论大空隙排水沥青路面混合料设计及性能分析

摘要 路面排水、降噪和抗滑性能对路面使用寿命、行车安全及舒适性具有重要影响。大空隙沥青路面采用连续开级配的设计，使混合料具有空隙率大、排水性强等结构特点，可显著提升路面排水、降噪和抗滑性能。文章研究了大空隙沥青路面混合料配合比设计方法，综合运用马歇尔试验、谢伦堡沥青析漏试验等方法，确定了最佳沥青用量;对大空隙沥青混合料性能进行了分析，并依托高速公路大修工程中积水严重区域作为试验路段，验证大空隙沥青路面排水、降噪和其他路用性能的优异性。

关键词 大空隙路面;配合比设计;排水性能;降噪性能;路用性能;施工关键技术

中图分类号 U416.217文献标识码 A文章编号 2096-8949（2022）11-0115-03

引言

大空隙沥青路面可以有效地渗透降水，防止公路表面积水，使雨天道路行车更加安全舒适;大空隙路面和汽车轮胎的空气泵作用，因多孔结构得到一定程度的弱化，能有效降低汽车行驶噪声[1];因此文章研究大空隙沥青路面混合料设计方法并对路用性能进行论证，具有重要的实践意义。

1 材料要求与选择

1.1 沥青胶结料

大空隙路面最重要的作用是排水，防止骨料被雨水冲走，因此需要高黏度的沥青结合料来增大黏结力[2]。基于此，应选择高黏度改性沥青，主要技术性能见表1所示。

1.2 粗集料

大孔隙沥青混合料中集料嵌挤形成骨架空隙结构，粗集料的强度直接影响其空隙结构强度，进而影响混合料力学性能。因此，粗集料必須具有足够的强度，该文所用粗集料为玄武岩，技术指标如表2所示。

1.3 细集料及填料

大空隙沥青路面中的细集料用量较少，细集料与沥青的黏附性是抵抗冲击力的关键性质。该文所选细集料性能完全满足技术规范要求。

填料可有效增大沥青与石料的黏结力，因此矿粉的选择主要考虑的因素是比表面积。该文以石灰岩磨细矿粉作为填料，经试验验证完全满足技术规范要求。

2 级配设计与沥青用量确定

2.1 确定研究级配

在混合料配合比设计中，首先根据经验确定级配各筛孔通过率的上下限值，在限值中间拟定多条级配，然后根据设计目标空隙率来确定最佳级配[3]。现行公路沥青路面设计规范指出，空隙率应控制在18%～22%，该研究的目标设计空隙率取中值为20%。结合现行规范要求及工程实践经验，确定该次矿料目标级配范围，如表3所示。

确定级配范围之后，要实现较为精确的设计目标空隙率，必须在级配范围内进行微调，以4.75 mm筛孔为粗、细集料的分界线，粗集料构成骨架，粒径在2.36 ～4.75 mm的集料用量较少，基本为间断，2.36 mm以下集料与沥青、矿粉一起构成了填充粗集料骨架间隙的玛蹄脂。通过改变2.36 mm筛孔通过率，即可完成对玛蹄脂数量的调整，进而实现对混合料整体空隙率的调整。

2.2 沥青用量估算

为更加准确、快速地确定混合料最佳沥青用量，首先要结合上文拟定的目标级配范围，根据经验拟定的沥青膜厚度，初步计算出沥青用量，公式为：估算沥青用量=拟定膜厚×拟定级配集料表面积。

借鉴前人经验和实际级配的情况，拟定沥青膜的厚度为12 μm。通过公式计算的油石比如表4所示。

2.3 目标级配确定

结合上文拟定的级配、计算的最佳沥青用量，制作用于试验的马歇尔试件。由于各组级配的2.36 mm筛孔通过率有较大差别，所以可以清楚地绘制出各组试件的空隙率与2.36 mm筛孔通过率的曲线示意图，然后基于20%的设计空隙率确定恰当的级配。混合料试件空隙率与2.36 mm筛孔通过率对应变化，拟合的关系曲线如图1所示。

