（材料学专业论文）排水性沥青路面技术性能研究.pdf

摘要 排水性沥青混合料( o g f c ) 修筑的沥青路面排水性路面，是一种具有相互连通 孔隙的开级配混合料，具有优良的排水、降噪、防滑等功能，越来越受到道路界人士的 关注。 本论文介绍了排水性路面在国内外的发展情况及使用状况。阐述了排水性沥青混合 料的粘结料及粗、细粒料的选择，并针对桥面铺装层对o g f c 力学性能方面的要求，从 沥青胶结材料方面对o g f c 的性能进行改善。通过s b s 、s b r 和p e 复合改性的方法开 发出了适合于o g f c 的高粘度改性沥青。在分析各国o g f c 级配的基础上，利用开发 出的高粘度改性沥青，优化设计出满足高速公路路用性能要求，具有优良的排水、降噪、 防滑等功能的开级配沥青磨耗层混合料，并对其各项性能进行了系统研究。本文还针对 厦门市地区气温高、日照强等气候特点，研究了热老化对不同空隙率排水性沥青混合料 高温、低温、抗水损害性能的影响。最后在厦门市疏港路高架桥上铺筑了试验段，对排 水性路面的施工工艺进行了探讨。 关键词：排水性沥青路面，高粘度改性沥青，配合比设计，路用性能，热老化，施 工工艺 a b s t r a c t p o r o u sa s p h a l tp a v e m e n ti sak i n d o fo p e ng r a d e df r i c t i o nc o u r s e ，i th a s g o o d p e r f o r m a n c eo nd r a i n i n g ，a n t i s l i d ea n dn o i s er e d u c i n ge t c d e v e l o p m e n ta n de m p l o y m e n to fp o r o u sa s p h a l tp a v e m e n tw e r ei n t r o d u c e di n t h i s p a p e r g u i d a n c ef o rt h es e l e c t i o no fm a t e r i a l su s e di np o r o u sa s p h a l tm i x t u r es u c ha s a g g r e g a t e sa n db i n d e r si se x p o u n d e d ，a n dh i g hv i s c o s i t ym o d i f i e da s p h a l tu s e di no g f cw a s m a d ew i t hs b s ，s b ra n dp e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ea g g r e g a t eg r a d a t i o n ，t h ed e s i g n m e t h o do fp o r o u sa s p h a l tm i x t u r ei ss t u d i e d ，t h eo p t i m u ma g g r e g a t eg r a d i n ga n dt h ed e s i g n m e t h o do fp o r o u sa s p h a l tm i x t u r ea r ep r e s e n t e d t h et e s tr e s u l ts h o wt h a to g f ch a ss u p e r i o r p a v e m e n tp e r f o r m a n c e a c c o r d i n g t ot h eu n i q u ec l i m ei nt h ex i a m e ns u c ha s h i g h t e m p e r a t u r e ，s t r o n gs u n l i g h t ，t h i sp a p e rs t u d yt h eh e a td u r a b i l i t yo ft h ep o r o u sa s p h a l t p a v e m e n t t h et e s tr o a dw a sp a v e di nx i a m e ns u g a nr o a dv i a d u c t ，a n dt h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d o fp o r o u sa s p h a l tm i x w a sr e s e a r c h e d k e y w o r d s ：p o r o u s a s p h a l tp a v e m e n t ；h i g hv i s c o s i t ym o d i f i e da s p h a l t ；g r a d e d e s i g n ；p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ；h e a t i n ga g e i n g ；c o n s t r u c t i o nm e t h o d i l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任e h 本人承担。 