高溫多雨地區排水瀝青路面設計分析

彭秋影

(黑龍江省公路勘察設計院，黑龍江 哈爾濱 150080)

0 前 言

高速公路早期瀝青路面損壞較快，對路面使用造成極大影響，不僅會導致經濟損失嚴重，而且會造成不良社會影響。必須針對高溫多雨地區氣候特點，研究瀝青路面早期水損害以及車轍機理和防治措施，才可設計出科學合理的排水瀝青路。文章將主要以南方高溫多雨地區瀝青路面為例，分析研究相關設計方案。

1 瀝青路面主要病害

1.1 高溫地區瀝青路面主要病害

在南方炎熱地區，瀝青路面需滿足一定的高溫穩定性，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]。高溫穩定性病害主要有車轍、搓板、擁包等現象。相關南方高溫多雨地區路面調查情況如圖1所示。

圖1 瀝青路面高溫穩定性不足表現形式

車轍病害主要原因在于高溫地區經受來往車輛反復碾壓，瀝青路面產生永久性變形，造成車轍深度累積。轍槽深度明顯處對應的路面層厚度變薄，瀝青層整體強度也會隨之降低，引發其他病害。如若遇到雨季時期，路面排水不通暢的情況，車轍積水嚴重將會使得車輛漂移，造成交通事故發生。其他病害產生的主要原因是因為瀝青路面在高溫作用下，路面面層抗剪切能力降低。這些病害主要出現在路拌、貫入、表處等次高級瀝青路面交道口以及邊坡路段中。

1.2 多雨地區瀝青路面主要病害

南方多雨季節時期，雨水會滲入路面下破壞瀝青與集料間原有的粘結附著性，導致產生各種各樣的水損害。具體表現形式為水浸入后，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致摩擦力隨之降低，同時集料間的粘結程度也隨之降低而松散性加強，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脫落，減少集料與集料之間的粘結作用，增加集料松散性，降低集料間整體性。相關南方多雨地區瀝青路研究表明，水損害主要表現形式包括松散、剝離以及坑洞等。

2 南方高溫多雨地區排水瀝青路設計概述

雨天潮濕路面抗滑性能不足是影響行車安全的一大因素。抗滑性不足與瀝青路面路表結構分布狀態有關，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系數下降50%左右，行車事故將會增加4倍以上。開級配瀝青磨耗層OGFC，是一種大孔隙瀝青混凝土結構，這種結構的連通內部孔隙可以實現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，可設置OGFC排水路面提高行車安全穩定[3]。常用的磨耗層OGFC-13，設計空隙率一般為18%～22%，排水瀝青路面豎向橫向滲水性能與內部空隙率呈線性正相關：空隙率小于15%時，滲透系數接近0。OGFC排水路面粗集料“點焊結構”使得其力學性能與傳統密實型混合料之間存在較為明顯差異，因此在配比設計時，應關注排水性能以及抗車轍變形性能。相關工程經驗表明，OGFC路面后期使用時，容易出現耐久性問題，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鍵為平衡OGFC路面排水功能以及結構力學性能。

一般情況下，排水瀝青路面設計選用高黏度改性瀝青，以此來改善膠結料粘結性能。為了保證排水連通空隙，國內選擇不摻加纖維，由此產生了許多耐久性問題。文章通過某南方高速公路項目，采用改進CAVF體積設計方法，進行OGFC-13混合料級配設計，通過結合工業CT掃描技術，主要分析摻加纖維前后的混合料空隙率分布狀態，提出均衡排水功能與力學性能配合比設計方案。通過瀝青膠結料黏溫試驗，對比高黏度瀝青與普通SBS改性瀝青黏度變化規律，指導OGFC混合料施工環節溫度控制，基于紅外溫度成像儀，選擇溫度較為均勻的區域，利用無核密度儀檢測壓實度，研究不同工藝對于OGFC-13路面性能影響。

3 CAVF法配合比設計

3.1 CAVF法基本原理

3.2 工業CT原理

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

表1 Compact-225型工業CT性能參數

CT掃描中，獲取的數據為體現X射線出射強度投影數據圖像。瀝青混合料為非均勻介質物體，X射線穿透瀝青混合料，各處衰減系數不相同，以級聯形式表示X射線入射強度以及出射強度關系時，可以將瀝青混合料分割成無數個小單元計算。X射線穿透瀝青混合料投影可以用出射強度與入社強度比值負對數表示。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掃描技術對瀝青混合料測試

對OGFC-13瀝青混合料馬歇爾試件進行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際結構最接近。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 目標空隙率級配設計

研究項目所在位置處于亞熱帶以及熱帶氣候，平均氣溫為21.8 ℃，年均降水量可達到1 789.3 mm，是典型的高溫多雨區，因此對于瀝青路面耐久性以及排水性能，是巨大挑戰。項目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，也應確定最終油石比：一種為添加瀝青時的油石比；另一種為添加瀝青以及纖維時的油石比。研究這兩種油石比，各檔集料添加比例一致，級配1采用4.9%油石比；級配2采用5.2%油石比，另添加0.3%木質素纖維，瀝青為高黏度瀝青。每種級配分別成型三個馬歇爾試件，通過密度試驗計算，得出級配1以及級配2空隙率均值都為20.9%[5]。將試件自然風干后，質量不再變化，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函數計算每一個斷面空隙率，分析空隙率分布情況。試驗結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，混合料空隙率變小。配比1試件底部空隙率下降趨勢較為明顯，通過結合混合料試件情況，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定，加入纖維有助于吸收并擴散混合料多余自由瀝青，促進內部空隙率分布均勻。

3.6 排水功能與結構耐久性配合比

試驗結果表明，兩個級配空隙率和滲水系數指標相差不大，但對于60 ℃動穩定度，配比2(高油量+纖維)動穩定度值要比配比1(低油量)動穩定度值高出20%左右。因此，當空隙率一定，采用高油量+纖維級配，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，可增大瀝青結合料與空氣接觸表面積，易受到外界腐蝕老化。若適當加入瀝青用量，摻加纖維穩定劑，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結果對比如表2所示。

表2 混合料性能試驗結果對比

根據試驗結果，兼顧OGFC排水功能和結構路用性能基礎，確定生產配比：碎石11～16 mm；碎石6～11 mm；碎石3.5～6 mm；集料、礦粉、水泥質量比例為32∶50∶4∶11∶1.5∶1.5，油石比為5.2%，木質素纖維穩定劑摻量為0.3%。

3.7 排水路面施工質量控制關鍵技術

(1)高黏度瀝青黏溫特性

應對OGFC混合料高黏度瀝青進行布氏黏度試驗，確定碾壓溫度區間，較好指導OGFC瀝青路面施工。可選用SBS改性瀝青與高黏度瀝青進行試驗，研究在不同溫度下，改性瀝青與高黏度瀝青的黏度差異。試驗結果如表3所示。

表3 瀝青黏溫試驗結果

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

(2)不同碾壓工藝

通過OGFC-13試驗，分析三種碾壓工藝對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 論

通過具體分析南方某高速公路項目，采用CAVF法設計排水路面結構，利用CT掃描技術處理空隙率分布情況等研究，討論高溫多雨地區排水瀝青路設計，延長排水瀝青路使用壽命。