多孔排水沥青路面长期性能衰变规律研究

谢华杰　廖梓材

摘要：多孔排水沥青路面的长期性能是指导路面施工和预防性养护的关键要素。文章对OGFC-13和PAC-13两种排水沥青混合料的初始性能和长期性能进行研究，并与普通SMA-13沥青混合料性能进行对比，重点考察了沥青路面的摆值、构造深度、渗水系数、动稳定度等指标，得到了相关指标随路面服役年限的变化趋势。结果表明，PAC-13排水沥青路面的抗滑性能和高温抗车辙性能优于OGFC-13沥青路面，而在渗水性能方面，OGFC-13沥青路面更具优势。

关键词：排水路面；沥青混合料；抗滑性；渗水性能

0引言

排水沥青路面是一种空隙率在20%左右的骨架-空隙开级配沥青混合料路面结构，常用于对路面排水特性有特定要求的路段，如隧道洞口、过水路段等。现有的排水沥青混合料主要有OGFC、PAC等，使用程度较广。排水沥青路面在长期的服役过程中，受路面重车荷载、沥青混合料老化等因素影响，会堵塞混合料空隙，导致排水性能和抗滑性能降低［1-3］。因此，在研究排水沥青混合料性能的同时除了考量混合料初始的路用性能、渗水性能外，还要对其长期性能衰变规律进行探究［4-5］。尘福涛等［6］对“老、中、新”3种不同服役时长的排水路面进行调研，对其排水功能、路面平滑度、降噪系数等指标进行跟踪观测，但未對排水沥青路面的路用性能指标进行评估；赵付安等［7］通过对OGFC-13和SMA-13两种不同路面结构的长期性能进行研究，并重点探究了抗滑性能和感温性能；汪继平等［8］对某排水沥青路面的长期性能进行研究，并提出了增强排水沥青路面性能的建议措施。然而，相关研究还存在对不同类型排水沥青路面长期性能对比研究不充分，长期性能跟踪考量不全面的情况［9-10］。本文对OGFC、PAC、SMA三[JP4]种沥青路面结构的长期性能进行试验研究，为排水路面长期性能衰变规律研究提供数据支撑，为排水路面实际工程提供参考案例。

1 路面结构与材料

1.1 路面结构

为研究不同排水路面结构沥青混合料的长期性能，研究采用实地调研和长期观测的方式对不同服役年限的OGFC-13、PAC-13两种上面层排水沥青混合料进行试验数据采集，并用SMA-13常规沥青混合料作为对照组进行数据对比分析。采用对比的3种不同路面结构为某高速公路的不同路段，其服役环境接近，交通流量和车辆荷载也基本一致，具有较强的对比参照性。三种不同路面结构及其层厚如表1所示。

1.2 沥青

由于排水沥青路面对沥青的粘结性能要求较高，故OGFC-13、PAC-13沥青路面采用的沥青为高黏改性沥青，而SMA-13路面采用的沥青为SBS改性沥青，其沥青性能如表2所示。

1.3 集料

研究采用的上面层沥青混合料粗细集料均为玄武岩集料，具有硬度高、磨耗率低的特点。填料采用石灰岩矿粉。玄武岩集料的各类性能如表3所示。

1.4 配合比设计

3种不同类型沥青混合料的配合比设计曲线如图1所示。根据3种不同沥青混合料的配合比设计曲线进行混合料的拌和，其中，OGFC-13、PAC-13、SMA-13级配混合料的油石比分别为5.4%、4.9%和6.0%。

2 沥青混合料初始性能研究

对3种沥青混合料的试验室初始性能和路面服役的长期性能进行研究，其初始性能试验结果如表4所示。

如表4所示，两种排水沥青混合料的性能与传统SMA-13沥青混合料存在较大差异，具体表现在空隙率、析漏损失、飞散损失、渗水系数等方面。总体而言，SMA-13沥青混合料的空隙率在4%～5%，远低于排水沥青混合料20%左右的空隙率，对其性能产生最直接影响的是渗水系数，仅达到16.5 mL/min，而排水沥青路面可达到6 000 mL/min左右。在马歇尔稳定度、水稳定性、高温稳定性方面，SMA-13沥青混合料的性能要优于排水沥青混合料，尤其是在高温稳定性方面，SMA-13沥青混合料60 ℃动稳定度达到8 635次/mm，具有较强的抗车辙性能。排水沥青路面在提高混合料空隙率的同时，使骨架嵌挤结构作用凸显，排水效果显著，但随着长期的水损伤，骨料易产生离析、剥落，进而降低混合料的抗车辙性能。因此，除了考虑排水路面的长期排水性能外，还需要多维度探究排水沥青路面长期性能衰变规律。

3 沥青混合料长期性能研究

3.1 抗滑性能

研究通过路面摆值（BPN）和构造深度（TD）两个指标来评价沥青路面的抗滑性能，分别对3种不同沥青路面结构路段在不同服役时长下的数据进行现场采集汇总分析，结果如表5、下页表6和图2、下页图3所示。

