排水瀝青混合料排水機(jī)理研究與設(shè)計(jì)方法優(yōu)化

摘要 由排水瀝青混合料PA鋪筑而成的路面具有良好的透水性、降噪性和抗滑性，其較高的孔隙率能快速排除路面雨水，消除影響行車安全的路表水膜，有效降低道路交通噪聲，具有優(yōu)良的路用性能。排水瀝青路面結(jié)構(gòu)較普通瀝青路面復(fù)雜，材料特性要求高，配合比設(shè)計(jì)需考慮排水功能和力學(xué)功能的平衡。文章重點(diǎn)研究了PA的排水機(jī)理和特性，探討了瀝青用量、油石比和空隙率等對(duì)混合料性能的影響，并基于CAVF設(shè)計(jì)理論對(duì)混合料目標(biāo)配合比進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為排水瀝青路面的廣泛應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞 排水瀝青混合料；空隙率；CAVF理論；最佳瀝青用量

中圖分類號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）20-0122-03

0 引言

我國(guó)目前瀝青路面主要采用的是普通瀝青混合料（AC）鋪筑而成，部分等級(jí)較高的道路采用瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA）。根據(jù)其礦料級(jí)配和空隙率大小，均屬于密級(jí)配型混合料，具有良好的高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性，但是排水性能較差，雨季不利于行車安全。排水瀝青路面具有排水、抗滑、降噪等良好的服務(wù)功能，在許多國(guó)家廣泛使用甚至強(qiáng)制使用，部分國(guó)家還頒布了專門的排水瀝青路面技術(shù)規(guī)范，在國(guó)外有“頂級(jí)功能性路面”的稱號(hào)[1]。我國(guó)排水瀝青混合料路面經(jīng)歷了十多年的研究和工程實(shí)踐，取得了卓越成效，結(jié)合海綿城市的建設(shè)理念，排NLp/8SJ4cvUPkIyPw3vjDkNpQj43spxnj/KC1p5S1Yg=水瀝青路面的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。

1 排水瀝青混合料特性

排水瀝青混合料是采用粒徑較為單一的碎石嵌擠而成的一種骨架空隙材料結(jié)構(gòu)，其礦料級(jí)配主要由粗集料嵌擠組成，細(xì)集料和填料較少，礦料相互分開，壓實(shí)后的空隙率大于18%以上?；旌狭现锌商砑痈叻肿硬牧?，從而制備出高黏度的改性瀝青，滿足排水瀝青混合料（PA）材料強(qiáng)度、抗飛散、抗水損害的技術(shù)要求。相對(duì)于傳統(tǒng)瀝青混合料，其具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）較強(qiáng)的透水性：PA材料空隙率不低于18%，最高可達(dá)25%。由于其多空隙結(jié)構(gòu)特征，為雨水的滲透和排出提供了孔道和空間，降雨情況下雨水能滲入路面內(nèi)部并橫向排出，保障了雨天行車的安全性和舒適性。同時(shí)，由于在密集配瀝青下承層與排水層間設(shè)置了防水黏結(jié)層，有效地阻擋了雨水下滲浸入路基。

（2）較好的抗滑性：排水瀝青混合料良好的透水性能有效消除嚴(yán)重影響行車安全的路表水膜，能使路面粗糙度達(dá)到干燥狀態(tài)下的數(shù)值，提高了輪胎的抓地力，能有效避免車輛打滑，降低事故率。

（3）優(yōu)越的降噪性：研究表明，混合料的空隙率與吸聲系數(shù)為正向線性關(guān)系，空隙率越大，吸聲系數(shù)隨之增大，路面降噪效果就越好。但吸聲能力隨路面厚度的增大而降低，其厚度常規(guī)控制在40～50 mm。

