高温多雨地区排水沥青路面设计分析

2022-02-20彭秋影

黑龙江交通科技 2022年12期

彭秋影

(黑龙江省公路勘察设计院，黑龙江哈尔滨 150080)

0 前言

高速公路早期沥青路面损坏较快，对路面使用造成极大影响，不仅会导致经济损失严重，而且会造成不良社会影响。必须针对高温多雨地区气候特点，研究沥青路面早期水损害以及车辙机理和防治措施，才可设计出科学合理的排水沥青路。文章将主要以南方高温多雨地区沥青路面为例，分析研究相关设计方案。

1 沥青路面主要病害

1.1 高温地区沥青路面主要病害

在南方炎热地区，沥青路面需满足一定的高温稳定性，保证车辆碾压下，沥青混合料具备防止路面永久形变能力[1]。高温稳定性病害主要有车辙、搓板、拥包等现象。相关南方高温多雨地区路面调查情况如图1所示。

图1 沥青路面高温稳定性不足表现形式

车辙病害主要原因在于高温地区经受来往车辆反复碾压，沥青路面产生永久性变形，造成车辙深度累积。辙槽深度明显处对应的路面层厚度变薄，沥青层整体强度也会随之降低，引发其他病害。如若遇到雨季时期，路面排水不通畅的情况，车辙积水严重将会使得车辆漂移，造成交通事故发生。其他病害产生的主要原因是因为沥青路面在高温作用下，路面面层抗剪切能力降低。这些病害主要出现在路拌、贯入、表处等次高级沥青路面交道口以及边坡路段中。

1.2 多雨地区沥青路面主要病害

南方多雨季节时期，雨水会渗入路面下破坏沥青与集料间原有的粘结附着性，导致产生各种各样的水损害。具体表现形式为水浸入后，集料颗粒表面形成水膜，提高集料与集料之间的润滑程度导致摩擦力随之降低，同时集料间的粘结程度也随之降低而松散性加强，造成集料间整体性降低[2]。除此之外，水浸入明显降低了沥青与颗粒之间的粘附性，使得沥青从颗粒表现脱落，减少集料与集料之间的粘结作用，增加集料松散性，降低集料间整体性。相关南方多雨地区沥青路研究表明，水损害主要表现形式包括松散、剥离以及坑洞等。

2 南方高温多雨地区排水沥青路设计概述

雨天潮湿路面抗滑性能不足是影响行车安全的一大因素。抗滑性不足与沥青路面路表结构分布状态有关，另一方面，道路S型曲线中部超高过渡段与凹曲线底部合成坡度较小，易积水形成厚水膜。有研究表明，厚水膜路段摩擦系数系数下降50%左右，行车事故将会增加4倍以上。开级配沥青磨耗层OGFC，是一种大孔隙沥青混凝土结构，这种结构的连通内部孔隙可以实现路表水快速下渗以及排除。因此在路面水膜厚度较大，或者路面排水不畅路段，可设置OGFC排水路面提高行车安全稳定[3]。常用的磨耗层OGFC-13，设计空隙率一般为18%～22%，排水沥青路面竖向横向渗水性能与内部空隙率呈线性正相关：空隙率小于15%时，渗透系数接近0。OGFC排水路面粗集料“点焊结构”使得其力学性能与传统密实型混合料之间存在较为明显差异，因此在配比设计时，应关注排水性能以及抗车辙变形性能。相关工程经验表明，OGFC路面后期使用时，容易出现耐久性问题，其中包括空隙堵塞、车辙变形以及松散掉粒等病害，解决排水路面长期路用性能的关键为平衡OGFC路面排水功能以及结构力学性能。

一般情况下，排水沥青路面设计选用高黏度改性沥青，以此来改善胶结料粘结性能。为了保证排水连通空隙，国内选择不掺加纤维，由此产生了许多耐久性问题。文章通过某南方高速公路项目，采用改进CAVF体积设计方法，进行OGFC-13混合料级配设计，通过结合工业CT扫描技术，主要分析掺加纤维前后的混合料空隙率分布状态，提出均衡排水功能与力学性能配合比设计方案。通过沥青胶结料黏温试验，对比高黏度沥青与普通SBS改性沥青黏度变化规律，指导OGFC混合料施工环节温度控制，基于红外温度成像仪，选择温度较为均匀的区域，利用无核密度仪检测压实度，研究不同工艺对于OGFC-13路面性能影响。