论文作者签名：铬丢氩匕力椤年月孑日 论文知识产权权属声明 论文作者签名：貉备盗乙研月扩日 别帷各彳一泸钿弘 长安大学硕士学位论文 1 1课题的提出及研究意义 第一章绪论 1 1 1 问题的提出及研究意义 近二十年来是我国公路史上交通发展速度最快、规模最大以及最具活力的时期，我 国高速公路建设事业也迎来了历史上最好的发展机遇。至t 2 0 0 6 年底，全国高速公路总里 程达n 4 5 万公里，初步形成一个干支衔接、布局合理、四通八达的全国公路网。同时我 国高速公路的质量管理逐步规范化、制度化，交通基础设施建设质量有了大幅度的提高， 其中部分公路的建设质量己达到或接近国际先进水平。 随着我国公路建设的发展，车流量增大、车速提高，交通噪音和抗滑安全性问题日 益严重，对路面的要求越来越高。公路沥青路面表层的构造深度和防水损害一直没有很 好解决，城市道路对噪音和抗滑性也越来越重视。从国外的使用情况来看，在某些地区， 低噪音排水性路面是一种有望解决此类问题的选择。在本课题依托工程所处的福建省厦 门市的公路沥青路面的使用中也不同程度存在着交通噪声污染和道路抗滑能力下降等 问题，不很好地解决这些问题，还将继续造成大量交通噪声污染，影响到沥青路面的使 用性能，从而产生较大的经济损失、人员伤亡和不良的社会影响。排水性路面的应用， 将能够有效解决厦门市公路沥青面层表面抗滑性、交通噪声污染以及交通安全等问题和 现象。 低噪音排水性沥青混合料设计成一种具有相互连通空隙的开级配沥青混合料，为降 雨时提供了排水通道。雨水垂直通过低噪音排水性沥青混合料到达不渗水的下卧层表 面，然后从侧向排到路面的边缘。可有效的解决我国夏季多雨带来的交通危害。而且， 低噪音排水性路面还具有防滑、降噪等性能。 我国地域辽阔，南北气候不一，北方寒冷干燥，南方高温多雨，这些自然条件对沥 青混合料性能影响较大。因此我国广大地区与世界同纬度地区如欧洲、美国、日本相比， 夏季炎热，而夏季高温季节行车是造成车辙的最主要因素。国外现行o g f c 设计方法无 法满足我国高等级路面对车辙性能的要求，研究适合我国高等级排水性路面的孔隙率范 围、混合料设计和施工方法具有重要意义。 1 1 2 降噪、防滑措施分析 道路交通噪音是由各种各样的复杂因素造成的，从噪音源角度看，公路交通噪音 第一章绪论 主要是车辆行驶时车辆本身以及轮胎与路面间的相互作用产生的。研究表明，当行驶速 度大于5 0 k m h 时，对于大、中型载货车，发动机的噪声大于轮胎与路面间相互作用的噪 声，而对于小汽车和轻型车，则后者的噪声大于前者【3 4 1 。因此，国际上普遍采用改善道 路行车环境，提高轮胎与路面的噪声控制能力的方法降噪，主要有三个途径：一是种植 降噪绿化林带；二是采用吸隔音技术，在路边建声屏障；三是从改进路面的结构形式， 改善面层混合料的组成等方面入手谋求降低轮胎一路面噪声的技术措施。 沥青路面的滑动摩擦系数，随其配合比在较大的范围内变动，常年变化较大。滑动 摩擦系数最大和最小的均是沥青路面。这是由于沥青本身滑动摩擦系数小，以及沥青用 量变化范围大和沥青的流动性等因素造成的。为使沥青路面具有良好的抗滑性能，常用 的有以下五种措施：一是设计开级配沥青路面，减少结合料，使露出表面的骨料增多， 亦可考虑掺入橡胶等优质结合料；二是改善沥青材料，作为防滑措施除了掺配橡胶以外， 国外( 如英国) 考虑了让沥青老化的方法。沥青老化后，则路面在汽车磨耗作用下，骨料 飞散，沥青也同时磨耗，故防滑特性良好，但在我国此种方法并不适用；三是利用特殊 骨料，要提高沥青路面的摩擦系数，就要使用表面粗糙、有尖锐棱角的骨料；四是控制 沥青材料，要求在施工和设计中严格控制油石比，绝不允许沥青用量多到充满矿料的所 有缝隙，达到路面表面：五是路面要求有一定的构造纹理，实践表明，粗糙面和细糙面 表面均有较好粗糙度，摩擦系数均较高。粗糙面层结构应以沥青碎石或开级配沥青混凝 土类型为佳。 1 1 3 排水性沥青路面特点 高等级公路路面结构不仅要具备足够的强度抵御上百万次的行车荷载的重复作用， 还必须具有足够的表面功能以保证车辆高速行驶时获得足够的舒适性和安全性。由于排 水性路面其独特的功效，能很好适应这一需求，逐步受到道路界人士的青睐。 所谓排水性沥青路面，也称多空隙沥青路面，又称低噪声路面。它是指粗集料多采 用单一粒径碎石，目标设计空隙率为2 0 士2 ，设计沥青用量为4 5 左右的间断级配沥 青混凝土。一般用于旧路面罩面或新建路面表层。由于设计空隙率大，地表降水透过多 孔透水沥青表层，沿下面层表面排至两侧边沟泄走。使用这种表层，不仅有效地降低表 面积水引起的雨雾、溅水及晴日眩光，而且提供了足够的表面粗糙度，降低了车辙变形， 并可降低沿线噪音3 - - 8 d b ( a ) 左右【3 9 1 。 