（道路与铁道工程专业论文）长大桥梁排水性沥青路面材料与结构性能研究.pdf

r e s e a r c ho nt h em a t e r i a la n ds t r u c t r u eo fp o r o u s a s p h a l tp a v e m e n t f o rl o n gs p a nc o n c r e t eb r i d g e ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l ih u i j u a n s u p e r v i s o r ：p r o f h a o p e i w e n c h a n g a nu n i v e r s i t y ，x i a n ， c h i n a 2 叭03m 7 洲洲y 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，均己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。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 弯金墙 如0 年月6 日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：套套墙 如f o 年舌月石日 导师签名 摘要 排水性沥青路面具有排水、降噪和抗滑等优点，在国内外得到了广泛的应用，但 用于桥面铺装层还较少。本文以西安咸阳国际机场高速公路渭河特大桥为工程依托， 研究排水性沥青路面用于桥面铺装的可行性。 本文基于均匀设计思想法，以耐久性与功能性平衡为原则，通过确定冻融襞裂强 度比、连通空隙率、析漏率与2 3 6 m m 通过率、油石比的关系式，提出排水性沥青混 合料的配合比设计方法。 研究表明，9 5 m m 通过率大小会影响到连通空隙率以及渗透系数。论文提出排水 性沥青混合料9 5 m m 通过率设在5 0 7 0 内，可有效改善排水性能。 为了改善排水性沥青的耐久性，本文通过添加不同掺量的聚酯纤维来研究排水沥 青混合料的路用性能、疲劳性能及排水性能，并与不加纤维的沥青混合料作比较。结 果表明纤维在排水性沥青混合料中起到了减少析漏，提高抗弯拉应变，降低疲劳应力 敏感性等作用。结合复合梁的疲劳试验，论文推荐了排水性沥青混合料与a c 2 0 沥青 混合料的最佳纤维掺量。 本文还对不同级配、不同纤维掺量下排水性沥青混合料渗透系数进行了研究，分 析了西安咸阳国际机场高速公路长大桥梁段排水处理方案。 最后结合实体工程，总结了排水性沥青路面的施工工艺以及养护维修方法等。 关键词：排水性沥青路面、配合比设计、级配、聚酯纤维、排水、疲劳、施工、桥面铺装 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 th a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha sd r a i n a g e ，n o i s er e d u c t i o n ， a n t i - s k i dp e r f o r m a n c ea n ds oo n n o w a d a y s ，i th a sb e e nw i d e l ya p p l i e di nt h ew o r l d ，b u ti t w a ss e l d o ma p p l i e da sb r i d g ed e c kp a v e m e n t b a s e do nx i a n x i a n y a n gi n t e r n a t i o n a l a i r p o r te x p r e s s w a ya sab a c k g r o u n d ，t h ep a p e rs t u d i e dt h ea p p l i c a t i o nf e a s i b i l i t yo fp o r o u s a s p h a l tp a v e m e n tt ou s e do nt h eb r i d g ed e c kp a v e m e n t b a s e do nt h eb a n l a n c eo fd u r a b i l i t ya n df u n c t