高溫多雨區(qū)排水瀝青路面排水優(yōu)化設(shè)計(jì)探究

胡財(cái)軍

（廣東交科檢測(cè)有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

高溫多雨區(qū)具有降雨量較大、環(huán)境溫度較高的特點(diǎn)。在該環(huán)境條件下，雨水大量滲入后集料顆粒的表面會(huì)形成水膜，使集料之間的摩擦力降低，瀝青和集料之間的黏結(jié)性會(huì)受到破壞，發(fā)生松散現(xiàn)象，進(jìn)而降低集料之間的整體性；同時(shí)，在高溫作用下，瀝青路面受到車輛循環(huán)碾軋后會(huì)發(fā)生永久變形，出現(xiàn)車轍、鼓包等情況，導(dǎo)致瀝青路面的耐久性和穩(wěn)定性面臨較大挑戰(zhàn)。因此，我國(guó)高溫多雨地區(qū)在公路修建時(shí)，須重點(diǎn)考慮瀝青路面的耐高溫性和排水性能。排水瀝青路面也稱作多孔瀝青路面，該類路面采用多孔瀝青混合料作為面層，同時(shí)將具有較高防水性的黏結(jié)層鋪設(shè)在面層下方，以保證在降雨時(shí)路面積水可通過混合料之間的孔隙排出，確保高效排水，避免面層積水滲透至下層結(jié)構(gòu)中。排水瀝青路面具有一個(gè)顯著特征，即孔隙率很高，通常情況下大于15%，該類路面能夠快速完成雨水排出，從而提升瀝青路面的抗滑性；并且，其較大的孔隙率可降低車輛通過時(shí)產(chǎn)生的輪胎噪音。該類路面在具有上述優(yōu)勢(shì)的情況下，也面臨一定不足：由于其孔隙率較大，孔隙內(nèi)容易存在堵塞現(xiàn)象；受溫度及空氣等因素影響后，會(huì)加速瀝青的老化，路面容易發(fā)生掉粒等情況。因此，為保證瀝青路面排水效果的同時(shí)，保證其耐久性及耐高溫性，須對(duì)瀝青排水路面做優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文以南方典型高溫多雨地區(qū)的公路為例，展開相關(guān)瀝青排水路面優(yōu)化探究，為相關(guān)工程提供可靠參考。

1 排水瀝青路面排水優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 研究區(qū)域概況

為優(yōu)化高溫多雨區(qū)排水瀝青路面排水效果及耐高溫性，本文以我國(guó)江西省某地區(qū)為研究區(qū)域。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)性氣候，年均降雨量在1400mm以上，且該地區(qū)氣候較為濕熱，因此，對(duì)于瀝青路面的排水性和耐高溫性需求標(biāo)準(zhǔn)較高。

本文以該地區(qū)的某改建高速公路為例，開展排水瀝青路面排水優(yōu)化設(shè)計(jì)，在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)，選擇該公路中一段長(zhǎng)度為1.5m的路段完成。該路段為雙向四車道，本文試驗(yàn)采用雙層排水瀝青路面優(yōu)化設(shè)計(jì)，上面層PAC-13采用SBS改性瀝青，下面層PAC-20采用改性瀝青，設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 雙層排水瀝青路面優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

1.2 原材料

在雙層排水瀝青路面優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，瀝青路面所需的原材料包括瀝青、粗集料、細(xì)集料、填料及HVA改性添加劑，其中，HVA改性添加劑的主要作用是對(duì)瀝青進(jìn)行改性。改良后瀝青的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 改良后瀝青的相關(guān)參數(shù)

在選擇雙層排水瀝青路面設(shè)計(jì)方案中的粗集料時(shí)，應(yīng)按照均勻、干燥、潔凈的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選。選擇的粗集料中不能含有風(fēng)化顆粒，且最大程度避免其中存在針片狀顆粒，粗集料還須具備較好的強(qiáng)度和耐久性。

細(xì)集料的選擇標(biāo)準(zhǔn)和粗集料一致，在該標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，須保證細(xì)集料不存在雜質(zhì)，和瀝青之間的黏結(jié)性良好。選擇細(xì)集料時(shí)，須保證顆粒形狀較好、2.36mm的通過率應(yīng)超過90%。