国外文献指出【2 8 1 ，铺筑排水性路面的主要目的是提高驾乘人员的舒适性与安全性。 2 长安大学硕士学位论文 它具有下述特点： 1 、 良好的降噪效果 行车噪声是由轮胎与路面间空气的抽吸与压缩，轮胎在路面上的振动产生的。排水 性路面在很大程度上消除了空气的抽吸与压缩，因此起到了降低噪声的作用。 由于各国测量噪声的方法不同，所以得出的排水性路面降低噪声的结果也不一样。 比利时测得最大噪声的传统路面比最小噪声的排水性路面的噪声大1 5 d b ( a ) 。在雨天 潮湿路面情况下，排水性路面增加噪声1 5 d b ( a ) ，而密实沥青路面增加噪声4 d b ( a ) 。西 班牙测得排水性路面通常降低噪声约4 d b ( a ) ，最有效的降低噪声范围是在大于1 5 0 0 h z 的高频区【4 3 1 。 2 、透水性好 由于具有互通的空隙结构，空隙率达1 5 - 2 5 ，铺筑厚度为4 - - 5 c m 的排水性路面结 构存在大量的有效空隙，所以雨天路面不积水。因此，透水性是排水性路面又一重要的 特性。 3 、抗滑性好 由于表面粗糙度大，不仅在干燥路面条件下，中、低车速时，其抗滑性与传统的密 实沥青路面略高；高车速时，其抗滑性较高，而且在潮湿路面条件下，大大提高了路面 的抗滑性。 新建的排水性路面其抗滑阻力比期望值低。只有当集料上的沥青薄层被磨耗掉后， 抗滑阻力才会提高到正常水平。所以排水性路面的抗滑阻力在铺筑的第一年里逐渐增 加，以后若干年轻微下降，5 年后抗滑阻力保持在一个令人满意的水平。 4 、 安全性高 由于路面无积水，可提高轮胎与路面的附着力，防止水漂事故的发生，而且可减少 溅水和喷雾，提高雨天行车的能见度。另一方面，由于表面粗糙，易于形成漫反射，在 白天可以防止阳光耀眼，在夜晚能减缓对向车灯的眩目。 5 、 强度和耐久性好 由于排水性路面仅用于路面面层，结构强度不成问题。每年的车辙增加深度一般不 超过0 5 m m ，排水性路面的典型破坏是脱落。 西班牙的研究表明，只要设计方法得当，结构强度不成问题，耐久性方面，对于一 般交通量道路，使用年限在1 0 年以上，对于重交通道路，其使用年限在8 年以上【3 4 1 。 3 第章绪论 12 国内外研究概况 1 21 国外研究概况 排水性路面土要由高孔隙率的沥青混凝土取代传统沥青混凝土，在路面排水的机 理扛，利用面层材料的内部连通空隙达到排水功能，如图l1 所示。目前路面工程界对高 空隙率的沥青混凝上面层有两种名词，美国方面称之为开级配摩耗层( o p e l lg r a d e d f r i c t i o n c o u r s e s ，简称为o g f c ) ，一般铺设厚度约为15 2 锄；欧洲及日本则称之为多 孔隙沥青( p o r o u s a s p h a l t ，简称p a ) 或排水层( d r a i n a g e c o u r s e ) ，同本则称为排水性 铺面一般铺设厚度约为4 5 c m 。 母； $ 口l 目 # i 目 一镕 镕水蒴 m 州l 舶i j 匿噩豆重量垂蚕圈n ”百 二二二二二二 ：、o 匿量匿墨噩量妥圈5 i 6 e 嗣 图1 1 不同路面铺装的排水机制” 1 、 美国的，l ：级配摩耗层 美国 在1 9 4 4 年便有o g f c 试验路段的记录e ：i ，发展至今已有将近6 0 年的历史，而 截至1 9 9 8 年为止，却只有2 2 个州继续铺设o g f c ，另有2 2 个州是曾经铺设，但目前已1 ； 再使用，而有6 个州是不曾采用过【圳。不曾采用o g f c 的州公路单位，可能是基于气候及 环境等因素而不需要此种设计，但许多州公路单位皿是曾经铺设而目前不冉采用，原因 不容忽视。 曾经铺设o g f c 而现在停止使用的州，主要的问题有三：第一个问题是o g f c 的功 长安大学硕十学位论文 能性在短短几年内，就因粉尘或去冰盐阻塞空隙，而丧失透水性，导致o g f c 的寿命周 期缩短，尤其铺设于城市中，这一问题更加明显；第二个是松散( r a v e l i n g ) 的问题， o g f c 在短短的6 - - 8 年，便有松散的问题发生，传统密级配使用年限平均1 3 年，o g f c 服务年限与之相比，只有约一半的寿命；最后是其破坏机制，从发现小孔洞到全面破坏， 通常只有数周到一个月，松散破坏速度之快，让铺面工程师头痛不已。基于以上三个原 因，使得美国有2 2 个州决定停止使用o g f c t 2 5 1 。 o g f c 的集料构成是由粗骨料占大部分，并配合少量的细集料所组成。美国各州 o g f c 级配粗集料比例约占6 0 - - - 8 0 ，与密级配粗集料比例约3 0 - 5 0 相比，明显较粗， 所以能提供较高的空隙率。美国各州对o g f c 材料的要求不尽相同，有些州虽对o g f c 集料亦有要求，如乔治亚州要求集料需能抗磨耗且具有破裂面。亚利桑那卅i 对使用橡胶 沥青做为o g f c 粘结材料，对集料要求的各项试验规定比较完整。沥青的选择上，只有 怀俄明州还是使用纯沥青，其它州都开始使用改性沥青，以确保开级配磨耗层能有更好 的成效【2 5 】。 