空隙率关系曲线

从图1可知：当2.36 mm筛孔通过率为11.2%时，马歇尔试件空隙率约为20%，与设计空隙率一致。通过对三种级配进行比较分析，确定级配B为设计级配。

2.4 最佳沥青用量的确定

最佳沥青用量确定方法：1）根据级配B以及通过计算得到的最佳沥青用量±0.5%、±1.0%作为变量进行谢伦堡析漏试验、肯塔堡飞散试验;2）通过这两种试验分别测出沥青用量的上下限，然后借助马歇尔稳定度的取值，确定最终沥青用量;3）根据试验数据拟合析漏损失、飞散损失与油石比之间的关系曲线，取其拐点对应的油石比作为沥青用量取值范围[4]。

（1）根据试验数据绘制析漏试验的结果与沥青用量的关系图，找到曲线拐点所对应的沥青用量即为沥青混合料的最大沥青用量，析漏试验结果与油石比关系如图2所示。根据图2可知，析漏试验与油石比关系图的拐点所对应的油石比约为4.5%。

（2）运用肯塔堡飞散试验，可确定混合料飞散损失和油石比关系曲线，进而确定混合料最少沥青用量。 飞散损失与油石比的关系如图3所示，根据图3可知，飞散损失与油石比关系图的拐点所对应的油石比约为4.1%。

（3）根据图2和图3结果可知，最小沥青用量为4.1%，最大沥青用量为4.5%，可得该研究混合料最佳沥青用量范围为4.1%～4.5%。然后参考马歇尔稳定度确定最佳沥青用量，综上所述最终确定沥青最佳用量为4.5%，此时的大空隙沥青混合料性能最佳。

3 大空隙沥青混合料性能分析

3.1 排水能力分析

排水性能是衡量大空隙沥青混合料性能的主要性能指标，该文运用常水头渗透仪测定混合料空隙率与排水性能的关系，以分析材料空隙率对材料排水性能的影响[5]。

试验开始前，首先制作三组目标空隙率分别为18%、20%和22%的马歇尔试件，每组三个试件。对上述试件分别进行渗水试验。通过试验数据统计可知空隙率从18%提高到22%，竖向、横向渗透系数均呈线性增加。因此设计透水路面时，可以通过增大空隙率的方式来提高道路排水能力。55C3C0E9-68E2-481D-AC96-F072FCF997D7

3.2 降噪性能分析

考虑到在雨天道路噪声会增大，试验时在某大空隙沥青路面和普通路面试验路段进行路面噪声大小的测量，由不同的实验数据比较分析来反映各自的降噪能力。从试验结论数据显示，在路面干燥的条件下，大空隙路面的噪声值比普通路面下降了4 dB;在路面潮湿的条件下，大空隙路面的噪声值比普通路面下降了8 dB。

3.3 路用性能研究

试验所用试件均采用表3中确定的级配B及最佳的沥青用量为4.4%来进行配制，试验结论如下：

（1）水稳定性：经标准浸水马歇尔试验，计算混合料残留稳定度值为86.5%，高于规范要求的85%;经冻融劈裂试验，计算混合料冻融劈裂强度比为87%，高于规范要求的80%;根据浸水马歇尔以及冻融劈裂两种试验结论数据，可得出文章设计的大空隙沥青混合料所检测水稳定性指标符合规范的要求。

（2）高温稳定性：车辙动稳定度试验结果显示，大空隙沥青混合料空隙率在17%～23%内都满足规范的要求，并且动稳定度都大于建议值≥3 500次/mm。

（3）低温稳定性：以小梁弯曲试验测定大空隙沥青混合料低温性，试验结果显示随着试件空隙率的增加，极限破坏应变逐渐减小，表明混合料空隙率对其低温抗裂性影响显著，为保证路面低温抗裂性能，应合理控制铺筑混合料空隙率[6]。