i o no fp o r o u sa s p h a l tp a v e m e n t t h e p a p e ru s e dt h eu n i f o r md e s i g nm e t h o dt od e s i g ng r a d a t i o n t h r o u g ht h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n c o n n e c t i v i t yv o i d a g e ，t s r ，d r a i n a g et e s ta n d2 3 6 m mp a s s i n gr a t i o ，a s p h a l tc o n t e n t ，t h e p a p e rs u g g e s t e dt h ed e s i g nm e t h o do fp o r o u sa s p h a l tp a v e m e n t t h er e s u l ts h o w e dt h ed e c r e a s eo ft h e9 5 m mp a s s i n gr a t i oi n c r e a s e st h ec o n n e c t e da i r v o i da n dt h ep e r m e a b i l i t y i tw a s p r o p o s e dt h e9 5 r a mp a s s i n gr a t eb es e ta s5 0 7 0 s oa st o i m p r o v et h ep e r m e a b i l i t ye f f e c t i v e l y t oi m p r o v et h ed u r a b i l i t yo ft h ep o r o u sa s p h a l tp a v e m e n t ，t h ep a p e rs t u d i e dt h e p a v e m e n tp e r f o r m a n c e ，f a t i g u ea n dp e r m e a b i l i t yo ft h ep o r o u sa s p h a l tp a v e m e n tw i t h d i f f e r e n tp o l y e s t e rf i b e rc o n t e n t t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h er o l eo ff i b e ri nt h ep f cm i x t u r e w a st op r e v e n tt h ed r a i n a g e ，i m p r o v et h ef l e x u r a ls t r a i na n dr e d u c et h es e n s i t i v i t yo ft h e f a t i g u e t h o u g ht h ef a t i g u et e s tw i t ht h ec o m p o u n db e a mo ft h eu p p e rl a y e ra n dt h em i d d l e l a y e r , t h eo p t i m u mp o l y e s t e rf i b e rc o n t e n ti sr e c o m m e n d e d t h ep a p e ra l s os t u d i e dt h ep e r m e a b i l i t yo fp o r o u sa s p h a l tp a v e m e n tw i t hd i f f e r e n t g r a d a t i o na n df i b e rc o n t e n t ，a n ds u m m a r i z e dt h ed r a i n a g et r e a t m e n tm e t h o da tt h ex i a n x i a n y a n gi n t e r n a t i o n a la i r p o r te x p r e s s w a y f i n a l l y ，b a s e do nx i