在体积关系上，奥瑞冈州提出空隙率须在1 3 5 1 6 之间，且沥青填满孔隙百分率须 在4 0 - 5 0 之间。奥瑞冈州的o g f c 采用较大的公称最大粒径。由该州在2 0 0 1 年t r b 年会 上发表的文献，可知公称最大粒径为1 英寸的o g f c ，在1 9 8 4 年开始就普遍用在公路上作 为结构层兼具功能性目的，铺筑的厚度一般在5 0 m m 至1 0 0 m m 之间，采用与密级配层相 同的结构层系数。此种材料的施工性较差，使用的主要目的是基于安全性，由于空隙率 在1 5 上下，可有不错的内部排水功能，采用较大粒径则使路面有较深的表观纹理，提 高抗滑性。这种面层材料的试验室稳定值虽低于密级配，但实际路面上的抗车辙变形能 力优于一般密级配，该州的工程师认为，此乃因为实验室内的无侧压试验，不能真正代 表开级配沥青混凝土的力学性质【2 5 1 。 美国亚利桑纳州公路局( a r i z o n ad e p a r t m e n to f t r a n s p o r t a t i o n ，简称为a d o t ) 是另一 个长期在高速公路上采用摩耗层的单位，从1 9 5 4 年便开始使用开级配摩耗层，主要用来 提供路面更佳的抗滑性、行驶品质和雨天的能见度。a d o t 曾对使用一般沥青铺设开级 配( a s p h a l tc o n c r e t ef r i c t i o nc o u r s e ，简称a c f c ) 与使用废轮胎橡胶沥青( a s p h a l t r u b b e r ，简称为a r ) 铺设开级配( 简称为a r o g f c ) ，执行一项长达1 0 年，包括裂缝百分 比、车辙深度、平整度、维护的经费和抗滑值的监测【7 8 】，结果显示无论在抗反射裂缝 或是在抗车辙的成效上，a r o g f c 皆优于o g f c 。在寿命周期花费的比较上，a r o g f c 的成本虽然约为o g f c 的1 3 倍，但平均寿命达1 3 年，l 匕o g f c 的7 年寿命，高出近一倍， 5 第一章绪论 虽然短期成本稍高，但从长期考虑，橡胶沥青便是较具经济性的选择。a r o g f c 除了 兼具抗反射裂缝、抗车辙能力，高抗滑性、平整度的良好表现及养护成本低廉外，另外 根据亚利桑纳运输研究中心于1 9 9 6 年所公布的研究结果【1 1 ，a r o g f c f l 邑, 够减低噪音达 5 7 d b ( a ) 。 2 、欧洲的多孔隙沥青 近几年在欧洲盛行的多孔隙沥青( p o r o u sa s p h a l t ) 最早称为摩耗层( f r i c t i o n c o u r s e ) ，是用在军用机场防止打滑采用的材料，被引用到公路上后，在英国称为透水 性马克当路( p e r v i o u sm a c a d a m ) ，在法国称为排水沥青路面( d r a i na s p h a l t ) ，在德国则 被称为静音沥青路面( w h i s p e r i n ga s p h a l t ) ，直至u 1 9 9 2 年欧洲共同决定采用多孔隙沥青路 面( p o r o u sa s p h a l t ) 作为此种材料的统一名词，是指以沥青粘结特选集料组成使之连续空 隙占2 0 以上的混合料。使用此种混合料做为公路面层的主要目的为改善雨天行车的视 线及降低行车噪音，主要的优点可整理如下： 降低行车噪音。 降低雨天行车时轮胎溅起的水雾量。 降低雨天夜间行车的反光量。 因滚动阻力较低而节省行车油料。 事实上最重要的是行车安全性提升，雨天时因为水雾量低视线较佳，一般状况下， 也因此种路面的表观纹理深度较深而较安全。至于透水沥青的缺点也相当的多，列举如 下： 铺筑此种路面的费用较高。 孔隙率高，所以结构强度较低。 服务年限有可能较短。 冬天路面维护工作变复杂。 一般修补工作不适用在多孔隙沥青铺面。 又因剪力强度较低，可能不适于用在重车较多的地方，否则很容易产生剪力破坏， 最近几年据称可以用改性沥青来改进，而可以适用在重交通处。 ( 1 ) 英国 事实上英国的运输与道路实验室( t r a s p o r t & r o a dr e s e a r c hl a b o r a t o r y ，简称为 t r r l ) 早在1 9 7 0 年代即针对透水沥青路面进行研究，但因当时改性沥青的技术尚未成 熟，t r r l 的研究结果显示该类材料的成效不良。直到最近几年材料科技进步后，在1 9 9 5 6 长安大学硕士学位论文 年，进行不少透水沥青路面的铺筑试验，证明该类路面确有降低噪音及减少雨天行车水 膜的效果。根据英国的研究，在高速行驶的车轮后方约一公尺，装设量测溅起水雾量的 装置，发现在相同的状况下，在全新透水沥青路面上溅起的水雾量约只有一般密级配路 面的5 - 一1 0 1 1 3 1 ，虽然此一功能会随着使用时间的增长，而慢慢消失，但是所溅起的水雾 量还是比密级配低许多。英国t r r l 将此种新的发展归因于性能优异的高分子改性沥青， 据称若不是有这些改性沥青，这种厚度约为1 至2 英寸的多孔隙沥青路面，在很短的时间 就将因交通作用而产生松散破坏。 ( 2 ) 法国 法国的多孔隙沥青采用废轮胎橡胶粉及抗氧化剂作为沥青的改性添加剂，以提升低 温柔性、确保高沥青用量、增加混合料的凝聚性及抗疲劳性和老化，并认为聚合物改性 沥青只有初期的性质优良，长期而言性质并不稳定，尤其是在受氧化变硬后，很可能有 低温脆化的危险【4 2 1 。 ( 3 ) 丹麦 同样是在重视环保的欧洲，丹麦政府对多孔隙沥青的重视则着眼于噪音的降低上。 1 9 9 0 年丹麦公路单位的研究显示，多孔隙沥青用在郊区高速公路上，可以有效的降低交 通噪音，其中一项试验路面研究，铺设了五段路面，其中两段为最大公称粒径为1 2 m m 的密级配、一段为最大公称粒径为1 2 m m 的透水沥青路面、另两段为最大公称粒径为8 m m 的透水沥青路面( 空隙率一段为1 8 - 2 2 ；一段为 2 2 ) ，连续五年量测其噪音量， 所得结果表明透水沥青的确比传统密级配，减低约3 - - - 5 d b ( a ) ，且施工后经四年以上 仍维持该标准，由于噪音的单位是音压的对数，降低噪音3 分贝相当于使交通量减半， 或与声源的距离增加一倍，或装设1 5 公尺高的隔音的同等效果。但用在城市公路时，则 因为空隙受到较多的尘土阻塞，且于阻塞后没有高速行驶造成水压的清洗作用而效果较 兰【l o 】 z o ( 4 ) 荷兰 荷兰政府的公路单位也与丹麦同样重视多孔隙沥青在交通噪音降低的效果上，针对 城市公路的尘土阻塞问题，发展双层式的多孔隙沥青，如图1 2 所示，上层采用的粒径为 4 m m 至8 m m ，下层使用的粒径则为1l m m 至1 6 m m ，总铺筑厚度为7 0 m m ，两层材料压实 后空隙率皆超过2 0 ，上层具有过滤大颗粒尘土的效果，落入路面孔隙内的尘土则因下 层空隙较大，而自然被水流冲出，故虽非铺设于高速行驶的路段上，仍具有自清孔隙的 效果。 7 第一章绪论 图1 2 双层多孔隙沥青铺面i 仿照荷兰的双层多孔隙沥青路面研究成果，月麦政府，预计在2 0 1 0 年时，有2 3 的城 市公路周遭的居民，感受到的交通噪音都会降低至6 5 分贝以下，欲采用的策略之一就 是使用烈层式的多孔隙沥青路面。 牟辆在公路上行驶产生的噪音来源是多方面的，有机械噪音( m e c h a n i c a ln o i s e ) 及风 切噪音( w i n d n o i s e ) ，其中机械噪音则是由引擎噪音( e n g i n en o i s e ) 和轮胎噪音( t i r e n o i s e ) 所组成；在车速较低时，轮胎噪音及风切噪音不甚明显，主要的行车噪音来自引擎噪音， 但在车速较高时，引擎因不再加速且呈稳定运转的状况，产生的噪音量反而较低，而现 代化汽车的流线型设计也有效地降低风切噪音，所以主要的噪声源变为轮胎噪音。 轮胎噪音来自轮胎本身的震动段轮胎挤压空气产生的空气泵噪声，车辆高速行驶 中，轮胎滚进时会把空气压入轮胎与路面问，如图l3 所示待轮胎滚过，空气义会迅速 膨胀而似畋哨子发出卢音，此动作是持续进行的。传统密级配表面密致，空气压缩比高， 故行车噪音大如图14 所示。透水沥青面层有很多孔隙，当轮胎把空气压缩时，空气会 渗入面层巾的孔隙，囡空气有宅问消敞，雎缩比低故行车噪音小，如罔18 n 示。另外， 车辆机械运转所发出噪音，扩散到一般路面时，其反射量大：若为排水沥青面层，有一 部份噪音会为路面l 殁收，其反射量a 然减少，如图16 所示。 3 、日本的排水铺面 在使用的经验上，晟蕈要的作用是行车安伞性的提高。1 9 8 8 年开本= 牟= 固因交通事故 而死亡的人数超过一万人，造成相当严重的社会问题，在高速公路上所发生的交通事故 增加率，也超越了通车里程增加率和交通成k 率，每年在高速公路上因交通事故而死亡 的人数，也从1 9 8 8 年起急剧增加，在1 9 9 1 年时已达4 1 8 人。在高速公路上所发生的交通 长安大学硕上学位论文 翰骀丽空筑 图1 3 轮胎噪音产生的原理1 7 l 图1 4 空气压缩反射传统密级配表面1 2 i 图1 5 空气压缩穿透透水沥青表面1 1 2 l 9 第一章绪论 图1 6 不同路面材料反射图1 7 1 2 i 事故，具有下列三种特点【1 2 】： 雨天的死亡事故发生率为晴天时的七倍( 1 9 9 5 年统计数字) 。 路面潮湿时的事故与路线线形、纵坡等的关系，比路面干燥时更为明显。 路面潮湿时的反曲线点、左转弯道、及纵坡变换凹处的发生事故率最高。 尤其是反曲线点和纵坡变换凹处，因路面坡度平缓无法确保排水坡度，而转弯时因 超高的关系，右边外侧车道的水流向内侧速度较快的车道，导致内侧车道的事故发生等， 都可以归因为路面排水问题。针对这些路段共有2 1 3 处，依据排水性铺面前后的事故发 生率统计资料，发现铺设排水性铺面改善前的一年间，共发生1 5 2 5 件交通事故，铺设排 水性铺面后的一年间，则交通事故的发生件数骤降为2 2 7 件，明显地是因为能见度提高 和抗滑性增加，而减少交通事故的发生。 1 2 2 国内研究概况 近年来，我国在低噪声沥青路面的研究中，取得了一定的成果。