排水型沥青路面在揭博高速公路的应用与研究

排水型沥青路面在揭博高速公路的应用与研究
吕明敏;许新权;李浩
【摘要】排水型基层沥青路面对于解决半刚性基层沥青路面因水敏感而出现的严重水损坏问题具有较好的效果.依托揭博高速公路实体工程,对主线结构及ATPB基层排水型沥青路面力学响应及疲劳寿命进行了对比分析.对适宜广东地区的排水型沥青混合料ATPB的级配进行了优化,开展了排水型沥青混合料的性能研究.通过在排水型沥青路面试验段的填方及挖方段布设湿度传感器,并进行了跟踪观测,结果表明:排水型沥青路面疲劳寿命较主线结构更优;挖方路基段更有利于排水基层排水功能的发挥,排水型基层具有优良的排水的效果.挖方路基湿度受雨水影响较大,应加强对边沟等排水设施的处理以充分发挥其排水功能.
【期刊名称】《广东公路交通》
【年(卷),期】2018(044)002
【总页数】6页(P7-12)
【关键词】道路工程;排水型沥青路面;配合比设计;路用性能;应用
【作者】吕明敏;许新权;李浩
【作者单位】广东省路桥建设发展有限公司,广州510623;广东华路交通科技有限公司,广州510420;广东华路交通科技有限公司,广州510420
【正文语种】中文
【中图分类】U416.217
0 引言
半刚性基层材料的致密性和水敏感性导致外界水分进入基层与面层界面后难以排出,致使层与层分离,在交通荷载作用下,引发致唧泥、翻浆等病害,导致路面的服务水平及路面的使用寿命下降[1]。

针对此类问题,杨扬[2]对寒区半刚性基层沥青路面的冻胀病害开展了针对性的研究,对比了半刚性基层和柔性基层沥青路面水损病害发生的概率,表明柔性基层沥青路面具有更好的水稳性能；杜顺成[3]根据大量室内试验的结果,提出了排水型材料的特点及应满足的技术要求；樊锐[4]通过有限元分析,论证了ATPB排水型材料作为基层的可行性,并对ATPB的厚度及施工给出了建议；张亚军[5]根据半刚性基层材料水损病害的特点,分析了排水型材料应满足的要求。

综上所述,现有研究成果主要集中于室内研究及抗冻性研究,缺乏湿热多雨条件下的针对性研究,也少有实际工程依托及后期跟踪观测的案例。

因此,本文依托汕湛高速公路揭博段项目,通过室内试验和现场试验路铺筑验证,开展排水基层沥青路面在广东地区高速公路的应用研究,为解决广东地区沥青路面水损病害、提高路面的使用寿命提供了新的思路。

1 工程概况
揭博高速公路全长160.34 km,主线采用沥青混凝土路面。

为验证排水基层沥青路面的施工工艺及路用效果,在揭博高速公路上铺装了800m的排水基层沥青路面试验路,主线路面及试验路路面结构如表1所示。

表1 路面结构型式层位主线路面结构试验段路面结构上面层 4.5 cm PG76改性GAC-16沥青混凝土中面层 5.5 cm SBS改性 GAC-20沥青混凝土下面层 7.0 cm 普通沥青 GAC-25沥青混凝土上基层 18 cm水稳碎石 10 cm排水基层ATPB-25下基层 18 cm 水稳碎石底基层 20 cm水稳碎石 18 cm水稳碎石垫层 15 cm级配
碎石 25 cm级配碎石路基土基回弹模量要求≥40 MPa
2 力学响应分析
2.1 计算模式
采用道路力学计算软件bisar3.0对比分析主线路面结构与排水型沥青路面结构的力学响应。

计算假设层间完全连续,各材料层为各向同性均匀体,加载模式取双圆均布荷载,荷载圆半径为 R=10.65 cm,轴载为100 kN,轮胎接地压强为 P=0.7 MPa。

2.2 结构及材料参数
路面计算结构型式参照表1实际路面结构型式,材料参数取值如表2所示。

表2 材料参数取值 (单位:MPa)层位主线路面结构试验段路面结构上面层2 500中面层 2 500下面层 2 500上基层 4 000 3 000下基层 4 000底基层 3 500 4 000垫层 450 450路基65
2.3 力学响应计算结果
对比两种结构型式的力学响应计算结果,如表3所示。

