许明
深圳市市政设计研究院有限公司 广东深圳 518029
摘要：雨水不仅会造成沥青面层的早期水损，而且降雨形成的路表水膜及径流还会导致道路表面的摩阻力急剧降低，使轮胎和路表接触处出现润滑和水膜滑移，造成路面的雨天行车安全问题。排水性沥青路面具有渗透蓄水、连通孔卸除水压和排水作用，即能解决沥青面层早期水损问题，又能防止路面上形成水膜，降低车辆轮胎发生溜滑的危险，增加路面行车安全性。
关键字：排水性沥青路面；级配；耐久性；水稳定性
一、引言
随着半刚性基层沥青路面的大量使用，人们逐渐发现其存在路面使用性能降低快、路面服务年限短等问题。尤其在高温、多雨潮湿地区，很多半刚性路面容易发生冲刷、唧泥、局部网裂、坑洞等早期破坏现象。这些病害与路面的结构与材料有很大的关系：沥青面层经由摊铺碾压不可避免会存在一定孔隙，会有很大一部分雨水会通过渗透作用蓄积在沥青面层孔隙内部，形成渗透蓄水，由于孔隙的相互不连通性，容易在车辆动态轮载的前侧挤压与后侧负压作用下形成冲刷与泵吸，从而造成沥青面层水损；集料与沥青的黏附性能又极大的影响沥青混合料的抗松散速度；而半刚性基层材料的温缩和干缩效应又会使基层及面层不可避免存在裂缝，这就为雨水进入面层及基层层间以及进一步下渗提供了通道，可能有部分雨水滞留在面层与基层间，更甚者会沿着基层裂缝下渗致使路基软化，在高速行车荷载作用下造成唧浆。以上过程的反复作用最终将导致沥青路面的松散、坑塘以及唧浆等早期破坏。
雨水不仅会造成沥青面层的早期水损，而且降雨形成的路表水膜及径流还会导致路表面的摩阻力急剧降低，并可导致轮胎和路表接触处出现润滑和水膜滑移，造成路面的雨天行车安全问题。沥青路表的行车抗滑安全问题与路表构造及降雨排除能力密切相关。当行车速度增大及水膜增厚时，其作用更加显著，可出现水膜的垂直升力逐渐举起轮胎而使车轮失去与路面的直接接触，从而使车轮处于“水上溜滑”状态，出现行车“滑水”现象，使车辆失去制动、转向等能力，造成安全问题。
设计合理的沥青路表具有较深的宏观构造，可以有效的提高路面雨天行车安全性，但我国目前的沥青路面对雨水的考虑主要采取层层封堵的设计思想，防止雨水浸入沥青面层结构，因此强降雨情况下路面仍不可避免会出现路表水膜甚至路面径流，严重影响路面雨天行车安全。如果路面表层具有较深的连通构造或大空隙的表层内部排水功能，就能够迅速排出一定降雨强度下的雨水，不至于在路面上形成水膜，或者即便形成水膜也可在轮胎压力下通过连通孔隙快速消散，这样可以大大降低车辆轮胎发生溜滑的危险，增加路面行车安全性。排水性沥青路面正是具有渗透蓄水、连通孔卸除水压和排水作用的功能性路面结构。
二、水对路面结构与材料的影响
半刚性沥青路面结构设计主要强调密实度及稳定性，通常不考虑水的动态作用。而裂缝、施工离析造成的空隙率过大等情况的存在又不可避免造成结构中水的存在，因而几乎所用的路面结构都由于采用低透水性材料而处于不良的排水状态中。由于路肩通常采用不透水或低透水性材料铺筑，行车道轮迹带也存在渠化交通带来的再压实现象，这些对路面结构而言都起到了水坝作用，使路面结构中的水更难排除。路面结构内不能排除的水分会浸湿结构材料，使其强度下降，并可能下渗浸入路基土，使路面变形增加，承载力下降，使用寿命缩短。而且路面是层状体系，层间结合处容易存在空隙，进入空隙内的水在车轮荷载作用下会形成高水压水流，容易导致沥青混合料剥落松散、基层细料唧浆散出，出现沥青路面的迅速损坏。大量路面损坏调查表明，进入路面结构内的自由水是造成或加速路面损坏的首要原因。
