高温多雨区排水沥青路面排水优化设计探究

胡财军

（广东交科检测有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

高温多雨区具有降雨量较大、环境温度较高的特点。在该环境条件下，雨水大量渗入后集料颗粒的表面会形成水膜，使集料之间的摩擦力降低，沥青和集料之间的黏结性会受到破坏，发生松散现象，进而降低集料之间的整体性；同时，在高温作用下，沥青路面受到车辆循环碾轧后会发生永久变形，出现车辙、鼓包等情况，导致沥青路面的耐久性和稳定性面临较大挑战。因此，我国高温多雨地区在公路修建时，须重点考虑沥青路面的耐高温性和排水性能。排水沥青路面也称作多孔沥青路面，该类路面采用多孔沥青混合料作为面层，同时将具有较高防水性的黏结层铺设在面层下方，以保证在降雨时路面积水可通过混合料之间的孔隙排出，确保高效排水，避免面层积水渗透至下层结构中。排水沥青路面具有一个显著特征，即孔隙率很高，通常情况下大于15%，该类路面能够快速完成雨水排出，从而提升沥青路面的抗滑性；并且，其较大的孔隙率可降低车辆通过时产生的轮胎噪音。该类路面在具有上述优势的情况下，也面临一定不足：由于其孔隙率较大，孔隙内容易存在堵塞现象；受温度及空气等因素影响后，会加速沥青的老化，路面容易发生掉粒等情况。因此，为保证沥青路面排水效果的同时，保证其耐久性及耐高温性，须对沥青排水路面做优化设计。本文以南方典型高温多雨地区的公路为例，展开相关沥青排水路面优化探究，为相关工程提供可靠参考。

1 排水沥青路面排水优化设计

1.1 研究区域概况

为优化高温多雨区排水沥青路面排水效果及耐高温性，本文以我国江西省某地区为研究区域。该区域属于亚热带季风性气候，年均降雨量在1400mm以上，且该地区气候较为湿热，因此，对于沥青路面的排水性和耐高温性需求标准较高。

本文以该地区的某改建高速公路为例，开展排水沥青路面排水优化设计，在实际试验时，选择该公路中一段长度为1.5m的路段完成。该路段为双向四车道，本文试验采用双层排水沥青路面优化设计，上面层PAC-13采用SBS改性沥青，下面层PAC-20采用改性沥青，设计方案如图1所示。

图1 双层排水沥青路面优化设计方案

1.2 原材料

在双层排水沥青路面优化设计时，沥青路面所需的原材料包括沥青、粗集料、细集料、填料及HVA改性添加剂，其中，HVA改性添加剂的主要作用是对沥青进行改性。改良后沥青的相关参数如表1所示。

表1 改良后沥青的相关参数

在选择双层排水沥青路面设计方案中的粗集料时，应按照均匀、干燥、洁净的标准进行筛选。选择的粗集料中不能含有风化颗粒，且最大程度避免其中存在针片状颗粒，粗集料还须具备较好的强度和耐久性。

细集料的选择标准和粗集料一致，在该标准的基础上，须保证细集料不存在杂质，和沥青之间的黏结性良好。选择细集料时，须保证颗粒形状较好、2.36mm的通过率应超过90%。

填料也是双层排水沥青路面设计的重要组成部分。本文试验中采用的填料为石灰岩矿粉，该填料在使用前需采用密封保存，避免其受潮。正常情况下，在使用过程中石灰岩矿粉的添加量约为45%。

1.3 双层排水沥青路面测试试件制备

1.3.1 双层排水沥青混合料配合比计算

依据上述选择的原材料制备双层排水沥青路面样本，在制备前，须确定双层排水沥青混合料的配合比，配合比将直接影响沥青路面的应用效果。因此，为确定合理的配合比，试验采用改进的CAVF体积法和工业CT扫描技术相结合，完成双层排水沥青混合料配合比设计。

改进的CAVF体积法原理为粗集料骨架间隙率Vmix等于细集料、填料及改性沥青混合料孔隙率体积的总和。因为粗集料和细集料表面均存在一定孔隙，沥青包裹在集料表面后，集料会吸收一定的沥青。该方法的计算公式为：

式中：：qf、qp、qc均均表示质量百分比，依次对应细集料、填料及粗集料；三种材料的相对密度依次分别用表示表示细集料、填料及改性沥青混合料的孔隙率；Vbe表表示改性沥青的有效体积。

改进的CAVF体积法核心是计算粗细两种集料在矿料整体重量中的占比，，γf、γp、γs的数值可通过相关测试得出；依据qf和qc可确定Vmix的数值，文中为保证Vmix解算结果的可靠性，采用工业CT-233设备扫描混合料试件，以便更为精准完成Vmix的计算。设备相关性能参数如表2所示。

