shù)PCI變化如圖5所示。由圖5知,自運(yùn)營至2020年,即運(yùn)營5年來,各路段路面損壞狀況指數(shù)PCI均在97以上,2021年不少路段有一定幅度的衰減,進(jìn)一步分析檢測(cè)資料發(fā)現(xiàn),主因是2021年路面開始出現(xiàn)了一定的橫向裂縫,經(jīng)過灌縫處理后,路面損壞狀況指數(shù)PCI(2022年)又恢復(fù)到了較高的水平,均評(píng)定為優(yōu)。

圖5 運(yùn)營期間路面技術(shù)狀況指標(biāo)變化

根據(jù)《公路技術(shù)狀況評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 5210—2018)[17]對(duì)通車運(yùn)營7年后的排水瀝青路面技術(shù)狀況進(jìn)行了檢測(cè)和評(píng)定,結(jié)果如圖6所示。

圖6 通車7年后路面技術(shù)狀況指標(biāo)分布

由圖6可知,排水瀝青路面經(jīng)過7年的運(yùn)營后,路面除出現(xiàn)了一定的橫向裂縫外,無其他病害。路面損壞技術(shù)狀況指數(shù)PCI、路面形式質(zhì)量指數(shù)RQI和路面車轍深度指數(shù)RDI均評(píng)定為優(yōu),僅路面抗滑性能指數(shù)SRI評(píng)定為優(yōu)和良,排水瀝青路面經(jīng)過多年運(yùn)營、車輛荷載的反復(fù)作用后,路面僅少量橫向裂縫,無車轍等其他病害,且保持很好的平整度。由于輪胎的反復(fù)磨耗,路面抗滑出現(xiàn)了一定程度的衰減,SRI值在90左右,主要原因是輪胎將包裹集料表面的瀝青膜磨掉后,逐步將集料表面的微觀紋理磨光,導(dǎo)致抗滑損失。

6 結(jié)論

1) 排水瀝青路面構(gòu)造深度均值為1.88 mm,遠(yuǎn)大于密集配的SMA和AC路面。車速超過50 km/h時(shí),車與路面的摩擦系數(shù)基本維持在0.5左右,抗滑性能優(yōu)良;相較SMA路面,雨天排水瀝青路面的剎車距離減少了30%左右,極大地減少了雨天行車事故。

2) 排水瀝青路面具有良好的降噪性能,相較SMA,可降低路面噪音2 dB～5 dB,且速度越快降噪效果越顯著,具有良好的環(huán)保意義。

3) 通車運(yùn)營7年后,排水瀝青路面滲水系數(shù)測(cè)值較施工完成后降低了約50%,但測(cè)值仍可達(dá)2 500 mL/min以上,仍具有良好的排水性能,且持久性較好。

4) 通車運(yùn)營7年后,排水瀝青路面各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)良,路面僅出現(xiàn)少量橫向裂縫,表明排水瀝青路面在川東高溫多雨區(qū)具有良好的適用性。