国内外排水沥青路面养护技术研究综述

2019-01-09周建华于明明张利鹏

现代交通技术 2018年6期

周建华，于明明，张利鹏

(1. 苏交科集团股份有限公司，南京 211112； 2. 新型道路材料国家工程实验室，南京 211112)

排水沥青路面是世界上公认的环境友好型路面铺装技术，对提高路面的工程品质、打造平安交通具有重要意义。排水沥青路面采用大空隙沥青混合料作表层，空隙率高达20%，具有高抗滑、低噪音、减轻炫光、消除积水、避免水漂、提高雨天行车安全和公众舒适出行等优点[1]，在国外得到了广泛应用。我国从上世纪90年代开始排水沥青路面的研究与应用，形成了包括关键材料、混合料设计、施工工艺到施工质量检测方法的技术成果，在江苏、江西、四川、江西、河北、安徽、山东、浙江、湖南、云南、重庆等地进行实践应用。

由于排水沥青路面空隙率高的特点，再加上我国重载交通的影响，在实际使用过程中，排水路面的孔隙易被粉尘、砂砾、土等异物堵塞，导致路面的排水和降噪功能降低。同时随着通车时间的延长，排水沥青路面也会出现松散剥落、裂缝等病害，面临养护的问题。但传统的沥青路面养护措施不能满足排水沥青路面要求，目前国内尚无统一的排水沥青路面养护技术标准。结合排水沥青路面的特点，从功能性养护、预防性养护、结构性养护修补和季节性冬季养护等方面，对各种养护方法进行调研分析，希望能为排水沥青路面养护技术的研究和应用提供一定的参考。

1 排水沥青路面功能性养护技术

排水沥青路面需要进行定期清理，恢复路面排水功能。国内外解决堵塞问题的常用方法有：化学方法和物理方法[2]。化学方法一般是采用过氧化氢溶液与有机污染物进行化学反应，达到清洗堵塞物的效果。但由于价格昂贵，剧烈的反应过程对周围环境的影响比较大，故很少使用。物理方法通过专门的清洗设备喷射高压水或者空气来把堵塞杂物冲散冲碎，再将杂物吸走，这种方法不仅成本相对较低、方便快捷，而且对环境比较友好，被大多数国家所采用。多年来，国外(如欧美国家和日本)开发了多种类型的排水路面清洗设备，我国借鉴国外先进经验，研制排水性路面机能恢复车，完成了一系列的试验和工程测试，取得了较好的效果。

1.1 国外功能性养护技术

(1) 欧洲

排水沥青路面最早出现在欧洲，荷兰自1990年以来，将排水路面作为超级降噪路面在国家层面全面实施，目前荷兰90%的高速公路应用排水路面。荷兰与丹麦早在上世纪 90 年代就曾对排水路面的清洗进行了联合研究，开发了基于气穴现象(气泡)的清洗装置(如图1所示)，该装置利用气泡在破裂时产生的大范围高压，清洗的效果很好，甚至可以恢复初始渗透性。通常每半年清洗路面一次。

图1 丹麦、荷兰的沥青路面机能恢复车

(2) 日本

日本在上世纪80年代至90年代中期对排水沥青路面进行了深入研究，从上世纪90年代开始作为“超级路面”在全国范围内大规模应用，目前日本超过70%的高速公路采用排水沥青路面。1996年10月日本道路协会发布了《排水性铺装技术指南(案)》[3]，对排水性沥青路面的建设和养护都有相应的规定。鉴于日本对排水路面进行频繁的清洗，以酒井重工和世纪东急为代表的日本企业以及日本建设机械化协会，开发了多种类型的机能恢复设备[4]，取得了较为理想的效果。