表3 两种结构型式路面力学响应结果力学指标主线结构试验段结构路表弯沉值
/0.01 mm 18.2 19.3沥青层底应力/MPa -0.085 7 -0.032 3沥青层底应变/με 8.6 6.5基层底应力/MPa 0.048 2 0.134 0基层底应变/με 11.8 26.5土基顶面压应变/με64.7 74.5
由表3可见,相比于主线结构,试验段结构沥青层底压应力较小,其他指标数值均更大一些。

2.4 疲劳寿命对比分析
2.4.1 主线路面结构
主线路面结构为传统的半刚性基层沥青路面,因此,按照我国《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)验算其疲劳寿命。

2006版规范中,通过弯沉值的疲劳寿命验算公式为:
其中,ld为设计弯沉值,AC、AS、Ab分别为公路等级系数、面层类型系数及路面结构类型系数,取值均为1,Ne为设计年限内一个车道的累计当量轴次。

公式进一步变形,可以得到:,,通过弯沉值反算半刚性基层沥青路面的极限累计当量轴次为3.89×1017(次/车道)。

按照2006版规范中关于基层底拉应力与疲劳寿命的关系:
式中,σR为路面结构材料层最大拉应力,σS为极限劈裂强度,半刚性基层材料劈裂强度σS取0.6 MPa。

KS为抗拉强度结构系数,AC为公路等级系数,本文AC取值为1.0。

各参数的物理意义参阅2006版《公路沥青路面设计规范》。

根据水稳基层层底最大拉应力反算得到的疲劳寿命为1.25×109(次/车道)。

2.4.2 试验路结构
柔性基层沥青路面疲劳寿命计算参照SHELL设计法中的计算方法,壳牌设计法通过沥青层底弯拉应变和土基顶面压应变来控制沥青路面的疲劳寿命。

式中,Nf为疲劳破坏时疲劳应变的作用次数；Smix为沥青混合料的劲度模量；Vbit为沥青所占的体积,ε为疲劳应变。

将上节计算得到的应变值分别代入沥青混合料和路基疲劳方程式(6)、式(7)中,计算得到柔性基层沥青路面结构的疲劳寿命。

根据沥青混合料层底拉应变反算得到的疲劳寿命为1.34×1016(次/车道),根据土基顶面压应变反算得到的疲劳寿命为
2.00×1010(次/车道)。

综合比较两种结构型式沥青路面的疲劳寿命,半刚性基层、柔性基层沥青路面的疲劳寿命分别为 1.25×109次/车道、2.00×1010次/车道。

可见柔性基层沥青路面在疲劳寿命方面有一定优势。

3 原材料及配合比设计
3.1 原材料
排水基层沥青混合料采用70号基质沥青。

沥青试验项目、技术要求及技术检测结果见表4,沥青指标均满足现行规范要求。

表4 沥青技术要求及检测结果试验项目技术要求试验结果针入度(25℃,100 g,5 s)/0.1 mm 60～80 64针入度指数PI 46 48.8 60℃动力黏度/(Pa·s) ≥-1.5～+1.0 -1.45软化点/℃ ≥180 189 10℃延度/cm ≥15 26 15℃延度/cm ≥100 ＞100闪点/℃ ≥260 343薄膜加热后残留物质量变化/(%)61 67.9残留延度(10℃)/cm ≥-0.8～+0.8 -0.04残留针入度比/(%) ≥6 8.1残留延度(15℃)/cm / 31.3
粗集料为紫金县廖坑石场生产,集料规格分别为S8(10～25 mm)、S9(10～20 mm)、S12(5～10 mm)、S14(3～5 mm)碎石；细集料采用S16(0～3 mm)石屑,集料各项指标均满足现行规范要求[6]。

3.2 配合比设计
采用析漏试验和飞散试验初步确定其沥青用量范围,在此基础上,进行大马歇尔试验及性能验证试验确定ATPB混合料的最佳沥青用量。

现行规范[7]对ATPB的技术指标及标准如表5。

表5 技术指标及标准项目空隙率/(%)/mm要求 16～20 ＜0.3 ＜30 ≥析漏损失/(%)飞散损失/(%)稳定度/kN 流值8 2～6
3.2.1 矿料级配设计
根据筛分试验结果进行掺配,共配制了五种级配以进行级配优化设计,见表6。