3 CAVF法配合比设计

3.1 CAVF法基本原理

3.2 工业CT原理

采用Compact-225型工业CT，CT电子辐射发生器采用225 kV金属陶瓷X射线管，具体Compact-225型工业CT性能参数如表1所示。

表1 Compact-225型工业CT性能参数

CT扫描中，获取的数据为体现X射线出射强度投影数据图像。沥青混合料为非均匀介质物体，X射线穿透沥青混合料，各处衰减系数不相同，以级联形式表示X射线入射强度以及出射强度关系时，可以将沥青混合料分割成无数个小单元计算。X射线穿透沥青混合料投影可以用出射强度与入社强度比值负对数表示。具体CT扫描原理示意图如图2所示。

图2 CT扫描原理示意图

3.3 CT扫描技术对沥青混合料测试

对OGFC-13沥青混合料马歇尔试件进行CT扫描，图片像素大小为1 024×1 024，断面各方向像素大小为0.1 mm。处理CT图像方法有模糊C均值聚类算法、阈值分割法以及EM算法。研究表明，这三种CT图像处理方法都能有效区分沥青、集料以及背景等，其中阈值分割法处理速度以及处理效果与实际结构最接近。具体CT图像处理流程如图3所示。

图3 CT图像处理流程

3.4 目标空隙率级配设计

研究项目所在位置处于亚热带以及热带气候，平均气温为21.8 ℃，年均降水量可达到1 789.3 mm，是典型的高温多雨区，因此对于沥青路面耐久性以及排水性能，是巨大挑战。项目OGFC-13涉及空隙率为21%，矿粉以及水泥添加量均为1.5%，有效沥青体积为10.5%。

3.5 CT扫描技术排水路面空隙率分布

在确定除沥青外的各档材料掺配比例时，也应确定最终油石比：一种为添加沥青时的油石比；另一种为添加沥青以及纤维时的油石比。研究这两种油石比，各档集料添加比例一致，级配1采用4.9%油石比；级配2采用5.2%油石比，另添加0.3%木质素纤维，沥青为高黏度沥青。每种级配分别成型三个马歇尔试件，通过密度试验计算，得出级配1以及级配2空隙率均值都为20.9%[5]。将试件自然风干后，质量不再变化，采用X-rayCT扫描试件，扫描断面为试件横断面，横断面间距3 mm，扫描21张图像。按照CT图像处理流程，利用MATLABbwselect函数计算每一个断面空隙率，分析空隙率分布情况。试验结果表明两种配比试件顶部切片空隙率都较大，其中配比1空隙率更大。距顶部高度下降时，混合料空隙率变小。配比1试件底部空隙率下降趋势较为明显，通过结合混合料试件情况，在马歇尔试件成型过程中，沥青胶浆沉底；配比2试件空隙率分布曲线较为稳定，加入纤维有助于吸收并扩散混合料多余自由沥青，促进内部空隙率分布均匀。

3.6 排水功能与结构耐久性配合比

试验结果表明，两个级配空隙率和渗水系数指标相差不大，但对于60 ℃动稳定度，配比2(高油量+纤维)动稳定度值要比配比1(低油量)动稳定度值高出20%左右。因此，当空隙率一定，采用高油量+纤维级配，可提高OGFC-13沥青混合料高温抗变形性能。除此之外，研究表明，排水式路面大空隙率，可增大沥青结合料与空气接触表面积，易受到外界腐蚀老化。若适当加入沥青用量，掺加纤维稳定剂，可显著提高大孔隙沥青混合料耐久性能。具体混合料性能试验结果对比如表2所示。

表2 混合料性能试验结果对比

根据试验结果，兼顾OGFC排水功能和结构路用性能基础，确定生产配比：碎石11～16 mm；碎石6～11 mm；碎石3.5～6 mm；集料、矿粉、水泥质量比例为32∶50∶4∶11∶1.5∶1.5，油石比为5.2%，木质素纤维稳定剂掺量为0.3%。

3.7 排水路面施工质量控制关键技术

(1)高黏度沥青黏温特性

应对OGFC混合料高黏度沥青进行布氏黏度试验，确定碾压温度区间，较好指导OGFC沥青路面施工。可选用SBS改性沥青与高黏度沥青进行试验，研究在不同温度下，改性沥青与高黏度沥青的黏度差异。试验结果如表3所示。

表3 沥青黏温试验结果

由表可见，沥青温度高于120 ℃时，高黏度沥青黏度比SBS改性沥青黏度高20%～87%左右。低于110 ℃时，两种沥青黏度急剧增加。根据相关要求，排水沥青路面收光温度范围应控制在80～100 ℃。实际项目中，在80～100 ℃范围排水沥青层表面压实效果一般，而且会损坏表面集料棱角。由此可见，项目应提高收光温度。

(2)不同碾压工艺

通过OGFC-13试验，分析三种碾压工艺对OGFC-13路面性能影响。具体碾压方案如图4所示。