酒井重工针对排水路面的病害方面开发了CJ400、CJ500等至少两代机能恢复设备，CJ500是通过高压水喷射以及高负压回收的方式来恢复路面机能(如图2(a)所示)。回收的污水经过处理可以循环利用，单车可以有近8 000 m2的作业面积，并且它有两档速度可以选择，高速时(速度10 km/h)，有大概60%的水回收率；当应对路面底部空隙的堵塞时，选择低速(速度3 km/h)，有大概90%的水回收率。

日本建设机械化协会研发的排水沥青路面机能恢复车(如图2(b)所示)，采用空气抽吸的方式来进行机能恢复作业。优点是工作速度比较快(最快接近30 km/h)，但效果比较差，要用比较高频次的养护才能维持路面的排水机能。

(a) 日本酒井CJ500型

(b) 建设机械化协会沥青路面机能恢复车

(3) 美国

美国多孔沥青路面采用开级配抗滑磨耗层(简称OGFC)，铺设厚度为20～30 mm。研究表明，当空隙率达到22%，铺设厚度不超过30 mm时，在高速行车状态下，路面不会出现孔隙堵塞现象，无需特别的维护。这可能也是美国开级配抗滑磨耗层没有开展日常功能性养护的原因。

1.2 国内功能性养护技术

从2007年开始，上海浦东路桥建设股份有限公司与河南省高远养护设备有限公司共同合作，开发了一款符合国内实际情况的排水沥青路面机能恢复车——HGY5250TPH[5-7]，如图3所示，并亮相2010年世博交通论坛。它由车载动力单元、清水罐、回收水罐、中间罐、移动吸盘系统、液压工作及控制系统、高压水喷冲系统、污水负压抽吸系统、电气控制系统、气动工作及控制系统、污水处理及再生装置、清水管道系统、循环管道系统、负压发生装置等组成，技术参数如表1所示。

图3 国内首台排水沥青路面机能恢复车

项目设备参数设备外形尺寸(长×宽×高)/mm10 370×2 490×3 650设备重量/kg25 000清洗速度/(km·h-1)1.5～3清洗水回收率/%≥80高压水压力/MPa≥7回收负压/MPa≥0.02洗盘宽度/mm2 000洗盘左右摆动距离/mm≥500污泥排出方式罐体后举,倾倒

该装置采用“高压水冲洗+气穴清洗+真空抽吸”的组合作业方式，通过液压系统和电气系统，把高压水或空气以不同的角度和方式喷射到道路内部，在高压水或“气穴效应”的作用下，将污染物打散，再利用负压抽吸系统将污水和杂物进行回收、分离处理。2009年10月，排水沥青路面机能恢复车HGY5250TPH在上海、西安等地排水路面进行应用。结果表明，采用国产排水沥青路面机能恢复车，排水沥青路面的排水机能可恢复到新建时期的60%以上，恢复效果明显，且该设备价格是国外价格的50%～70%。

2 排水沥青路面预防性养护技术

针对排水沥青路面飞散病害，预防性养护技术是最有效的解决方法，养护材料中主要添加了再生剂，它通过将养护材料喷洒在路面表面，可以使沥青膜的厚度提高，或使老化的沥青材料得以恢复。

2.1 国外预防性养护技术

(1) 荷兰

据统计，荷兰排水沥青路面在路龄5年左右、未出现大范围的飞散病害时开展预防性养护，常用的预防性养护材料主要有Icopal/Esha公司生产的PenTack沥青功能恢复性材料和Latexfalt公司的Modiseal©ZX和Modimuls©ZV[8]，相关情况见表2。

2010年，荷兰交通部采用不同生产厂家提供的养护材料和施工技术，对排水沥青路面预防性养护技术及实施效果进行研究。图4是Latexfalt公司预防性养护专用的施工设备，施工工艺包括喷洒、碾压、吹气、撒砂四个步骤，喷洒后在路表吹入热空气，增加沥青乳液的渗透效果；通过撒砂提高抗滑性能。结果表明，养护材料可恢复老化沥青的性能，修复路面裂缝，经过预防性养护处理，排水沥青路面PA-16的使用寿命可延长3年。