五种级配的主要区别在于4.75 mm筛孔通过率,筛孔通过率增加间隔为3%或4%。

随着级配序号的增加,4.75 mm筛孔通过率逐渐增加,级配逐渐变细。

表6 ATPB-25矿料合成级配合成级配/(%)筛孔尺寸/mm 1 2 3 4 5级配范围
/(%)31.5 100 100 100 100 100 100～100 26.5 100 99.6 99.7 99.7 99.8 80～
100 19 66.5 65.0 69.4 72.4 79.8 60～90 16 52.8 52.6 57.7 59.6 68.6 50～85 13.2 42.0 43.1 47.6 51.1 58.1 35～73 9.5 28.9 31.3 35.4 39.3 46.5 26～58
4.75 11.5 1
5.5 20.5 23.5 2
6.4 11～33 2.36 8.1 9.5 13.1 16.6 16.6 6～21 1.18
5.5 7.9 10.2 12.6 12.6 3～15 0.6 4.6
6.4 8.2 10.0 10.1 2～12 0.3 3.9 5.1 6.3
7.7 7.7 1～11 0.15 2.9 3.6 4.4 5.2 5.2 0～8 0.075 2.2 2.5 3.1 3.4 3.4 0～6
3.2.2 确定最佳沥青用量
根据规范确定最佳沥青用量的方法,初拟油石比范围为2.5% ～4.5%,油石比变化幅度为0.5%。

分别对成型的试件进行析漏试验和飞散试验,结果分别见表7和表8。

表7 ATPB-25析漏试验结果级配油石比/(%)2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 1 0.08 0.17 0.44 0.79 1.25 2 0.07 0.18 0.31 0.68 1.03 3 0.06 0.10 0.22 0.53 1.01 4 0.05 0.09 0.12 0.30 0.66 5 0.03 0.06 0.08 0.24 0.55技术要求≤0.3%
表8 ATPB-25飞散试验结果油石比/(%)级配2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 1 70.3 55.3 42.2 28.1 22.1 2 56.9 46.5 33.6 23.7 18.3 3 57.6 44.1 27.6 23.5 11.9 4 - 49.7 21.2 18.2 10.8 5 48.3 31.5 18.9 16.5 7.4技术要求≤30%
由表7可得,析漏值的变化规律一致表现为:随着级配变粗,析漏值不断变大；且随着油石比的增大,析漏值先增长较慢,后迅速增加。

可见,油石比过大,易造成析漏值不合格,应限制沥青的最大用量。

根据技术要求,确定五种级配的最大油石比分别为
3.3%、3.5%、3.6%、
4.0%、4.1%。

由表8可得,飞散损失的变化规律一致表现为:随着级配的变粗,飞散损失不断变大；且随着油石比的增大,飞散损失先迅速下降,后下降幅度较小。

可见,油石比过小,易造成飞散损失不合格,应限制沥青的最小用量。

根据技术要求,确定五种级配的最小油石比分别为2.9%、2.9%、2.8% 、2.7% 、2.6% 。

因此,得到五种级配的油石比范围,见表9。

表9 油石比范围级配编号油石比范围/(%)1 2.9～3.4 2 2.8～3.5 3 2.8～3.7 4
2.7～
3.9 5 2.6～
4.1
根据每种级配的油石比范围,每种级配各选择2～3个油石比成型大马歇尔试件,分
别进行体积指标、稳定度、流值的测试,试验结果见表10。

表10 ATPB-25大马歇尔试验结果级配油石比空隙率/(%)流值/稳定度/kN 0.01 mm 12.9 27.3 -- --3.2 26.3 -- --2.9 22.0 7.07 45.2 23.2 21.1 7.86 43.1 3.5 18.6 9.16 44.1 2.8 19.3 9.15 46.9 33.1 18.6 11.12 44.8 3.4 17.5 9.85 45.6 2.8 17.6 11.23 46.3 43.1 16.0 10.32 47.9 3.4 14.6 11.34 44.1 2.7 14.9 13.12 45.9 53.0 13.9 14.11 47.3 3.3 12.9 12.59 45.0技术要求 - 16～20 ≥8 35～90
由试验结果可知,级配1空隙率大、级配5空隙率小,均不在规范要求范围内,故不作考虑。

