排水沥青路面在川东高温多雨区的应用与性能跟踪检测

谭举鸿, 黄晚清, 曹明明

(四川省交通勘察设计研究院有限公司, 成都 610017)

排水沥青路面压实后空隙率为18%～25%,具有改善路面抗滑、减少雨天行车水雾和夜间行车眩光,提高行车安全、舒适和降低噪声的功能,应用广泛[1-3]。该类路面在美国和西欧等发达国家于20世纪七八十年代已有较广泛的应用,日本在20世纪九十年代开始大量应用[4]。我国对排水沥青路面的研究起步较晚,2000年以后陆续开展相关技术研究,迄今20多年,目前技术日趋成熟,在我国10多个省市得到推广应用。已有研究表明:1) 排水沥青路面能有效降低雨天行车事故,如日本修筑排水沥青路面试验段的观测指出,铺筑1年后雨天交通事故由铺筑前的1 525次减少至227次,减少了80%,基本与晴天的事故率相当[5-7];2) 排水沥青路面具有显著的降噪特性,美国加利福尼亚州测试数据显示,相对密级配沥青路面,排水沥青路面的噪声会减小3 dB～6 dB(A),这与Kandhal通过一系列深入研究和几个欧洲国家及加拿大的测试数据所得结论一致;美国马里兰州1990年的研究认为,排水沥青路面的噪声相对密级配沥青路面减小2.3 dB～3.6 dB(A),俄勒冈州的研究则认为可减小5.7 dB～5.8 dB(A)[8]。

排水沥青路面混合料采用骨架空隙结构,空隙率约20%,这种大空隙结构能显著提高行车安全性、舒适性,降低噪声[9],但在材料、工艺相同的条件下,会降低混合料的强度。另外,随着运营时间的延长,会产生空隙堵塞现象,导致排水、降噪功能下降,从而影响排水沥青路面的服务功能[10-11]。已有研究多基于室内试验和数值模拟方法,与工程实际有较大差异,即使有少量的研究采用现场测试的方法,但因跟踪周期较短,尚不能完全表征排水沥青路面功能特性的衰减[12-13]。

为此,本文依托川东高温多雨区某高速公路试验段,对排水沥青路面混合料进行了室内试验、现场施工与测试,以及7年路用性能跟踪检测,研究其应用性能,并进行跟踪评价。

1 工程概况

川东某高速公路沿线地区多年平均气温17.3 ℃～17.6 ℃,多年月平均气温在20 ℃以上。夏热期为5月—9月,其中7月、8月最高,极端最高气温40.5 ℃～41.3 ℃;平均低于10 ℃的冬寒期仅12月—2月3个月,其中1月平均6.6 ℃,为全年最低月份,极端最低气温-2.3 ℃～3.8 ℃。区内空气潮湿,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,多年平均相对湿度76%～82%。区域内空气湿度大,日照少,为辐射低值区。该区域降雨量较大,且交通组成以小型车辆为主,重载交通相对较少,适宜采用排水沥青路面。因此,2015年在该高速公路K21+000～K25+000和K61+000～K55+000段铺设了4 cm排水沥青路面(PAC-13)试验段。

2 混合料试验结果

2.1 沥青结合料

大量工程实践表明,沥青胶结料的性能对排水沥青路面的耐久性有决定性影响,采用改性沥青可使排水沥青路面的沥青膜厚度增加30%～40%,从而减少老化和剥落。日本要求高粘度改性沥青在60 ℃时沥青的动力粘度要求大于20 000 Pa·s,目的是提高和改善与水接触作用的高抗剥离性及骨料间的高粘结性。试验用高粘改性沥青测试结果如表1所示,满足文献[14-15]的要求。

表1 高粘改性沥青技术要求

2.2 粗集料

排水沥青混合料粗集料比例占80%～85%,其品质特性及粗集料部分的级配组成会对排水沥青混合料性能产生重要影响,且影响程度远超密级配的沥青混合料。排水沥青混合料应采用更高品质的石料,即压碎值小、软石含量少、针片状少、形状方正的石料,具体技术指标测试结果如表2所示。