2 PA路面排水機(jī)理分析

2.1 排水瀝青路面

采用排水瀝青混合料作為排水功能層PAC，下設(shè)密級(jí)配瀝青混凝土AC下承層的路面為排水瀝青路面。其路面結(jié)構(gòu)組合與常規(guī)密級(jí)配瀝青路面基本相同，區(qū)別在于上面層為PAC功能層，并在功能層與下承層間設(shè)置防水黏結(jié)層，其結(jié)構(gòu)組合如圖1所示。其排水形式可采用單層或雙層排水，這主要由排水能力和容水能力確定，并充分考慮空隙率、降雨歷時(shí)、暴雨強(qiáng)度、路面橫坡和徑流長(zhǎng)度等進(jìn)行選用。

2.2 排水機(jī)理分析

排水瀝青路面的排水系統(tǒng)由PAC排水功能層和路緣排水設(shè)施構(gòu)成。對(duì)于路緣排水設(shè)施，可采用散排、明溝排水、暗溝排水和盲溝排水等形式。路緣排水設(shè)施可根據(jù)地勢(shì)、地表徑流情況布置，避免地表水對(duì)路面及路基邊坡的水毀破壞。對(duì)于排水瀝青混合料功能層排水，其排水機(jī)理是：雨水落至路面，由空隙向下滲流，至面層底部的防水黏結(jié)層，最后由防水層的橫槽排向路側(cè)外。

2.2.1 影響排水效果的因素

（1）路面橫坡：橫坡直接影響排水效率，常規(guī)道路橫坡為1.5%～2%，橫坡越大，排水效率越高。但不宜采用過(guò)高的橫坡值，否則會(huì)影響道路的行車舒適性。如混合料滲透系數(shù)較低，可加大橫坡以提高排水速度。

（2）排水層厚度：厚度是影響排水性能的重要指標(biāo)，將顯著增加過(guò)水?dāng)嗝?。根?jù)三維滲流有限元分析，排水層厚度與排水效率成正向線性關(guān)系。單層排水瀝青功能層厚度宜為40～50 mm，雙層排水層上面層厚度為20～40 mm，下面層為35～60 mm。但排水層厚度不宜過(guò)厚，否則影響路面的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。

（3）有效空隙率：排水功能層是由18%以上空隙率的混合料鋪筑而成，最高可達(dá)到25%?？障堵试礁撸潘芰ψ匀辉綇?qiáng)，但也會(huì)降低路面結(jié)構(gòu)層的力學(xué)性能。同時(shí)，空隙率并非100%具有滲水功能，如部分由骨料組成的閉合空隙或者半閉合空隙。閉合空隙由于不能形成有效的排水通道，雨水無(wú)法流通，對(duì)路面排水無(wú)效，如圖2所示：

（4）降雨強(qiáng)度和歷時(shí)：降雨的強(qiáng)度和歷時(shí)是影響排水瀝青路面是否出現(xiàn)徑流的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮強(qiáng)降雨情況下的排水能力。

2.2.2 大徑流排水分析

對(duì)于路面較寬的多車道路面或長(zhǎng)陡坡路面，匯水面積大，徑流速度快，路面排水分析時(shí)需考慮飽和入滲強(qiáng)度、臨界水膜厚度和輪跡帶水膜厚度的影響[2]。當(dāng)降雨強(qiáng)度大于路面表層飽和滲入強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生飽和徑流。當(dāng)輪跡帶水膜厚度大于臨界水膜厚度時(shí)，車輛在高速行駛時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生“水漂”現(xiàn)象影響行車的安全，在多車道、陡坡等可能產(chǎn)生大徑流的情況下，對(duì)行車安全的影響更為嚴(yán)重。大徑流狀態(tài)下的飽和入滲強(qiáng)度W飽、臨界水膜厚度h臨和輪跡帶水膜厚度h輪與排水混合料的滲透系數(shù)、排水層厚度、道路縱坡及橫坡、路面寬度、暴雨強(qiáng)度和車輛參數(shù)等有關(guān)。