填料也是雙層排水瀝青路面設(shè)計(jì)的重要組成部分。本文試驗(yàn)中采用的填料為石灰?guī)r礦粉，該填料在使用前需采用密封保存，避免其受潮。正常情況下，在使用過程中石灰?guī)r礦粉的添加量約為45%。

1.3 雙層排水瀝青路面測(cè)試試件制備

1.3.1 雙層排水瀝青混合料配合比計(jì)算

依據(jù)上述選擇的原材料制備雙層排水瀝青路面樣本，在制備前，須確定雙層排水瀝青混合料的配合比，配合比將直接影響瀝青路面的應(yīng)用效果。因此，為確定合理的配合比，試驗(yàn)采用改進(jìn)的CAVF體積法和工業(yè)CT掃描技術(shù)相結(jié)合，完成雙層排水瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)。

改進(jìn)的CAVF體積法原理為粗集料骨架間隙率Vmix等于細(xì)集料、填料及改性瀝青混合料孔隙率體積的總和。因?yàn)榇旨虾图?xì)集料表面均存在一定孔隙，瀝青包裹在集料表面后，集料會(huì)吸收一定的瀝青。該方法的計(jì)算公式為：

式中：：qf、qp、qc均均表示質(zhì)量百分比，依次對(duì)應(yīng)細(xì)集料、填料及粗集料；三種材料的相對(duì)密度依次分別用表示表示細(xì)集料、填料及改性瀝青混合料的孔隙率；Vbe表表示改性瀝青的有效體積。

改進(jìn)的CAVF體積法核心是計(jì)算粗細(xì)兩種集料在礦料整體重量中的占比，，γf、γp、γs的數(shù)值可通過相關(guān)測(cè)試得出；依據(jù)qf和qc可確定Vmix的數(shù)值，文中為保證Vmix解算結(jié)果的可靠性，采用工業(yè)CT-233設(shè)備掃描混合料試件，以便更為精準(zhǔn)完成Vmix的計(jì)算。設(shè)備相關(guān)性能參數(shù)如表2所示。

表2 工業(yè)CT-233 設(shè)備相關(guān)性能參數(shù)

掃描混合料模型時(shí)，依據(jù)設(shè)備發(fā)射的X射線強(qiáng)度獲取投影數(shù)據(jù)圖像，由于瀝青混合料具有非均勻性特點(diǎn)，因此X射線在掃描過程中，會(huì)呈現(xiàn)不同程度的衰減。如果該射線射出強(qiáng)度和入射強(qiáng)度分別用和和表示，其穿透瀝青混合料的投影用A表示，掃描公式為：

依據(jù)上述方法確定3種雙層排水瀝青混合料的配合比，詳情如表3所示。

表3 雙層排水瀝青混合料的配合比詳情

1.3.2 雙層排水瀝青路面混合料試件制備關(guān)鍵技術(shù)

依據(jù)表3中的配合比制備3種瀝青混合料，完成雙層排水瀝青路面優(yōu)化施工。在施工過程中，瀝青混合料的攤鋪速度需控制在2m/min～3m/min范圍內(nèi)，且保證攤鋪時(shí)混合料的溫度大于155℃、搭接寬度不可低于10cm且不可大于20cm，松鋪系數(shù)設(shè)定為1.2。

鋪設(shè)時(shí)采用靜壓施工瀝青路面，使用設(shè)備為鋼輪，靜壓速度為2km/h～3km/h，結(jié)合該工程實(shí)際情況，設(shè)定靜壓次數(shù)為5次，在靜壓過程中初始靜壓溫度須大于155℃。完成5次循環(huán)靜壓后，采用膠輪碾壓，該過程中須保證混合料的溫度在70℃～90℃，碾壓速度為4km/h左右，碾壓次數(shù)為兩次。

碾壓完成后，采用鋼輪靜壓收光，完成3種配合比混合料的雙層排水瀝青路面試件制備，三種試件分別用S1、S2、S3表示，其尺寸均為50cm×50cm×35cm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過上述內(nèi)容完成S1、S2、S3的制備后，測(cè)試3種試件的性能，分析其對(duì)雙層排水瀝青路面的優(yōu)化效果。基于高溫多雨地區(qū)實(shí)際情況，重點(diǎn)針對(duì)路面的水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性開展試驗(yàn)分析。