表2 荷兰预防性养护材料及工艺对比

图4 荷兰Latexfalt公司专用的喷洒和吹气设备

(2) 日本

日本对于排水沥青路面的预防性养护，目前主要是采用在排水沥青路面表面凹部填充渗透性树脂砂浆(PRMS)的处理方法。为了解决渗透性树脂砂浆的施工问题，日本研发了树脂砂浆拌合摊铺机。渗透性树脂砂浆由粒径范围在0.5～1.0 mm的骨料和高强、耐水与骨料黏附性好、速凝性好的环氧树脂组成，具有透水性。其作用为防止骨料飞散，强化路面表面、提高排水路面的耐久性；渗透性树脂砂浆的过滤作用为防止孔隙堵塞；使用细骨料，提高抗滑性；确保透水性和降低噪声。施工流程包括现场拌合树脂砂浆→用专门的机械摊铺树脂砂浆→3 t左右的胶轮压路机碾压→养生(1～3小时)，固化后开放交通。通过透水树脂砂浆施工和原排水沥青路面的现场透水试验，12个月后，原排水路面的透水性大幅度下降，而透水树脂砂浆施工透水功能反而提高，表明透水树脂砂浆可以长期维持透水功能。

(3) 美国

美国早期针对OGFC路面的预防性养护，俄勒冈等五个州采用了雾封层技术，由于雾封层技术的施工周期比较短，对交通影响较小，价格较低并且使用性能较好，在美国获得较多的支持。试验观测表明，雾封层可以在原路面基础上增加一层沥青膜，从而起到延缓飞散的作用；应用雾状封层后，道路抗滑性能出现下降，通车一段时间后会恢复，但雾封层对排水路面的透水性几乎没有影响。目前美国对排水沥青路面的预防性养护方法是采用还原剂技术，Lommerts[7]等开发了一种多元化乳化剂，该材料主要由还原成分组成，其在空气下可以快速破乳，并包裹在集料表面，从而增加路面内部的黏结力，延长路面使用寿命4年以上。

2.2 我国预防性养护技术

国内借鉴国外排水沥青的预防性养护方法，开展预防性养护材料研发及性能评价，尚处于试验段研究阶段。大连理工大学许斌研发了三种不同类型的预防性养护材料(还原型RJ、黏结增强型CEM以及聚合反应型GL)，采用正交试验分析了每个材料的关键因素对合成材料的影响，并依托沈海高速G15(南通到盐城段)排水沥青路面进行预防性养护试验段实施[9]。沈海高速(盐通段)排水沥青路面是我国第一条大规模的排水路面实体工程，至今已运营十多年，实践表明，预防性养护措施的实施能够起到延缓路面飞散的作用，在应用初期(3个月)抗滑性能和渗水性能出现下降，随着应用时间的推移，性能会逐渐恢复。同时，排水沥青路面在实施预防性养护后，飞散变化趋势整体变缓，延长了路面使用寿命。交通部公路科学研究院以渗透性树脂材料为基础，开展排水沥青路面表面强化技术研究[10-11]，并在2015年宁宿徐高速公路排水沥青路面罩面工程进行实体工程应用，初步证明渗透性树脂不会对路面的排水、抗滑性能产生较大影响，对排水沥青路面的表面强化效果尚需持续跟踪观测。

3 结构性养护修补技术

3.1 面层修补

排水路面85%的病害是松散剥落，当排水性沥青路面出现裂缝、坑槽、骨料脱落和飞散的面积比较大时，必须进行一定的路面养护修补工作。各个国家根据各自情况对使用哪种修补材料有不同的规定。