a nx i a n y a n gi n t e m a t i o n a la i r p o r te x p r e s s w a ye n g i n e e r i n g ，t h e t e c h n i q u e o f c o n s t r u c t i o n ，m a i n t a n c e ，r e p a i r a b o u tt h e p o r o u sa s p h a l tp a v e m e n ti s s u m m a r i e d k e y w o r d s ：p o r o u sa s p h a l tp a v e m e n t ；m i xd e s i g n ；g r a d a t i o n ；p o l y e s t e rf i b e r ；d r a i n g a g e ； f a t i g u e ；c o n s t r u c t i o n ；b r i d g ed e c kp a v e m e n t 第一章绪论1 1 1 课题研究背景：1 1 2 国内外研究现状3 1 2 1 国外研究现状3 1 2 2 国内研究现状8 1 3 本文研究内容与技术路线11 1 3 1 研究内容1 1 1 3 2 技术路线1 2 第二章排水性沥青混合料材料及目标配合比的确定1 4 2 1 粗集料1 4 2 2 细集料15 2 3 填料16 2 4 纤维17 2 5 高粘沥青18 2 5 1 高粘沥青的要求及标准1 8 2 5 2 工程所用高粘沥青的确定19 2 6 配合比设计2 1 2 6 1 矿料级配的确定2 2 2 6 2 最佳油石比的确定2 5 2 6 3 目标配合比检验2 8 2 7 小结3 0 第三章排水性沥青混合料级配优化设计3 1 3 1 优化背景3 2 3 2 试验设计3 6 3 2 1 均匀设计方法3 6 3 2 2 具体试验方案3 6 3 3 试验结果及分析3 8 3 3 1 空隙率及连通空隙率3 9 3 3 2 马歇尔稳定度4 2 3 3 3 高温性能4 3 3 3 4 低温性能4 3 3 3 5 水稳性能。4 5 3 3 6 析漏4 7 3 4 推荐排水性沥青混合料配合比设计方法4 8 3 4 1 设计方法的提出4 8 3 4 2 设计步骤4 9 3 5 小结5 0 第四章纤维掺量对排水性沥青混合料疲劳特性影响5 2 4 1 沥青混合料疲劳性能研究方法5 2 4 1 1 疲劳试验条件参数5 3 4 1 2 疲劳试验步骤5 3 4 2 排水性沥青混合料疲劳性能研究方案5 4 4 3 小梁弯曲疲劳试验5 5 4 3 1 弯曲强度测试结果5 5 4 3 2 疲劳性能测试结果及分析5 5 4 4 不同纤维掺量下排水性沥青混合料路用性能评价5 8 4 5 复合梁弯曲疲劳试验6 3 4 5 1 复合梁弯曲强度测试6 3 4 5 2 复合梁疲劳性能测试结果及分析6 4 4 6 小结6 7 第五章排水性沥青路面排水系统研究6 8 5 1 排水试验6 8 5 1 1 竖向排水6 9 5 1 2 横向排水7 4 5 2 渗透系数的影响因素7 5 5 2 1 仪器的影响7 5 5 2 2 试件的影响7 5 5 2 3 介质的影响7 5 5 3 试验目的及设计7 6 5 3 1 试验目的7 6 5 - 3 2 试验设计7 7 5 4 试验结果及分析7 8 5 4 1 渗透系数与9 5 m m 通过率的关系。7 8 5 4 2 不同纤维掺量与渗透系数的关系8 1 5 5 渗透系数与排雨量的关系8 4 5 6 桥梁段排水设施的设置8 5 5 6 1 超高段的排水系统8 5 5 6 2 非超高段路面的排水系统8 6 5 6 3 桥面泄水孔的分布8 7 5 6 4 零坡路段排水处理方案8 7 5 7 小结8 8 第六章排水性沥青路面的施工及养护技术9 0 6 1 西安咸阳机场高速公路概况9 0 6 2 配合比设计9 1 6 2 1 原材料及检验9 1 6 2 2 目标配合比设计9 1 6 2 3 生产配合比9 2 6 3 粘层及试验段的铺筑9 2 6 4 施工机械9 4 6 5 排水性沥青路面施工9 4 6 5 1 施工工艺9 4 6 5 2 异常情况1 0 2 6 6 质量检测1 0 2 6 6 1 技术指标l0 2 6 6 2 室内试验项目10 3 6 6 3 路面施工质量控制与检查项目1 0 3 6 6 4 路面实测项目l0 4 6 6 5 检测结果10 4 6 。