表2 排水沥青混合料用粗集料质量技术要求

2.3 细集料

由于排水沥青混合料空隙率大,受雨水冲刷作用突出,因此,要求细集料具有优良的粘附性。排水沥青混合料宜采用碱性石料加工的细集料,禁止使用酸性石料加工的细集料及与沥青粘附性差的天然砂。细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质,具体技术指标测试结果如表3所示。

表3 排水沥青混合料用细集料质量技术要求

2.4 混合料

PAC-13级配范围测试结果如表4所示。排水沥青混合料采用马歇尔试验配合比设计方法,沥青混合料技术指标测试结果如表5所示。

表4 排水沥青混合料PAC-13级配范围

表5 排水沥青混合料技术要求

3 现场施工

3.1 防水粘结层施工

为避免排水功能层的雨水横向排出时入渗至其下路面结构层内,且要保证层间粘结,以免排水沥青混合料脱落,沥青防水粘结层施工前需对下伏层进行检查,确保其平整、干燥、洁净,无灰尘等杂物,同时对存在的裂缝和渗水等病害进行处治。为加强防水和层间粘结,试验段采用改性沥青同步碎石封层作为防水粘结层。防水粘结层施工完成后,严禁行人、自行车和各种机动车辆通行,避免造成污染和破坏,同时应及时跟进排水沥青层的施工。

3.2 排水沥青混合料拌合

排水沥青混合料拌合时间通过试拌确定,以混合料拌合均匀、所有矿料全部均匀裹覆沥青为度,拌合采用预混式方法时,拌合时间不宜少于50 s(其中干拌时间不应少于5 s);采用直投式方法时,拌合时间不宜少于60 s(其中干拌时间不应少于10 s)。出料温度低于下限值165 ℃或高于上限值 195 ℃的沥青混合料必须废弃处理。排水沥青混合料严禁使用回收粉,且宜随拌随用,不宜存储。

3.3 排水沥青混合料运输和摊铺

排水沥青混合料的运输和摊铺与SMA等混合料要求基本类似,但由于排水沥青混合料空隙率大,热量散失更快,且常用高粘改性沥青,粘度大,碾压温度相对较高。摊铺前将熨平板预热至110 ℃以上,摊铺应慢速、均匀、连续不间断。

3.4 排水沥青混合料碾压及开放交通

排水沥青混合料的碾压必须在适宜温度下进行,并应均匀碾压,避免过压。采用双钢轮压路机紧跟摊铺机静压,不得开振,且在碾压过程中相邻碾压带的重叠约为0 cm～5 cm,避免局部过压或欠压。当路面温度下降至约80 ℃～90 ℃时,采用胶轮压路机稳压1遍。待摊铺层完全冷却,表面温度低于50 ℃方可开放交通。

4 排水沥青路面功能测试

4.1 构造深度及摩擦系数

依据《公路路基路面现场测试规程》(JTG 3450—2019)[16],采用手工铺砂法测定排水沥青路面构造深度为1.88 mm,采用DF仪对排水沥青路面动态摩擦系数进行检测,检测结果如图1所示。由图1可看出,摩擦系数整体均呈现随车速增加而减小,在车速超过50 km/h后基本维持不变。

4.2 刹车距离

雨天后,采用同一测试车辆哈弗H5越野车对排水沥青路面PAC-13和沥青玛蹄脂路面SMA-13进行刹车距离检测,如图2所示。行驶速度分别为50 km/h、80 km/h时,刹车距离检测结果如表6所示。与SMA路面相比,排水沥青路面的刹车距离减少了30%左右,80 km/h速度可在18 m左右范围内停车,说明雨天时排水沥青路面的抗滑效果明显提高,极大地减少了雨天行车安全事故。