表2 工业CT-233 设备相关性能参数

扫描混合料模型时，依据设备发射的X射线强度获取投影数据图像，由于沥青混合料具有非均匀性特点，因此X射线在扫描过程中，会呈现不同程度的衰减。如果该射线射出强度和入射强度分别用和和表示，其穿透沥青混合料的投影用A表示，扫描公式为：

依据上述方法确定3种双层排水沥青混合料的配合比，详情如表3所示。

表3 双层排水沥青混合料的配合比详情

1.3.2 双层排水沥青路面混合料试件制备关键技术

依据表3中的配合比制备3种沥青混合料，完成双层排水沥青路面优化施工。在施工过程中，沥青混合料的摊铺速度需控制在2m/min～3m/min范围内，且保证摊铺时混合料的温度大于155℃、搭接宽度不可低于10cm且不可大于20cm，松铺系数设定为1.2。

铺设时采用静压施工沥青路面，使用设备为钢轮，静压速度为2km/h～3km/h，结合该工程实际情况，设定静压次数为5次，在静压过程中初始静压温度须大于155℃。完成5次循环静压后，采用胶轮碾压，该过程中须保证混合料的温度在70℃～90℃，碾压速度为4km/h左右，碾压次数为两次。

碾压完成后，采用钢轮静压收光，完成3种配合比混合料的双层排水沥青路面试件制备，三种试件分别用S1、S2、S3表示，其尺寸均为50cm×50cm×35cm。

2 实验结果分析

通过上述内容完成S1、S2、S3的制备后，测试3种试件的性能，分析其对双层排水沥青路面的优化效果。基于高温多雨地区实际情况，重点针对路面的水稳定性和高温稳定性开展试验分析。

试验按照我国《透水沥青路面技术规程》（CJJ/T190-2012）的要求，如表4所示。

表4 试验检测标准

2.1 水稳定性分析

马歇尔残留稳定度是在保证排水性的前提下，分析路面的水稳定性，主要是将试件浸泡在指定温度的水中，获取标准马歇尔（浸泡时间为30min）结果和浸水马歇尔（浸泡时间为48h）结果，两者的比值为马歇尔残留稳定度。

获取3种试件在不同水温下的马歇尔残留稳定度结果，如表5所示。

表5 不同水温下的马歇尔残留稳定度结果（%）

分析表5的测试结果得出：将S1、S2、S3试件分别置于不同温度的水中，3种试件的马歇尔残留稳定度均在80%以上，均满足应用标准。其中S2的马歇尔残留稳定度值最高，达到96.8%，S1和S3的马歇尔残留稳定度最高值分别为96.2%和94.2%，应用后均可保证路面的水稳定性。

高温稳定性是衡量沥青路面耐久性的重要指标，由于沥青路面在高温环境下，随着车辆循环作用次数的不断增加，路面会形成车辙，并发生不同程度的变形，其平整度及安全性会降低。因此，对于高温多雨地区而言，沥青路面的高温稳定性尤为重要。测试S1、S2、S3试件在不同温度下的动稳定度Ψ，其计算公式为：

式中:d2表示t2时刻的变形量:d1表示t1小时刻的变形量:N表示车轮循环碾压速度，文中设定其取值为42次/min:C1和C2均表示系数.前者对应试件.后者对应测试机器，两者的取值设为1 .0,依据公式(4)计算S1. S2. S3试件在不同温度下的动稳定度结果，如表6所示。

表6 不同温度下试件的动稳定度测试结果（次/mm）

2.2 高温稳定性分析

分析表6测试结果可得：随着测试环境温度逐渐增加，S1、S2、S3试件在车轮循环辗轧下，动稳定度Ψ结果均在1000次/mm以上。其中S1的动稳定度Ψ结果最高达到3204次/mm，另外两个试件的动稳定度Ψ结果最高分别为2506次/mm和2271次/mm。因此，本文试验设计的双层沥青排水路面具有较好的耐高温稳定性。

综合上述两个试验的测试结果：S1、S2、S3试件的综合排水性、耐高温性均满足路面的优化需求，但是其中综合性能最佳的为S1，其在高温多雨地区具有更好的应用性，能更大程度保证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沥青路面优化设计，可提升沥青路面的耐久性和使用寿命。

3 结束语

为保证高温多雨地区路面的排水性、高温稳定性，提升沥青路面使用寿命，本文试验以某高温地区的高速公路为例，探究排水沥青路面排水优化方案，该方案主要采用双层排水设计，并对沥青进行改性，同时设计不同的配合比试样，并对各个试样的相关性能展开试验分析，确定了最佳的优化方案，为相关工程的设计和优化提供了可靠参考。