7 排水性沥青路面的养护。1 0 5 6 7 1 一般养护10 6 6 7 2 冬季养护10 7 6 8 排水性沥青路面的维修1 0 8 6 9 j 、结10 9 结语1ll 1 本文的主要结论1 11 2 进一步研究问题1 12 参考文献1 13 攻读学位期间取得的研究成果116 致谢1 17 士学位论文 绪论 随着我国高等级公路的快速发展，路面的设计理念也在发生着变化。前期公路建 设重点考虑强度、刚度及平整度，而对路面功能性没有受到足够重视。早期修建的公 路大多采用传统的密级配沥青混凝土，其致密结构具有不渗水的特点，降水主要是通 过表面径流的方式排除。这种排水方式在雨天容易形成路表水膜，进而出现打滑、水 漂、溅起水雾和眩光等问题而影响到行驶安全。据调查，普通路面雨天事故率高于晴 天事故率为5 - 9 倍。如何提高行车舒适性、安全性等己成沥青路面使用过程中亟待解 决的问题，目前许多发达国家已将行车安全作为路面设计的核心内容之一。 为了解决路面雨天行车安全性等问题，常有下列四种降低路面水膜厚度的方法： ( 1 ) 改变路面几何设计增大排水坡度； ( 2 ) 增设排水设施缩短路面排水路程； ( 3 ) 采用排水性沥青路面； ( 4 ) 水泥混凝土路面刻槽法。 一般路面排水能力主要源自路面几何设计，特别是指路拱( 横向) 坡度，但若为提 高路面排水能力而增加路拱坡度，将严重影响行车安全与舒适度。且路拱坡度在一定 范围内，允许改变的幅度相当有限，尚不足以达到有效增进路面排水的目的。 增设排水设施以缩短路面排水路径是相当有效的方法，在高速公路同一个行车方 向四个车道的中间部份，设计纵向排水设施，则使路面排水路径大大缩短，有效地降 低水膜厚度，确保行车安全，但这种车道间的纵向排水设施，其断面图如图1 1 所示， 虽在理论上可行，但尚需在材料与设计上完善，才有实务应用的可能。 图1 1 路面车道车道间的纵向排水设计示意图 目前，能有效降低雨天路面水膜厚度的方法，最有效的是增加路面的纹理深度， 在水泥混凝土路面上采用刻槽法，在沥青路面则采用排水性沥青路面。 第一章绪论 本文排水性沥青路面起源于欧洲，是采用较多粗集料组成的大空隙沥青混合料结 构。一般应用于高等级公路和城市道路的路面表层或整个路面面层，在排水面层下设 不透水层，透过排水面层的水在不透水层上迅速流入排水设施，而不向路基以下渗透。 排水性沥青路面与普通密级配沥青路面相比具有以下优点，见图1 2 ： ( 1 ) 排水性能优越，减少雨天水雾、飞溅、眩光现象； ( 2 ) 抗滑性能好，雨天高速行驶时的轮胎打滑现象明显减少； ( 3 ) 标线与路面对比度高，提高雨天、夜间行车安全性； ( 4 ) 有一定的吸音效果，所以能降低车辆行驶时的噪音； 图1 2 排水性沥青路面与密级配沥青路面效果对比图 排水性沥青路面的结构及功能特点可满足现代公路设计理念，即在满足强度的基 础上同时要求行车的舒适、安全等功能性。 排水性沥青混合料用于高等级公路表面功能的恢复和提高，具有比较广阔的前景， 同时也可将其应用于新建高等级公路的磨耗层。由于耐久性等方面的原因排水性沥青 混合料很少用于桥面铺装。为了探索排水路面在桥梁段应用的可行性，西安咸阳国际 机场专用高速公路渭河特大桥在国内首次将排水性沥青路面大面积地应用于桥面铺 装，渭河特大桥全长6 9 1l m ，桥涵宽度4 5 m ，全部采用排水性铺装。本文以渭河特大 桥为依托工程，针对长大桥梁铺装的排水性铺装用混合料的原材料、级配、配合比设 计方法、路用性能、排水性能、疲劳性能、施工工艺等方面开展深入系统的研究，为 排水性沥青路面应用于长大桥梁工程提供依据。 2 长安大学硕- 土学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 1 2 1 1 欧洲 1 9 6 7 年，英国首次尝试使用排水性沥青路面，而后法国、奥地利、意大利、德国、 西班牙、葡萄牙等相继使用，且大部分应用在高等级公路上，结果表明排水性沥青路 面具有良好的排水、降噪、抗滑功能，但由于其空隙大、沥青老化快、容易造成松散 等病害，严重影响其服务寿命。同时空隙容易堵塞，需要定时清洁以恢复其功能。欧 洲的研究多集中在沥青、最大粒径、路面厚度、养护等方面，其中丹麦对排水性沥青 路面的研究和应用较多。以下为各国的研究应用情况。 1 ) 英国 英国于1 9 6 7 年首次尝试排水性沥青路面，大部分排水性沥青混合料路面厚度为 5 0 m m ，最大粒径为2 0 m m 或1 0 m m ，最少沥青用量为4 5 ，空隙率在2 0 2 5 之间【2 1 。 