試驗(yàn)按照我國(guó)《透水瀝青路面技術(shù)規(guī)程》（CJJ/T190-2012）的要求，如表4所示。

表4 試驗(yàn)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 水穩(wěn)定性分析

馬歇爾殘留穩(wěn)定度是在保證排水性的前提下，分析路面的水穩(wěn)定性，主要是將試件浸泡在指定溫度的水中，獲取標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾（浸泡時(shí)間為30min）結(jié)果和浸水馬歇爾（浸泡時(shí)間為48h）結(jié)果，兩者的比值為馬歇爾殘留穩(wěn)定度。

獲取3種試件在不同水溫下的馬歇爾殘留穩(wěn)定度結(jié)果，如表5所示。

表5 不同水溫下的馬歇爾殘留穩(wěn)定度結(jié)果（%）

分析表5的測(cè)試結(jié)果得出：將S1、S2、S3試件分別置于不同溫度的水中，3種試件的馬歇爾殘留穩(wěn)定度均在80%以上，均滿足應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。其中S2的馬歇爾殘留穩(wěn)定度值最高，達(dá)到96.8%，S1和S3的馬歇爾殘留穩(wěn)定度最高值分別為96.2%和94.2%，應(yīng)用后均可保證路面的水穩(wěn)定性。

高溫穩(wěn)定性是衡量瀝青路面耐久性的重要指標(biāo)，由于瀝青路面在高溫環(huán)境下，隨著車輛循環(huán)作用次數(shù)的不斷增加，路面會(huì)形成車轍，并發(fā)生不同程度的變形，其平整度及安全性會(huì)降低。因此，對(duì)于高溫多雨地區(qū)而言，瀝青路面的高溫穩(wěn)定性尤為重要。測(cè)試S1、S2、S3試件在不同溫度下的動(dòng)穩(wěn)定度Ψ，其計(jì)算公式為：

式中:d2表示t2時(shí)刻的變形量:d1表示t1小時(shí)刻的變形量:N表示車輪循環(huán)碾壓速度，文中設(shè)定其取值為42次/min:C1和C2均表示系數(shù).前者對(duì)應(yīng)試件.后者對(duì)應(yīng)測(cè)試機(jī)器，兩者的取值設(shè)為1 .0,依據(jù)公式(4)計(jì)算S1. S2. S3試件在不同溫度下的動(dòng)穩(wěn)定度結(jié)果，如表6所示。

表6 不同溫度下試件的動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果（次/mm）

2.2 高溫穩(wěn)定性分析

分析表6測(cè)試結(jié)果可得：隨著測(cè)試環(huán)境溫度逐漸增加，S1、S2、S3試件在車輪循環(huán)輾軋下，動(dòng)穩(wěn)定度Ψ結(jié)果均在1000次/mm以上。其中S1的動(dòng)穩(wěn)定度Ψ結(jié)果最高達(dá)到3204次/mm，另外兩個(gè)試件的動(dòng)穩(wěn)定度Ψ結(jié)果最高分別為2506次/mm和2271次/mm。因此，本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)的雙層瀝青排水路面具有較好的耐高溫穩(wěn)定性。

綜合上述兩個(gè)試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果：S1、S2、S3試件的綜合排水性、耐高溫性均滿足路面的優(yōu)化需求，但是其中綜合性能最佳的為S1，其在高溫多雨地區(qū)具有更好的應(yīng)用性，能更大程度保證路面的排水性和耐久性。因此，采用S1的配合比完成公路排水瀝青路面優(yōu)化設(shè)計(jì)，可提升瀝青路面的耐久性和使用壽命。

3 結(jié)束語

為保證高溫多雨地區(qū)路面的排水性、高溫穩(wěn)定性，提升瀝青路面使用壽命，本文試驗(yàn)以某高溫地區(qū)的高速公路為例，探究排水瀝青路面排水優(yōu)化方案，該方案主要采用雙層排水設(shè)計(jì)，并對(duì)瀝青進(jìn)行改性，同時(shí)設(shè)計(jì)不同的配合比試樣，并對(duì)各個(gè)試樣的相關(guān)性能展開試驗(yàn)分析，確定了最佳的優(yōu)化方案，為相關(guān)工程的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了可靠參考。