长安大学张玉芬教 授利用驻波管测定了沥青路面不同空隙率、级配和厚度的吸声系数，得出以下结论： 空隙率在1 6 - - 2 4 之间对频率在2 5 0 - - 1 0 0 0 h z 的中频声，即交通噪声的主要频率范围， 具有最大的吸声系数，因此建议低噪声沥青路面的空隙率控制在2 0 左右；在沥青空 隙率相同的情况下，石料的粒径较大的混合料易生成吸声效果较好的表面与内部、内部 相互之间连通的空隙；吸声系数随着混合料的厚度增大而增大，且吸声系数的峰值向 低频方向偏移，由于交通噪声以中频为主，综合考虑技术和经济上的合理性，多孔隙低 噪声沥青路面的面层厚度取4 一- , 5 c m 是适宜的【3 4 】。 同济大学吕伟民和王佐民教授通过对轮胎路面噪声形成机理、低噪声沥青路面的 吸声性能、路面对单极子声源的影响机理等低噪声沥青路面声学性能的研究，以及对此 种路面结构的空隙特性、排水性能的研究，指出低噪声沥青路面的优良性能。为了验证 此种路面的降噪和透水性能以及施工情况，1 9 9 6 年8 月在杭( 州) 金( 华) 线k 1 8 + 2 0 0 , - - , 1 0 长安大学硕上学位论文 k 1 8 + 3 7 5 处铺筑了7 0 0 m 2 的试验路面，后对该路段进行了噪声测量表明：与普通沥青路 面相比，低噪声沥青路面可降低轮胎路面噪声4 7 5 4 d b ( a ) ，路面钻芯测量垂直入 射吸声系数的峰值对应频率在6 3 0 8 0 0 h z 附近，与车辆行驶噪声的峰值频率基本一致， 证明了此路面厚度以4 0 m m 为宜。通过对试验路的后期观察也肯定了低噪声沥青路面可 以减少雨天行车水漂，增大抗滑能力，同时该路面也可以减少夜间眩光【3 4 1 。 1 9 9 8 年4 月交通部在“九五 部省联合攻关项目中，专门提出了“沥青路面减噪技 术研究 课题，西安公路研究所课题组于2 0 0 0 年在陕西的宝鸡一牛背一级公路上铺筑了 8 0 0 m 的试验段，交通部公路科学研究所课题组于2 0 0 1 年在河北京沪高速公路( 沧州段) 铺筑了5 0 0 0 m 的试验段【3 4 】。 2 0 0 2 年在西安一咸阳机场高速公路上，排水性沥青路面首次被大面积使用。高速公 路全长1 8 2 4 1 k m ，为双向六车道。为了解决高速公路的降噪性和抗滑性，陕西省交通厅 引进了日本成套的排水性沥青路面修筑技术，路面结构设计为：排水性沥青混合料表面 层( o g f c - - 1 3 ) 5 c m ；细粒式沥青混凝土( a c 1 3i ) 5 c m 中粒式沥青混凝土( a c - - 2 0i ) 6 c m 。结合料使用的是新加坡壳牌a h 一9 0 沥青添加日本t p s 改性剂改性而成的 高粘度改性沥青，排水性沥青路面的目标空隙率设定为2 0 。通过对该高速公路在使用 过程中的观测表明：排水性沥青路面拥有比较突出的降噪、透水能力，噪声水平只有 7 2 3 d b ( a ) ，透水量达到了1 5 8 6 m l 1 5 s t 3 4 】。 中国台湾省国道新建工程局曾在1 9 9 8 年委托国立中央大学进行“开级配沥青磨耗层 应用于高速公路改善的研究 ，针对于当时使用的开级配，做台湾地区的最适成效研究。 该研究改变原本使用a c 2 0 的沥青结合料，使用较高等级的改性沥青；在集料上，亦采 用扁平率较低的破碎石，并配合熟石灰作为防剥落剂；并利用旋转剪力压实机( s g c ) 来 制作试件，进行透水、磨耗、剥脱、抗滑与车辙等路用性能试验：回弹模量、间接拉伸、 蠕变等力学试验；另以紫外线老化烘箱模拟开级配沥青混合料的抗老化耐久性进行评 估。结果表明，该改良型开级配，使用较高等级的改性沥青，配合低扁平率的碎石集料 ( 添加石灰) ，或c a o 含量较多的转炉石粒料，所组成的改良型开级配沥青混凝土在各种 磨耗、剥落及车辙性能与间接拉伸、蠕变等力学试验上都较传统为佳，确实能有效改善 目前台湾地区高速公路路面产生的破坏问题【3 1 1 。 台湾省公路总局为尝试解决路面水雾的问题，在省道台2 6 号线k 1 7 + 5 0 0 - - 一k 1 9 + 5 0 0 铺设排水性沥青试验道路。该路段参照欧洲地区的铺筑厚度5 c m 来进行设计及铺设，并 由材料试验所进行为期一年的成效评估。研究结果发现，除排水能力外，其它性质与密 第一章绪论 级配无异。可能因没有完整的施工、检验及验收规范，且承包商无进行开级配摩耗层及 排水性沥青混凝土施工的经验所导致【”】。 台湾中央大学刘守益采用欧洲的多孔性沥青混凝土( p o r o u sa s p h a l t ) 的级配为基 础，配合上纤维与石灰作为添加剂与防剥落剂，并采用a c 2 0 与数种改性沥青作为粘结 剂，进行多孔性沥青混凝土的最佳配比研究。该研究中的多孔性沥青混凝土配合设计方 法，包括沥青析漏试验与c a n t a h r o 磨耗试验等，用以决定多孔性沥青混凝土的最佳含油 量范围；而后以剪力压实机( g t m ) 制作试体，进行回弹模量、间接拉伸等力学性质试验： 另以紫外线与加压氧化老化两种方式，并配合人工养生，对于多孔隙沥青混凝土的耐久 性进行评估。