4 试验路施工效果分析

4.1 试验路工程概况

试验段属于路面大修的一部分，选取了500 m维修路段作为试验段，为了加快雨水排出道路，防止路面积水，在此段路选择大空隙沥青混合料重新铺筑。

试验段的混合料级配采用表4中确定的级配B，其目标空隙率为20%，最佳沥青用量选用4.4%。因原材料存在一些变化，级配稍有不同，但是与实验室级配B基本没太大差别。

4.2 性能检测

4.2.1 排水性能检测

试验选取三个桩号，每个桩号随机选取三个测点，计算各桩号测点的平均值，通过路面渗水仪进行试验，试验结果显示测试点1平均渗透系数1 489（ml/15 s）;测试点2平均渗透系数1 479（ml/15 s）;测试点3平均渗透系数1 498（ml/15 s）。

根据国内外规范及经验所得，大空隙路面测试的渗透系数一般要求大于800 ml/15 s，可知检测结果符合要求。

4.2.2 降噪性能检测

检测噪声的工具安装在道路旁，距地面1 m左右。检测车分别以60 km/h、80 km/h、100 km/h的行驶速度驶过测试点，不同车速下的噪声值分别为：车速60 km/h，降噪量3.7 dB;车速80 km/h，降噪量5.1 dB;车速100 km/h，降噪量6.4 dB。

测试结果可以看出，大空隙路面的噪声比密级配普通路面的噪声明显要小，当速度分别为60 km/h、100 km/h时，降噪量分别为3.7 dB、6.4 dB，可见行驶速度越快，大空隙道路降噪性能越好。

4.2.3 其他路用性能检测

经试验并计算，该路段平均弯沉值为49，达到道路承载力所需要求;以摆式仪对路面抗滑性能进行检测，根据实验数据分析，各桩号测点摩擦系数均大于0.45，远大于规范要求;经平整度试验检测，最大值为4 mm，符合规范<5 mm的限值要求。

5 结论

文章对大空隙沥青路面的用料标准、级配选择、配合比设计等做了详细的分析，对混合料排水、降噪性能和路用性能进行了验证，结合试验路的工程实践，得到如下结论：

（1）大空隙沥青混合料的各类原材料均应符合质量性能指标，设计空隙率为20%，通过比选，最终确定4.5%为最佳沥青用量。

（2）大空隙沥青混合料首要的特性是排水性能，而空隙率对大空隙沥青路面排水性能有重要影响。经试验分析空隙率从18%提高到22%，竖向、横向渗透系数均呈线性增加。因此设计透水路面时，可以通过增大空隙率的方式来提高道路排水能力。

（3）选择表3中的矿料级配B，设计空隙率为20%，4.5%为最佳沥青用量，经马歇尔试验、抗压模量压缩试验验证，此大空隙沥青混合料路面具有足够的力学强度，可以满足行车需求。且通过试验检测，验证了此大空隙沥青路面混合料设计方案的排水、降噪及抗滑路用性能，均达到了设计目标。

（4）选择高速公路积水严重的部分区域作为试验路，采用大空隙沥青路面方案。经试验检测排水、降噪性能达到设计要求，且大空隙路面的弯沉值、抗滑性能和平整度均满足规范要求。

参考文献

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[4]彭铁祥， 喻峥嵘. 表层排水沥青路面在岳望高速工程中的应用[J]. 湖南交通科技， 2020（2）： 41-44+53.

[5]歐毅. 排水沥青路面技术在湖南省新建高速公路及旧路处治中的应用[J]. 湖南交通科技， 2018（2）： 65-67.

[6]黄立葵， 吴文斌， 沈庆. 透水沥青面层裂缝扩展的动水压力影响分析[J]. 公路工程， 2019（3）： 181-185.

收稿日期：2022-03-15

作者简介：何刚（1987—），男，本科，工程师，研究方向：高速养护施工管理。55C3C0E9-68E2-481D-AC96-F072FCF997D7