英国经验表明，排水性沥青路面的使用寿命主要受空隙堵塞和沥青老化影响。据检测， 沥青的针入度以每年2 0 的速度下降，当针入度小于1 5 时发生脆性断裂。为了改善 沥青老化问题，英国采取增大沥青用量的方法，同时采取措施防止析漏。英国于1 9 9 2 年开始在干线公路上铺筑排水性沥青路面，取得了良好的经济与社会效益，但是由于 高造价限制了排水性沥青路面的大规模使用，目前排水性沥青路面主要用于薄层铺装。 2 ) 法国 法国于1 9 7 6 年引进排水性沥青路面，在1 9 8 4 1 9 9 0 年间增长迅速，之后由于冬季 养护较复杂，铺筑里程有所减少。据统计在1 9 9 5 年，超过6 0 的排水性沥青路面用 于干线公路。法国排水性沥青路面级配较细，一般最大粒径为1 0 m m ，厚度为4 0 m m ， 沥青使用5 0 7 0 号基质沥青，并且仅在干线公路上使用改性沥青或纤维。法国经验表 明设计良好的排水性沥青路面能够达到普通密级配的使用寿命。尽管高空隙率容易导 致沥青老化，但是较厚的沥青膜能够阻止这些病害的发生。并建议排水性沥青路面应 用在平坦地区，没有或只有少量急弯( r 3 0 0 m ) 的大交通量公路上，如高速公路，或设 计时速在8 0 1 0 0 k m h 的城市快速道路中。 3 ) 荷兰 荷兰于二十世纪八十年代早期引进排水性沥青路面，由于效果较好，19 8 7 年决定 大规模应用排水性沥青路面磨耗层，三年后，要求全部的干线公路使用排水性沥青路 3 第一章绪论 面。其铺筑的排水性沥青路面大部分厚度为5 0 m m ，最大粒径为1 6 m m ，但是改性沥 青使用较少，因此排水性沥青路面的主要问题是松散和沥青老化，大约占总病害的 7 6 ，平均服务寿命仅为1 0 1 2 年。在一些急弯处，寿命更短一些，甚至铺筑三年后 就发生了松散病害。荷兰于1 9 9 0 年试铺了双层排水性沥青路面，见图1 3 。在粗粒径 的排水性沥青路面上方铺筑较细粒径的排水性沥青路面，以防止堵塞空隙，保持良好 的排水性能。由于效果不错，于1 9 9 5 年在多处干线公路上铺筑。 图1 3 双层排水性沥青路面 4 ) 德国 德国于1 9 8 6 年首次引进排水性沥青路面，到目前为止大致经历了五个阶段： 第一和第二阶段( 1 9 8 6 1 9 9 3 ) ：此阶段主要研究了排水性沥青路面的降噪效果，结 果表明，较大粒径( 1 6 m m ) 和低空隙率( 1 5 ) 使用寿命较长，但是降噪效果较差。较小 粒径( 8 m m ) 和高空隙率的降噪效果好，但是使用寿命短。为了提高排水性沥青路面的 使用寿命，曾尝试各种办法，如使用不同改性沥青、改进压实方法等，但在五年后仍 然出现了松散等病害。因此德国交通部门决定在使用隔音障造价太大时使用排水性沥 青路面。 第三阶段( 1 9 9 6 2 0 0 3 ) ：此阶段排水性沥青路面空隙率高达2 2 ，最大粒径为8 m m ， 厚度为4 0 m m ，为改善排水性沥青路面的松散现象，常增大改性沥青中改性剂的掺量。 第四阶段( 1 9 9 8 2 0 0 4 ) ：双层排水性沥青路面的使用。 第五阶段( 2 0 0 3 至今) ：尝试不同厚度的排水性沥青路面。 在这五个阶段中，排水性沥青路面的松散问题直接影响了其使用寿命。松散主要 与沥青的老化硬化有关。据报道，沥青的软化点以每年1 5 2 的速度提高，而密级配 的沥青软化点增长速度每年约为1 。 5 ) 奥地利 奥地利于1 9 8 4 年首次使用排水性沥青路面，至1 9 9 2 年，1 8 的主要公路都铺筑 了排水性沥青路面。之后有所下降，原因是由于容易发生松散病害，且病害之后功能 4 长安大学硕士学位论文 迅速下降。总体来说排水性沥青路面的松散病害是其主要缺陷，但是其排水性，降噪 性以及舒适性都非常优良。奥地利的排水性沥青路面大部分为4 0 m m 厚，最大粒径为 11 m m ，沥青用量最少5 2 ，且必须使用改性沥青。 6 ) 意大利 意大利的排水性沥青路面最大粒径为2 0 m m 。耐久性是排水性沥青路面的主要问 题，为此意大利研究了纤维及各种改性沥青，如聚乙烯，聚丙烯等对耐久性的影响。 结果表明，添加纤维或使用高油石比能明显改善混合料的肯塔堡损失。 7 ) 西班牙与葡萄牙 西班牙最早于上世纪八十年代引进排水性沥青路面，其排水性沥青路面最大粒径 一般为2 0 m m 、1 2 m m 或1 0 m m ，沥青用量最少为4 5 ，空隙率在2 0 2 5 之间。