因此,仅考虑余下的三种级配,根据其稳定度和流值,确定其最佳油石比分别为3.5%、3.1%、2.8%。

3.2.3 性能验证试验
根据初步拟选的三种级配的最佳油石比,室内成型马歇尔试件,进行水稳定性能及高
温稳定性能验证。

此外,针对排水型材料的特殊要求,室内也进行了渗水试验以评价
其排水效果。

3.2.3.1 水稳定性试验
浸水残留稳定度、冻融劈裂试验结果分别见表11和表12。

表11 浸水残留稳定度试验结果级配编号最佳油石比/(%)浸水时间/h稳定度/kN
浸水残留稳定度/(%)0.5 9.22 2 3.578.6 48 7.25 0.5 11.12 3 3.189.5 48 9.87 0.5 11.45 4 2.892.1 48 10.56技术要求≥75
表12 冻融劈裂试验结果级配最佳油石比/(%)试验条件劈裂抗拉强度/MPa残留
稳定度/(%)2 3.5 未冻融试件破损3 3.1 未冻融0.53冻融-85.4 4 2.8 未冻融0.63冻融0.56 83.5技术要求≥70 0.68冻融0.55
由试验结果可知,级配2冻融循环后,试件破损；级配3和级配4水稳定性能较好,均能满足现行规范要求。

3.2.3.2 渗水性能试验
考虑到排水型路面对排水的特殊要求,在室内成型车辙板以进行渗水性能测试,结果如表13所示。

表13 渗水试验结果级配油石比/(%)渗水时间/s渗水量/mL渗水系数/(ml/min)2 3.5 3.0 400 8 000 3 3.1 2.3 400 10 435 4 2.8 3.5 400 6 857
可见,级配3的渗水系数最大,级配2其次,级配4最小。

3.2.3.3 高温稳定性检验试验
车辙试验结果如表14所示,级配2的高温稳定性能不满足规范要求。

相比于级配3而言,级配4的高温稳定性更优。

表14 车辙试验结果级配类型轮压/MPa 试验温度/℃动稳定度/(次/mm)894 0.7 601 556 2 552技术要求≥1 000(次/mm)234
综合考虑ATPB排水型基层的水稳定性能和高温稳定性能,推荐级配4作为最优配合比。

4 试验路的铺筑及路用效果
4.1 试验路的铺筑
选用优选的级配4进行大空隙排水式沥青混合料的铺筑,其拌合、运输及摊铺工艺均与常规密级配沥青混合料的工艺基本相同。

采用的碾压工艺:(1)初压。

钢轮静压一遍；(2)复压。

钢轮强振两遍,胶轮揉搓两遍,钢轮在前；(3)终压。

钢轮碾压1～2遍,以无轮迹为准。

试验路铺筑完成后对该结构层的压实度、厚度、平整度、渗水效果等指标进行了检测,结果表明:压实度、厚度均能满足设计要求,压实后的空隙率分布在15% ～20%之间,现场的渗水系数分布在5 000～12 000 ml/min之间,排水良好。

4.2 排水效果及路用性能
为检验试验路的排水效果,在试验路段选取填方、填挖交界路段垫层底分别布置2
个湿度传感器,课题组人员于雨前和雨后对垫层下湿度传感器进行观测,以比较雨前
雨后的整体排水效果。

通过观测可知:试验路段填方处垫层下的雨后湿度值为12%左右,雨前测量值为8%左右,两者基本处于同一湿度水平；填挖交界处雨后湿度为39%左右,雨前测量湿度值为10%,雨后湿度值远大于雨前值。

由此可见,挖方路段
更利于排水式沥青基层排水功能的发挥。

揭博高速公路于2015年12月28日建成通车,已通车两年,课题组每半年均对试验路段进行观测,目前试验路段与相邻的普通路段路面的使用性能均良好,试验路段的
路面表观状况见图1。

图1 试验路表观状况
5 结语
本文针对半刚性基层沥青路面因水敏感而容易出现的严重水损坏问题,依托揭博高
速公路实体工程,开展了排水基层沥青路面在揭博高速公路中的应用研究；通过对
比主线路面结构和排水型沥青路面结构的力学响应及疲劳寿命及对试验路的连续两年的跟踪观测,结果表明:排水型沥青路面疲劳寿命更优；挖方路基更有利于排水基
层排水功能的发挥,排水型上基层具有优良的排水的效果；填挖路基湿度受雨水影
响较大,应加强对边沟等排水设施等的处理以充分发挥其排水功能。

经过两年的通车检验,排水基层沥青路面使用性能良好,研究成果可丰富广东省的沥
青路面结构类型,提高广东地区高速公路沥青路面的使用性能,延长路面的使用寿命。

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