3 排水瀝青混合料的設(shè)計(jì)優(yōu)化

對(duì)于骨架空隙結(jié)構(gòu)的混合料，空隙率對(duì)其排水功能和力學(xué)特性影響較大，二者屬于反向關(guān)系?？障堵实脑龃髣?shì)必會(huì)減小其相關(guān)的力學(xué)性能。因此，要獲得最佳的混合料性能，應(yīng)同時(shí)考慮路面表面層的排水功能及力學(xué)性能平衡。

3.1 材料選擇和技術(shù)要求

（1）瀝青膠結(jié)料

排水瀝青混合料要求采用的瀝青對(duì)集料有耐久的握裹力、較高的黏著力、較強(qiáng)的抗剝落性，并且能以較厚的薄膜包覆骨料。排水瀝青路面應(yīng)采用改性瀝青，高等級(jí)道路宜采用高黏度改性瀝青。實(shí)踐表明，采用高黏度改性瀝青的排水路面能保證排水瀝青混合料的抗飛散性、抗水損害性、高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性、抗老化性和抗疲勞性等要求，適用于高溫氣候條件和重載交通條件[3]。其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如表1所示：

（2）粗集料

混合料的粗集料為點(diǎn)接觸，若集料中軟弱顆粒較多，在施工及車輛荷載作用下易造成集料破碎，使骨架結(jié)構(gòu)受損，引發(fā)路面飛散破壞，對(duì)排水瀝青路面造成早期破壞。因此，需提高粗集料的堅(jiān)固性、壓碎值、洛杉磯磨耗損失等技術(shù)要求，從而保證維持排水瀝青路面的“骨架-空隙”結(jié)構(gòu)。所用粗集料應(yīng)均勻、潔凈、干燥，宜選用高黏附性、高耐磨耗性、高耐破碎性的優(yōu)質(zhì)集料，高溫不易變質(zhì)，可采用輝綠巖、玄武巖，不宜采用石灰?guī)r、泥巖等易磨耗的軟質(zhì)巖。

（3）細(xì)集料和填料

排水瀝青路面細(xì)集料用量較少，一般用于調(diào)整混合料的空隙率。細(xì)集料與瀝青的黏附性是抵抗沖擊力的關(guān)鍵性能，可采用機(jī)制砂和天然砂，應(yīng)潔凈無(wú)雜質(zhì)、干燥、無(wú)風(fēng)化。填料應(yīng)采用石灰?guī)r磨制的礦粉，不得采用粉煤灰。若細(xì)集料采用量過(guò)多，則會(huì)增加混合料的流動(dòng)性，增加分散破壞的概率。

3.2 目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)優(yōu)化

排水瀝青混合料的設(shè)計(jì)一般采用馬歇爾試驗(yàn)配合比的方法，以滿足空隙率的要求為標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)保證混合料的抗飛散性能、高溫穩(wěn)定性和耐久性[4]。為獲得最優(yōu)性能的混合料，需準(zhǔn)確計(jì)算空隙率、最佳瀝青用量、級(jí)配和油石比。

（1）確定目標(biāo)空隙率

根據(jù)大量實(shí)例工程總結(jié)的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，按照真空密封法測(cè)定的空隙率，一般在20%左右即可獲得較為均衡的性能。在高寒冰凍地區(qū)或者是長(zhǎng)大陡坡路段，可適當(dāng)降低空隙率，但不宜小于18%。若道路等級(jí)不高、對(duì)排水和降噪要求高的路段，也可適當(dāng)提高空隙率。

（2）初定級(jí)配范圍

排水瀝青混合料的級(jí)配范圍需滿足排水瀝青規(guī)范（JTG/T 3350-03—2020）中表6.2.3中要求，并根據(jù)路面類型、最大粒徑、目標(biāo)空隙率和設(shè)計(jì)路用性能確定。根據(jù)規(guī)范提供的級(jí)配區(qū)間，按照不同篩孔通過(guò)率下的礦料級(jí)配，選取3組不同數(shù)值的試塊，進(jìn)行馬歇爾配合比試驗(yàn)，以檢驗(yàn)空隙率和穩(wěn)定度。