使 用效果良好，大部分的养护仅是清洗路面以恢复排水性能。 葡萄牙于1 9 9 1 年首次在高速公路上引进了排水性沥青路面，主要为4 0 m m 厚， 最大粒径为15 m m ，使用改性沥青，用量在4 8 5 o 左右，空隙率高达2 5 。 1 2 1 2 日本 日本于1 9 8 7 年首次引进排水性沥青路面，铺筑于东京环道七号试验路，直接使用 s b s 改性沥青。由于交通量大以及严酷的气候条件，几年后发生了松散病害。为此， 日本研发了高改性剂量的改性沥青，如高达9 s b s 的改性沥青。由于排水性沥青路 面能提高行车安全性，防止车辙发生等优良性能，1 9 9 2 年排水性沥青路面在日本广泛 使用。1 9 9 6 年日本制订了排水性路面铺装技术指南，使排水性沥青路面的设计、 施工、管理上都有了可遵循的文件，该指南对排水性铺装的定义、铺面的构造、材料 要求、配合比设计、施工和管理，均有详细的规定。1 9 9 8 年日本决定在所有的高速公 路上使用排水性沥青路面。在2 0 0 2 年末，已有超过4 0 的日本高速公路上使用排水 性沥青路面。到2 0 0 3 年，日本已有1 5 20 0 00 0 0 m 2 的排水性沥青路面，为当时荷兰的 3 0 4 倍。 由于道路投资的减少，日本的公路建设总里程于2 0 0 2 年下降明显，相应地排水性 沥青路面总里程于2 0 0 2 年达到了顶峰，随后稍有下降并保持稳定。虽然总里程略有下 降，但是排水性沥青路面在所有路面中的比例上却在不断地上升。这是由于此路面优 良的排水功能与降噪效果等，能够显著改善路边环境。 5 第一章绪论 1 2 1 3 美洲 为了减少雨天路滑现象，早在上世纪3 0 年代美国就试铺了o g f c 路面，到了7 0 年代，o g f c 路面广泛应用于高速公路和机场道路中。美国的o g f c 路面与排水性沥 青路面类似，但略有不同。与排水性沥青路面相比，o g f c 路面有较小的空隙率 ( 1 0 1 5 ) ，主要目的是增大路表抗滑能力，排水能力并没有足够重视。 最早的排水性沥青路面出现在2 0 世纪7 0 年代初，由于雨天抗滑性好，减少水溅 等优点迅速在全国推广使用。科罗里达州最早制定了排水性沥青混合料的设计方法， 涉及到混合料的压实和沥青析漏方面。在7 0 年代中期，f h w a 发展了排水性沥青混 合料的设计方法，涉及到沥青最佳油石比的确定方法以及旌工温度下的析漏试验，这 些设计方法在一些州至今仍在使用。由于使用范围大，包括寒冷地区也在使用，在8 0 年代，有些排水性沥青路面出现了松散、层间脱离、冬季养护难等问题，铺筑面积有 所减少。1 9 9 8 年1 2 月交通运输部门调查了全国范围内o g f c 路面的应用情况，在已 调查的4 2 个州中，除1 9 个州仍在使用，4 个未尝试过，还有1 9 个曾经铺设过的州已 停止使用。原因主要与排水性路面易堵塞，集料易松散，且破坏速度快有关。 2 0 世纪9 0 年代初，交通研究部在华盛顿召开年会，其主要议题是排水性沥青材 料在道路工程中的应用。 2 0 0 0 年n c h r p 发表了o g f c 路面的性能调查报告。同年n c a t 制定了新一代排 水性沥青混合料的设计方法，改进内容包括使用更粗的级配，改性沥青及纤维的使用， 利用空隙率确定最佳油石比，耐久性试验等四个方面。目的是为了在保证抗滑性能和 有效排水的基础上，进一步提高排水性路面的路用性能，特别是耐久性方面。随着设 计方法的改进、施工质量的提高、层间脱离问题的解决，排水性沥青路面在南部温暖 地区发展迅速。菲尼克斯、亚利桑那州的交通部门已决定在所有主要的州际公路上使 用排水性沥青路面。 2 0 0 4 2 0 0 6 年间，开展了排水性沥青路面新一代o g f c 路面即p f c 的性能与养护 研究。2 0 0 6 年，德克萨斯州大学调查了p f c 路面的使用情况，结果表明南部温暖地 区应用排水性沥青路面非常成功，但是在美国寒冷地区的使用仍比较谨慎，一些州限 制在冰雪地区使用排水性沥青路面。只有当排水性沥青路面所带来的好处超过造价高， 冬季养护麻烦以及寿命偏少等劣势时才可考虑使用。目前研究在寒冷气候下p f c 路面 的性能研究。美国尝试在机场道路使用排水性沥青路面，效果不错，于2 0 0 7 年制定了 机场道路p f c 的技术指南。 