美国联邦公路局建议对于修补面积较小、水流可以绕过的区域，推荐使用密级配材料，对于面积较大、影响排水的区域，则要使用开级配材料。俄勒冈州针对大规模修补开级配路面时，推荐使用开级配材料来修复。尽管如此，美国主要还是使用密级配材料来修复剥落和坑槽。在英国，大小坑槽都推荐使用开级配材料，热压沥青混合料是不允许使用的。为了便于水流绕过修补坑槽，推荐使用菱形的补丁，因为菱形要比正方形更有助于排水。在我国，虽然建议排水沥青路面坑槽修补时宜选用排水性沥青混合料，但实际还是使用密级配材料来修补。

对于裂缝类病害，灌缝会影响排水，路面的排水性能会有所减小。因此，建议对于裂缝宽度3 mm以下的裂缝无需进行灌缝，尽量避免因灌缝造成的排水不畅，对于3 mm以上的裂缝，在不影响排水功能的前提下，建议直接灌缝处理。

3.2 面层维修

排水沥青路面的大中修技术主要是铣刨、再生、重新铺设。美国开级配路面的维修一般是先铣刨，然后使用开级配材料或者其他级配的混合料进行重新铺设。不可以直接在开级配路面上加铺密级配混合料，因为路面结构内的水会对新铺设的密级配混合料产生影响。

荷兰是应用排水沥青路面最广泛的国家，据统计荷兰排水路面平均11年更新一次慢车道面层，平均17年更新一次快车道面层。荷兰很早便开展了热再生排水沥青路面的研究，实践证明再生后的排水沥青混合料的耐久性和新混合料一样，并提出当排水沥青路面的飞散超过25%时，将原有的排水沥青路面全部铣刨进行厂拌热再生，厂拌热再生排水沥青旧料的可利用率高达50%。荷兰皇家BAM集团开展高掺量温拌排水沥青路面再生技术研究，旧料的利用率达到80%以上。

日本是资源紧缺的国家，早在1984年日本道路协会编写了《路面废料再生利用技术指南》。日本生产新混合料和回收混合料的情况如图6所示，自上世纪90年代，日本沥青混合料的总体产量逐年降低，但回收混合料从2000年的32.5%稳步提高至2013年的47%，其中2013年日本沥青混合料总量的24%左右掺入不同比例的RAP用于排水沥青路面。Kanou 等采用20%～50%的RAP料进行了排水沥青混合料的研究，结果表明30% RAP掺量的排水沥青混合料具有较好的应用效果。

图6 日本生产新料和回收料的情况

4 季节性冬季养护

欧洲国家与美国的相关研究发现，由于排水沥青路面空隙率较大，热传导率大约是密级配路面的40%～70%，路面表面的温度相对于密级配沥青路面温度低1 ～2 ℃，霜冻和结冰时间更早更频繁，结冰时间更长。同时排水沥青路面冬季养护还面临除冰困难、除冰材料引起堵塞等问题。

美国SHRP试验证明，使用化学溶剂替代传统的盐来预防冰雪黏结在道路上，比清除已经黏结在道路上的冰雪效果更好[12]。联邦公路局推荐使用化学除冰剂进行开级配路面的冬季养护，不宜采用铺砂法或其他易堵塞孔隙的防滑材料。由于除冰剂会流入开级配路面内部，为了使除冰剂能黏结在路面上，美国俄勒冈州运输部已建议研究有机除冰剂和静电电荷技术。Felice Giuliani[13]提出了一种新的防结冰技术，利用焦耳效应，使用电流激励的电阻金属元件加热排水路面表面。这样，在降雪之前和降雪期间，路面将保持比外部系统更高的温度，防止路面结冰[14-17]。

目前，我国排水路面的冬季养护最常用的还是撒盐或者其他融雪物质，排水路面的用盐量要比传统路面多2～3倍，这是因为排水路面的孔隙较大，积雪容易进入孔隙中，再加上融化的雪会将一部分盐水带入路面内，因此要加大用量。荷兰研究认为排水路面撒盐量由温度、降雪、路面等因素决定，一般控制在10～14 g/m2，干燥路面预防性撒盐在7 g/m2左右，雨雪较大撒盐量20～40 g/m2[18-21]。