此外，对于多孔性沥青混凝土最为重要的透水性与抗滑性、抗车辙能力等， 亦均以实验室中可用的方法进行试验评估。研究结果表明，在各项力学性质与性能试验 上，均是多孔性级配沥青混凝土优于开级配沥青混凝土，尤其在透水系数试验上，多孔 性级配甚至高出开级配三倍以上【3 l 】。 台湾淡江大学林锋永探讨多孔隙沥青混凝土的力学性质，抵抗永久变形的能力。 该研究亦指出，多孔隙沥青混凝土除具有高渗透系数与良好抗滑性外，其它c a n t a b r o 磨 耗试验、老化试验、a a s h t ot 2 8 3 试验与马歇尔稳定值试验等均表现不及密级配、s m a 级配与s u p e r p a v e 级配。此外，使用c n s 改性沥青三型的多孔隙沥青混凝土在各项性能表 现与力学试验方面，皆较a c i 。1 0 与a c i 一1 0 + b m a 两种沥青优良许多【3 1 1 。 台湾淡江大学曾信智以试验室试验，评估各项因素( 包括级配、沥青及防剥落剂) 对水份侵害的影响程度，进行一系列的养生试验，来模拟路面受水份短期、长期作用造 成的影响，期望能找到最佳的控制方法。该研究的结果显示，在沥青混凝土性能试验上， 多孔隙沥青混凝土在渗透系数试验及抗滑试验表现较佳，但在c a n t a b r o 试验、老化试验 及车辙试验表现不及密级配沥青混凝土、s u p e r p a v c 级配沥青混凝土和s m a 沥青混凝土。 另外添加防剥落剂确实可以有效提高抵抗水份侵害的能力，其中以添加化学防剥落剂更 能提升多孔隙沥青混凝土抗剥落效果。针对铺面的长期性能及温度环境变化考虑，五次 冻融循环似乎太过于严苛【3 1 1 。 纵观国内外有关研究情况，排水性路面由于各国、地区使用目的和方法的不同，所 使用的材料、设计方法和工艺也有所不同。 ( 1 )粗集料 粗集料最大粒径与透水路面层厚有关。在美国，透水路面面层厚度一般为2 0 2 5 m m ，因而粗集料最大粒径都在1 0 m m 左右。欧洲的排水性路面面层较厚，粗集料最大 1 2 长安大学硕士学位论文 粒径为1 0 - - - 2 0 m m 其中1 4 m m 者最多。日本的排水性路面面层厚度为4 0 - , - 5 0 m m ，最大粒 径为1 3 m m 或2 0 m m 。对于粗集料的质量标准，由于考虑到路面的抗滑性能和良好的抗车 辙能力，美国和欧洲要求粗集料不能使用较纯石灰岩和易磨光的集料【1 7 1 9 2 8 1 。 ( 2 ) 细集料、填料 排水性路面的细集料一般是指0 0 7 5 - - - 2 3 6 m m 部分集料。对于2 3 6 m m 通过率，欧洲 规定的最大范围为3 0 ，实际上推荐1 5 左右。美国规定的范围较窄，为5 1 5 。日本 的沥青路面纲要最初规定为8 - - - 2 5 ，但为了获得足够的空隙率，一般也取1 5 左右。细 集料由于用量较少，对其性能没有特殊的规定，而对于排水性混合料的填料，欧美一般 规定使用消石灰或水泥。加入消石灰可以防止沥青从集料上剥落( 特别是多雨地区) ，而 且可以延缓沥青老化。日本则要求使用的填料必须是石灰岩矿粉，否则可用消石灰或水 泥替代。 ( 3 ) 沥青结合料 欧洲在8 0 年代试用了直馏沥青，但其耐久性较差。为了增加沥青对集料的握裹力和 防止沥青流淌，现在全部使用p e 、s b s 、e v a 等改性沥青，同时还使用诸如纤维等稳定 剂。美国在较长时间内一直使用直馏沥青，受欧洲路面研究的启发，特别是在美国使用 废弃轮胎后，近年使用改性沥青逐渐增多。日本从一开始就使用改性沥青，如：改性沥 青i i 型、高粘度改性沥青、环氧沥青等，也使用纤维等稳定剂。 ( 4 ) 空隙率 在欧洲排水性路面的空隙率起初为15 ，为防止孔隙堵塞以维持排水功能，设计施 工时往往将空隙率取为2 0 。美国因排水性路面粒径较小，以抗滑性能为主，孔隙堵塞 对抗滑性能不会有太大影响，因而空隙率定为1 5 以上。日本和欧洲一样为使路面排水 功能和降低噪音效果持久，也将空隙率由原来的1 5 提高到了2 0 甚至更大【2 7 】。 ( 5 ) 配合比设计 在欧洲，对于多孔沥青混合料的特殊粒状结构，不能采用己有的配合比设计方法特 别是马歇尔法与劈裂试验，同时对车辙试验的适用性也有疑问。美国在o g f c 的配合比 设计中没有采用力学试验，这是因为己有了一定的经验积累，沥青用量根据粗集料的沥 青当量，用经验公式算出沥青用量在6 以上。此外，还进行了混合料中沥青的析漏试 验，总之都没有进行马歇尔试验和车辙试验【3 0 1 。日本在借鉴欧洲经验的基础上，仍然采 用马歇尔试验方法，以获得适宜的空隙率马歇尔击实次数为两面各5 0 次：沥青用量以析 漏试验和肯塔堡飞散损失试验控制，仍以车辙试验评价排水性混合料的高温稳定性。 1 3 第一章绪论 由于我国高速公路的交通量大，重载、超载车辆多，再加上幅员辽阔，气候复杂， 国外的设计方法和规范对孔隙率、胶结材料等方面的设计要求和规定不能完全适应我国 实际情况，设计出的混合料难以充分满足我国高等级公路的要求，特别是车辙性能。目 前，我国公路部门虽制订了o g f c 的相关设计和施工规范，但多数高等级公路的试验路 均采用国外设计和施工方法，部分工程甚至采用国外进口材料进行施工，效果及经济效 益差别较大。 