6 长安大学硕士学位论文 阿根延于1 9 9 7 年首次使用排水性沥青路面，至今在高速公路上仍作为最安全最环 保的沥青路面磨耗层之一，目前排水性沥青路面的最大挑战就是如何保持排水功能的 持久性。研究表明，排水性沥青路面的耐久性涉及多因素，如级配、沥青类型、沥青 薄厚、渗透系数、气候条件等。通过加大改性剂用量、使用纤维、高质量集料、加强 施工管理和质量控制系统等可提高延长路面的耐久性。 1 2 1 4 大洋洲 新西兰首次使用排水性沥青路面是在1 9 7 5 年1 3 】，当时空隙率在1 4 左右，八十年 代时，在规范中将设计空隙率提高到2 0 以上。到2 0 0 7 年，新西兰对空隙率的划分 更加具体，除了传统的空隙率为2 0 的p a2 0 型，还包括能承受较大剪切应力，空隙 率约为1 5 的p a l 5 h s ( h i g h e fs h e a rs t r e n g t h ) 型；以及必须使用改性沥青的最小设计空 隙率为2 5 的高空隙率p a 2 5 型。由于前两者空隙率小于2 0 ，其排水功能下降很快， 因此在以后的道路中，新西兰将研究重点放在如何使空隙率最大化的问题上，以保证 排水降噪等功能。并决定在以后道路中优先使用p a 2 5 型的排水混合料。 另外由于双层排水性沥青路面能够更好的提高排水性沥青混合料的排水降噪性， 近来发展迅速。双层排水性沥青路面的典型结构是下面为3 0 5 0 m m 厚的最大粒径为 1 4 或2 0 m m 的排水性沥青混合料，上层为较小最大粒径的粒径如7 m m 或1 0 m m 等的 2 0 3 0 m m 厚的排水性沥青混合料，目前最小粒径5 m m 的排水性沥青混合料正在研究 当中。双层排水性沥青路面在新西兰的应用效果非常好，但是在确定混合料的公称最 大粒径及路面厚度的最佳比例问题仍没有足够的数据。 由于耐久性是排水性沥青路面的关键问题，传统的肯塔堡飞散试验不能很好的评 价实际路面的耐久性。因此新西兰改进了肯塔堡试验方法，增加了加速老化的过程， 以模拟排水性沥青路面的耐久性【4 】。 澳大利亚的排水性沥青路面设计方法已经成熟，通常是按轻重交通量将混合料分 为i 和i i 类。重交通路面必须使用改性沥青和纤维，以增大集料间的粘附性，提高使 用寿命。集料的最大粒径分为1 0 、1 4 、2 0 m m 三种【5 j 。为了改变排水性沥青路面强度 不高的缺陷，尝试在排水沥青混合料中添加水泥，以达到提高强度和排水性能的双重 目的，取得良好效果【6 j 。 7 第一章绪论 1 2 1 5 南非 南非排水性沥青路面的最大粒径为1 9 m m ，最小空隙率在2 2 ，路面厚度在 4 0 5 0 m m 之间，与欧洲相似。 1 2 2 国内研究现状 排水性沥青路面在我国起步较晚，尚处在研究阶段。1 9 9 6 年8 月我国在杭州金华 铺筑了长度1 0 0 0 m 、宽1 2 m 的排水性沥青路面试验路，经测试该路面具有良好的降 噪、抗滑、排水性能。 近年来，我国各地相继铺筑了一些o g f c 的试验路段。排水性沥青路面在我国第 一次被大面积使用是在2 0 0 2 年西安咸阳机场高速公路上，该条高速公路全长1 8 2 4 k m ，为双向六车道。截至2 0 0 8 年底，该高速公路仍有良好降噪、排水能力，但是也 存在部分空隙堵塞问题。 经过几年的发展，排水性沥青路面己取得了一些设计施工经验和成效，排水性沥青 路面技术已成为我国公路建设业界内受青睐和关注的热点技术之一。除了应用于高等级 公路外，还成功应用于城市主干道。目前排水性沥青路面的研究成果多集中在材料、空 隙率、渗透系数等方面。 1 2 2 1 材料 排水性沥青路面材料中最关键的是沥青，其中6 0 粘度是影响排水性沥青混合料 路用性能的关键指标，选用高粘度改性沥青作为排水性沥青混合料的粘结料已是共识。 马翔【7 1 研究表明除6 0 。c 绝对粘度外，复数剪切粘度及粘韧性也应该作为排水性沥青混合 料胶结料选择的关键指标，而粘结料的类型对排水性沥青混合料表面功能特性影响较 小。 目前国内排水性沥青路面中沥青改性剂主要有t p s 、s b s 、环氧树脂等几种。倪富 健0 1 等人通过研究发现排水性沥青混合料添i j i z l t p s 后路用性能优良，但是t p s 的高造 价限制了排水性沥青路面的使用。孙士勇【1 1 】等人改用s b s 力h 纤维的方式替代t p s ，铺筑 了2 0 0 m 长的二级公路试验段，在通车后1 0 个月，检验各项指标均满足排水性沥青路面 的指标要求。