由表5、表6和图2、图3可知，随着沥青路面服役年限的增加，沥青路面的摆值和构造深度逐渐下降。其中，PAC-13的摆值最大，SMA-13的摆值最小，其主要原因是沥青玛蹄脂（SMA）具有高含量粗集料、高含量矿粉、较大沥青用量，路面的压实度较高，路表空隙率较低，但对于普通沥青路面而言符合规范要求的摆值≥45。而排水沥青路面的空隙率大，集料的粗糙度较大，对于大空隙开级配混合料而言，规范要求其摆值≥52，服役两年的AC-13和OGFC-13两种沥青路面的摆值满足路用要求，但PAC-13沥青混合料的摆值整体优于OGFC-13。其主要原因是OGFC-13沥青混合料的油石比要大于PAC-13，如果采用较大的沥青含量，在长期的路面荷载和高温炙烤过程中会使老化沥青迁移到道路面层，同时会使面层的抗滑性能下降，摆值减小。

PAC-13沥青路面早期的构造深度低于OGFC-13，但随着沥青路面服役年限的增加，PAC-13长期的构造深度要大于OGFC-13，这说明PAC-13沥青混合料的抗滑性能优于OGFC。此外，SMA-13沥青混合料的构造深度远低于排水沥青路面，其主要原因是，[JP4]排水路面的骨架结构混合料，其内部空隙较大，尤其是在路面压实后仍存在一定的路表空隙，因此，排水沥青路面的构造深度普遍较大，但随着路面车辆的荷载作用，会使部分空隙堵塞或压实变形，从而导致构造深度在一定程度上下降。

3.2 渗水系数

渗水系数是评价排水路面排水效果的关键参数。分别对OGFC-13和PAC-13两种沥青混合料路段进行长期的渗水试验跟踪观测。试验结果如表7和图4所示。

由表7和图4可知，随着排水沥青路面服役年限的增加，OGFC-13和PAC-13两种沥青混合料的渗水系数不断降低，其主要原因是随着车流的长期荷载作用，混合料中的大空隙结构逐渐受到外部荷载而产生压缩变形，混合料中的贯通空隙率逐渐降低。此外，路面长期的灰尘、杂质沉淀，亦会造成混合料内部空隙率的堵塞。但从渗水系数随服役年限的变化规律来看，在排水沥青路面投入使用早期，渗水性能下降趋势较快，但当其服役时间达到一定年限时，渗水系数整体保持稳定，当其服役2年时，混合料的渗水系数仍旧满足排水沥青路面要求的≥3 600 ml/min。相较于PAC-13沥青混合料，OGFC-13沥青混合料的渗水系数要更大，说明其渗水性能较好。其主要原因是OGFC-13沥青混合料的空隙较大，因此其内部有效贯通的空隙也更大，在雨水天气条件下，沥青路面的排水效果更佳。

3.3 高温抗车辙性能

以往[JP4]研究常通过渗水试验和抗滑试验对排水路面的长期性能进行分析，但二者主要还是沥青路面面层研究指标。本文对服役2年后的3种不同沥青路面结构混合料进行原位切割取样，并进行抗车辙试验，采用动稳定度度来评估混合料的高温抗车辙性能。试验结果如表8和图5所示。

由表8和图5可知，SMA-13沥青混合料初始和长期的动稳定度性能要高于排水沥青路面。其主要原因是SMA-13沥青混合料属于悬浮密实结构，内部骨料和胶浆填充密实，空隙率小，在车辆的长期荷载作用下，其内部结构损伤和变形的能力较低，因此具有较好的高温稳定性。OGFC-13排水路面初始的动稳定度为7 636次/mm，在经过两年服役后降低为6 853次/mm，下降幅度达到23.35%；PAC-13沥青混合料初始稳定度由7 896次/mm降低为7 165次/mm，下降幅度达到15.64%。总体而言，PAC-13沥青混合料的高温稳定性和抗车辙能力要优于OGFC-13沥青混合料，其主要是因为OGFC沥青混合料的油石比较高，在高温环境下易使得内部沥青结构产生蠕变，进而造成内部结构的失稳。

4 结语

本文选取OGFC-13和PAC-12两种排水沥青路面进行性能研究，并与传统的SMA-13沥青路面进行对比，得到如下结论：

（1）从沥青混合料的初始性能来看，OGFC-13与PAC-13排水沥青路面的渗水系数、空隙率远高于SMA-13沥青混合料，但动稳定度、水稳定性低于SMA-13沥青混合料。

（2）随着沥青路面服役时间的增加，3种不同路面结构的沥青混合料的路面摆值和构造深度逐渐降低，路面抗滑性能下降。其中，PAC-13沥青路面的抗滑性能最优，服役2年后摆值达到57.8，构造深度达到2.08 mm，抗滑性能符合规定要求。

（3）[JP4]随着沥青路面服役时间的增加，两种排水路面结构的沥青混合料渗水系数呈快速降低到趨于稳定的趋势。其中，OGFC-13沥青混合料的渗水性能最优，服役2年后渗水系数达到4 963.5 ml/min，排水效果符合规定要求。

（4）随着沥青路面的服役时间增加，3种不同路面结构的沥青混合料动稳定度下降，其中SMA-13沥青混合料的动稳定度最高达到7 835次/mm，但高温稳定性能衰减幅度最小的是PAC-13排水沥青路面。

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作者简介：谢华杰（1989—），工程师，主要从事路桥施工工作。