1 3 研究内容与思路 本课题依托福建省厦门市疏港路高架桥工程，该工程位于厦门本岛西北部，厦门 地区属南亚热带海洋性季风气候，降水丰富，年平均降雨量为1 2 0 0 r a m 左右，一年中气 温最低的一月份，平均气温是1 2 6 摄氏度，适合铺筑排水性沥青路面。 本课题的主要研究内容为： ( 1 ) 针对排水性路面空隙率大造成的混合料易松散、老化，采用聚合物复合改性 的方式研制开发高粘度改性沥青，并研究了受热老化对排水性沥青混合料高温、低温、 抗水损坏和抗剥落性能的影响； ( 2 ) 根据日本道路协会的排水性路面技术指南1 2 6 l 提出的配合比设计方法进行 了排水性沥青混合料的设计，并在厦门铺筑实体工程； ( 3 ) 通过排水性沥青混合料车辙、冻融劈裂、劈裂疲劳、低温弯曲强度、构造深 度、噪声水平和透水系数等研究，对排水性路面的高温性能、抗水损坏性能、动态性能、 低温性能、防滑性能、降噪性能和透水性能进行优化； ( 4 ) 结合实体工程的铺筑，探讨排水性路面的施工工艺与质量控制措施。 1 4 长安大学硕士学位论文 第二章排水性沥青路面原材料性质与技术要求 2 1 集料性质与技术要求 2 1 1 粗集料 我国公路沥青路面施工技术规范( j t g f4 0 - - 2 0 0 4 ) 1 4 4 1 规定了高速公路采用粗 集料的技术要求，排水性路面所用的粗集料技术要求与s m a 混合料所用集料基本相同， 同样要求石质坚硬和良好的颗粒形状。 在排水性沥青混合料中，粗集料含量占到矿料总量的7 0 以上，因此在进行粗集料 的选择使用上应慎重考虑。从排水性沥青混合料成型机理可以看出，排水性沥青混合料 之所以有较高的空隙率，是基于含量较多的粗集料之间的嵌挤作用。集料嵌挤作用的好 坏在很大程度上取决于集料石质的坚硬性、集料颗粒形状和棱角性，可以说粗集料的这 些性质是排水性路面成败与否的关键。 排水性沥青混合料对粗集料的压碎值要求高，粗集料应均匀、洁净、干燥、无风化、 无杂质，并且有足够的强度、耐磨耗性、抗冻性、耐腐蚀性、抗冲击性、耐磨光性、抗 破碎性以及与沥青的良好黏附性，且必须严格限制粗集料的扁平颗粒含量。粗集料最好 采用玄武岩或花岗岩。表2 1 摘录了部分国家( 地区) 对粗集料的品质要求。 表2 1 部分国家( 地区) 对粗集料的品质要求 项目美国( f h w a )美国( n c h r p )日本瑞典台湾 洛杉矶磨耗率( ) 2 53 03 03 03 5 3 ：l1 52 07 扁平、细长颗粒( ) 5 ：1 5l o 一个 以上 9 01 0 0 破裂面( ) 两个 7 5 9 09 0 以上 表干密度( g e m 3 ) 2 4 5 吸水率( ) 23 表2 2 摘录了陕西机场高速公路排水性沥青混合料对粗集料的质量要求。 1 5 第二章 排水性沥青路面原材料性质j 技术要求 表2 2陕西机场高速公路排水性沥青混合料对粗集料的质量要求1 3 4 i 项目单位技术指标 试验规范 石料压碎值 2 0t 0 31 6 - - 2 0 0 0 洛杉矶磨耗率 2 0t 0 3 1 7 2 0 0 0 视密度鬯矗 2 6 5 t 0 3 0 4 - - 2 0 0 0 吸水率2t 0 3 0 4 2 0 0 0 沥青黏附性 4t 0 6 1 6 - - 9 3 坚固性1 0t 0 31 4 - - 2 0 0 0 扁平、细长颗粒 1 0t 0 31 2 2 0 0 0 软石含量 3t 0 3 2 0 一2 0 0 0 石料磨光值 b p n4 5t 0 3 2 1 9 4 石料冲击值 1 5 t 0 3 2 2 2 0 0 0 两个或多个破裂面1 0 0 结合国内外使用经验，本研究按照公路沥青路面施工技术规范( j t gf 4 0 - - 2 0 0 4 ) 中对高速公路及一级公路表面层用粗集料的质量技术要求，对排水性沥青路面所用粗集 料进行质量控制。 本研究粗集料采用厦门角美出产的辉绿岩碎石，包括1 0 1 5 m m 和5 - - 一1 0 m m 两档， 按照公路工程集料实验规程( j t j0 5 8 - - 2 0 0 0 ) 1 4 7 的试验方法进行基本性能检测，结 果见表2 3 。 表2 3 粗集料基本性能检测结果 试验结果 试验项目指标要求 1 0 - - 一1 5 m m57 、一1 0 m m 石料压碎值( ) 1 6 82 6 扁平、细长颗粒( ) 9 29 41 5 沥青黏附性 554 o 0 7 5 m m 颗粒含量( ) 0 0 20 0 2 1 表观相对密度 2 7 3 02 7 2 52 6 2 1 2 细集料 细集料最重要的指标是棱角性，它对沥青混合料的性能影响很大。天然砂与机制 砂、石屑使用于沥青混合料时，使用性能有很大的差别。由于天然砂经过亿万年的风化、 搬运，一般比较峰硬，尤其是海砂，大部分是石英颗粒，所以天然砂作为细集料，往往 1 6 长安大学硕十学位论文 有较好的耐久性，但与沥青的粘附性较差，而且砂的颗粒基本上是球形颗粒，所以对高 温抗车辙能力极为不利。相反，石屑由于是破碎石料时的下脚料，基本上是石料中较为 薄