图2 刹车距离测试

表6 刹车距离检测结果

4.3 降噪性能

雨天后,对排水沥青路面PAC-13和沥青玛蹄脂路面SMA-13进行降噪性能测试,测试方法为:采用噪声测试仪测试同一车辆在不同路面结构上以不同速度行驶时产生的噪音,测试车辆为哈弗H5越野车,噪声测试仪距路面表面高度约0.4 m,距测试车辆中心水平距离6 m,传声器平行于路面,其轴线垂直于车辆行驶方向,结果如表7所示。从表7可知,排水降噪沥青表层可降低路面噪音2 dB～5 dB,速度越快降噪效果越明显,极大地提高了行车舒适性。

表7 噪声检测记录

4.4 排水功能

采用快速渗水测试仪对排水沥青路面排水功能进行了测试,如图3所示。该测试仪通过数据线与电脑连接,人工操作电脑自动进行渗水试验,试验方法参见规范《排水沥青路面设计与施工技术规范》(JTG/T 3350-3—2020)[14]中附录D,试验结果如图4所示,排水沥青路面施工完成时渗水系数测值为5 500 mL/min～6 000 mL/min左右。这一结果表明:经过7年的运营,渗水系数降低了约50%,但渗水系数均值仍可达到2 830.41 mL/min,且部分点位测值仍在3 000 mL/min以上,仍具有良好的排水性能。

图4 渗水系数检测结果

综上分析,由于排水沥青路面具有良好的抗滑和排水性能,因此,雨天行车可大幅降低水膜厚度、避免溅起水雾,夜间行车可大幅减少眩光,保证行车安全和舒适。

5 排水沥青路面技术状况跟踪测试

建成通车以来,排水沥青路面损坏技术状况指数PCI变化如图5所示。由图5知,自运营至2020年,即运营5年来,各路段路面损坏状况指数PCI均在97以上,2021年不少路段有一定幅度的衰减,进一步分析检测资料发现,主因是2021年路面开始出现了一定的横向裂缝,经过灌缝处理后,路面损坏状况指数PCI(2022年)又恢复到了较高的水平,均评定为优。

图5 运营期间路面技术状况指标变化

根据《公路技术状况评定标准》(JTG 5210—2018)[17]对通车运营7年后的排水沥青路面技术状况进行了检测和评定,结果如图6所示。

图6 通车7年后路面技术状况指标分布

由图6可知,排水沥青路面经过7年的运营后,路面除出现了一定的横向裂缝外,无其他病害。路面损坏技术状况指数PCI、路面形式质量指数RQI和路面车辙深度指数RDI均评定为优,仅路面抗滑性能指数SRI评定为优和良,排水沥青路面经过多年运营、车辆荷载的反复作用后,路面仅少量横向裂缝,无车辙等其他病害,且保持很好的平整度。由于轮胎的反复磨耗,路面抗滑出现了一定程度的衰减,SRI值在90左右,主要原因是轮胎将包裹集料表面的沥青膜磨掉后,逐步将集料表面的微观纹理磨光,导致抗滑损失。

6 结论

1) 排水沥青路面构造深度均值为1.88 mm,远大于密集配的SMA和AC路面。车速超过50 km/h时,车与路面的摩擦系数基本维持在0.5左右,抗滑性能优良;相较SMA路面,雨天排水沥青路面的刹车距离减少了30%左右,极大地减少了雨天行车事故。

2) 排水沥青路面具有良好的降噪性能,相较SMA,可降低路面噪音2 dB～5 dB,且速度越快降噪效果越显著,具有良好的环保意义。

3) 通车运营7年后,排水沥青路面渗水系数测值较施工完成后降低了约50%,但测值仍可达2 500 mL/min以上,仍具有良好的排水性能,且持久性较好。

4) 通车运营7年后,排水沥青路面各项技术指标优良,路面仅出现少量横向裂缝,表明排水沥青路面在川东高温多雨区具有良好的适用性。