（3）瀝青用量估算

在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，估算的瀝青用量可采用假定的膜厚度與集料表面積的乘積，并采用14 μm瀝青膜厚度進(jìn)行計(jì)算。

集料表面積=（0.41a+0.41b+0.82c+1.64d+2.87e+6.14f+12.29g+32.77h）/103。其中，a、b、c、d、e、f、g、h分別為19 mm、4.75 mm、2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm和0.075 mm篩孔的通過(guò)率（%）。

（4）確定最佳油石比

最佳瀝青用量原則上為通過(guò)析漏試驗(yàn)所得的最大瀝青用量?？筛鶕?jù)析漏損失率、分散損失率，確定最大、最小的油石比區(qū)間，采用數(shù)值分析方法確定最佳用量，具體取值范圍如圖3所示：

（5）基于CAVF法的級(jí)配設(shè)計(jì)優(yōu)化

混合料級(jí)配對(duì)排水瀝青的空隙率有重大影響，要準(zhǔn)確獲得對(duì)應(yīng)目標(biāo)值，可采用CAVF法進(jìn)行級(jí)配優(yōu)化。CAVF法即粗骨料空隙填充法，其原理是：按骨架空隙率與設(shè)計(jì)空隙率的差值作為填料體積，填料按照細(xì)集料、礦粉和瀝青膠漿的最小組成進(jìn)行采用[5]。該方法可以減小膠結(jié)料對(duì)混合料結(jié)構(gòu)的影響，并可較為準(zhǔn)確地確定瀝青用量，其計(jì)算公式如下所示：

Qc+Qf+Qp=100% （1）

（Qc/100γs）×（VCADRC?VV）= Qf/γf+Qp/γp+Qa/γa （2）

式中：Qc、Qf、Qp、Qa——粗集料、細(xì)集料、礦粉、瀝青質(zhì)量（g）；VCADRC——粗集料松裝間隙率（%）；VV——設(shè)計(jì)空隙率（%）；γs、γf、γp、γa——粗集料毛體積密度（g/cm3）、細(xì)集料表觀密度（g/cm3）、礦粉表觀密度（g/cm3）、瀝青相對(duì)密度（%）。

根據(jù)CAVF法的配合比優(yōu)化結(jié)果制作試塊，通過(guò)馬歇爾旋轉(zhuǎn)雙面擊實(shí)50次試驗(yàn)，以確定最終設(shè)計(jì)的空隙率。

4 結(jié)語(yǔ)

采用排水瀝青混合料作為上面層的路面形式，能快速排除路表積水，提高車輛抓地力，避免產(chǎn)生“水漂”現(xiàn)象，從而提高行車的安全性和舒適性，并大大降低路面結(jié)構(gòu)的水害效應(yīng)，具有良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。在進(jìn)行排水瀝青配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將空隙率作為重要技術(shù)指標(biāo)，控制其最佳的瀝青用量。研究證明，取20%空隙率、4.5%瀝青用量為設(shè)計(jì)值時(shí)，可獲得較好的排水和力學(xué)性能。高速公路和城市快速干道使用排水瀝青路面，可以充分發(fā)揮快速行駛過(guò)程中車輛對(duì)空隙內(nèi)充填物的自動(dòng)清理作用，避免空隙堵塞從而降低排水效率，確保排水等服務(wù)功能得以長(zhǎng)時(shí)間維持；而對(duì)于其他等級(jí)公路等使用場(chǎng)合，應(yīng)綜合考慮污染物堵塞空隙等影響因素后慎重選用。

參考文獻(xiàn)

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[4]熊石磊，楊景瑞.城市道路透水瀝青路面性能提升研究[J].工程技術(shù)研究，2023（24）：113-115.

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收稿日期：2024-07-06

作者簡(jiǎn)介：羅偉賓（1991—），男，碩士研究生，工程師，從事市政路橋設(shè)計(jì)工作。