李红平【1 2 1 等人比较分析了应用s b s 和t p s 沥青两种改性沥青排水性沥青路 面的性能，研究表明两种沥青均满足相关规定要求，但t p s 沥青混合料的性能更为优良。 黄俊强【b 1 研究了排水性环氧改性沥青混合料，表明其既具有良好耐久性和强度性能， 又具有优越表面抗滑、排水降噪和防腐蚀等功能。王志军1 1 4 1 等人对o g f c 使用的高粘度 8 长安人学硕士学位论文 改性沥青和s m a 使用的改性沥青的成本进行了经济对比分析，指出o g f c 面层不但具 有良好的排水、降噪功能，而且造价低于s m a 路面。 排水性沥青混合料比其他类型沥青混合料更易遭受水侵蚀，为了提高排水性沥青 路面的抗剥落能力，常用水泥、石灰等取代部分矿粉以改善其水稳性。唐国奇i l5 】分析 并评价了掺加不同种类填料和不同掺配比例对排水性沥青混合料的适用性。试验表明： 消石灰取代部分矿粉对改善排水性沥青混合料的水稳性效果显著，生石灰的长期水稳 效果不佳，普通硅酸盐水泥对水稳性的改善作用较小。高丹盈【l6 】等人的试验结果表明： 在o g f c 混合料中加入了水泥或消石灰后，对o g f c 的马歇尔稳定性、水稳定性和高温 稳定性均有明显的改善作用。 1 2 2 2 空隙率与渗透系数 空隙率作为排水性沥青混合料渗透系数的控制指标，徐皓【1 7 】研究成果表明集料的 最大粒径、2 3 6n i l 1 通过率都是影响渗透系数的重要因素。邢明亮【l8 j 研究不同空隙率排 水性沥青混合料的高温稳定性、水稳定性、渗水性和抗滑性。结果表明：空隙率对排 水性沥青混合料的路用性能有显著影响。空隙率在1 7 2 4 时，排水性沥青混合料具 有较好的路用性能。李闯民【1 9 】对比了体积法与c o r e l o c k 真空密封法测量排水沥青混合 料空隙率和连通空隙率方法的不同，指出体积法比真空密封法测量的变异性大。 郝静华【2 叫1 等人得出了渗透系数与空隙率的关系式，并提出多孔隙沥青混合料的设 计值，并通过试验路的施工，提出了合理的排水系统布设方式。 严军【2 2 1 通过在不同空隙率和坡度条件下对排水沥青混合料的透水能力进行测试， 得到了混合料透水能力与其混合料空隙率和路面横坡，以及混合料目标空隙率与降雨 强度的关系，用于指导排水沥青面层的结构设计和混合料级配设计。 马翔f 2 3 1 研究表明排水性沥青混合料的合理水力梯度不大于0 0 3 ，随着空隙率的减 小合理水力梯度增加；排水性沥青混合料空隙率与有效空隙率之间存在良好的线性相 关性，而渗透系数与有效空隙率之间的相关性更好，竖向渗透系数与有效空隙率之间 存在对数关系，横向渗透系数与有效空隙率之间存在线性关系，排水性沥青混合料横 向渗透系数大于竖向渗透系数，两者之间存在良好的指数关系。 由于我国规范规定的路面渗水仪并不适合排水性沥青路面，因此目前测定排水性沥 青路面的渗水仪多为个人自己设计定做，并没有统一规范，测量结果不具有可比性。 9 第一章绪论 1 2 2 3 设计方法 国内对排水混合料的设计方法多采用日本经验。黄俊强矧通过均匀设计得出了混 合料空隙率与主要孔径通过率之间的关系。张铭铭用贝雷法设计出的排水性沥青混 合料具有空隙率易于控制的优点和良好的路用性能。 1 2 2 4 施工 屈殿功【2 6 】等人通过咸阳机场高速公路排水性沥青路面从原材料选择与试验、配合 比设计与验证、施工组织生产与工艺、路面使用性能检测等方面，研究了排水性沥青 混合料。 杨军【2 7 】研究表明现行的规范析漏损失不大于0 3 指标是不合理的，提出以不大于 0 8 作为排水性沥青混合料析漏损失的控制标准，施工中混合料的各项性能指标的变 异性小，主要性能指标的检测结果均优于技术要求，确保了排水性沥青路面施工质量 的稳定性。 文献通过对国内外排水性路面使用性能及破损情况的分析，在总结其维修技术 的基础上提出适合我国排水性沥青路面的维护与维修方法。 防水粘结层在排水性沥青路面中起着层间粘结的重要作用，文献 2 9 】通过环氧树脂、 s b s 改性乳化沥青、s b s 改性热沥青和h 撑桥面防水材料等4 种粘结层材料组合试件的剪 切试验进行了评价与比较，总结出排水性路面粘层材料选择常用的试验方法和性能要 求。 杨育生【3 0 】研究了压实温度对排水性沥青混合料的影响，结果表明压实温度对排水 沥青混合料的排水性影响不甚明显，但对混合料的稳定性和耐久性影响很大，故施工 温度控制非常重要且应保证最低压实温度不低于1 5 0 。 倪富健3 1 】发现排水性沥青上面层底面的夏季日最高温度较普通密级配沥青路面低 2 左右，冬