早期人们对进入路面内的水分及其对路面结构与材料的使用性能和使用寿命的危害认识和估计并不足。1973年美国联邦公路局（FHWA）对路面排水系统进行了较系统的研究，研究表明：①当自由水滞留在路面结构中时，在重交通作用下，路面的破坏速度比不含自由水时大得多，水对路面结构的侵蚀是造成路面早期破坏的主要原因；②具有良好排水系统设计的路面总是比排水性能不良的路面更经济；③增加路面结构厚度不如设计良好的路面结构排水系统；④具有路面结构排水系统设计的路面使用寿命比采用传统方法设计的路面长得多。
我国对路表和路基排水设计研究开展得较早，但对渗入路面结构内的水如何排除的研究涉及很少。江苏宁连一级公路马坝至武墩段路面损坏和锡澄高速公路沥青面层水损坏为我国对公路路面结构排水和沥青面层抗水损坏研究提供了丰富的经验。目前高等级公路沥青路面防排水设计主要针对低空隙率的沥青路面进行，从水对路面的影响考虑，对路面表面排水、中央分隔带排水、坡面排水三个方面进行设计。目前常用减少路面水损害措施主要分为以下三类：（1）增强沥青混凝土的水稳定性：使用良好的集料或者与沥青黏附性能优良的集料，对集料进行预处理和掺加抗剥落剂；（2）减少雨水的渗入：使用密级配的沥青混凝土表面结构以及进行足够的压实，设置良好的路面纵横坡进行路表水向边缘的快速排除；（3）及时排除渗入结构内部的自由水：主要考虑设置下封层进行渗入水在路面结构内的横向渗流排除，并尽可能缩短渗流的路径长度。大量的工程实践表明，以上第一类措施的研究使用取得了良好效果，但雨水渗入依然存在，而第三方面的措施则效果有限，这也是路面水损现象依然十分严重的主要原因。
为改善路面的水损害现象，延长道路的使用寿命，有效提高路面的使用状况与行车安全，可考虑采取适应性良好的集料、改善沥青与集料的有效黏附，以及设计排水性沥青路面结构，通过排水结构层内连通孔隙的有效泄压能力，降低自由水在车轮作用下的冲刷，从而减轻路面结构与材料的唧浆水损，这应是可行的工程技术措施。
三、排水性沥青路面的结构特点
目前传统的密级配沥青路面，雨天车轮引起的轮侧水溅、轮后水雾会影响跟随及并行车辆的视线，夜晚路表水膜在强光照射下会镜面反射产生眩光而影响对向行驶车辆对路面的感知，严重影响车辆的行驶安全。研究排水性沥青路面的目的是通过其下渗、蓄积并排除雨水，提高路表的抗滑力和雨天的驾乘能见度来保证行车安全，并可借助连通孔隙的存在降低结构内部孔隙高压水流的出现，从而使道路的使用品质和耐久性更好。排水性沥青路面对道路行驶功能效果的改善已被目前大量工程实践所证明。
图1.3 排水性沥青路面结构示意图
排水性沥青路面是指表面一层或两层采用大空隙率的透水性沥青混合料，允许雨水迅速的渗透进入其中，直接从该层内向路面边缘排出而不能再向其下承层渗透的路面（排水性沥青路面的结构示意图1.3所示）。排水性沥青路面又称为多孔沥青路面（Porous Asphalt Pavement或Drainage Asphalt Pavement），其表层为排水性沥青混合料组成的骨架空隙结构，其结构材料特点是集料采用间断级配（或称开级配），粗集料含量大且粒径单一，细集料含量少，结构的空隙率很大，因此，路表降水可以迅速的渗透进入。排水性沥青路面的中面层或下面层为密实级配的沥青混凝土，且在顶面洒布兼有防水功能的改性乳化沥青等粘结防水层，进入排水层的雨水只能沿路面的纵横坡及配套的排水设施从路侧向排除出路面体。
排水性沥青混合料的空隙率在15～25%之间，它主要是采用高粘度改性沥青作为粘结料，沥青的60℃动力粘度大于20000Pa.s，其混合料的动稳定度在3000次/mm以上，具有较高的结构稳定性和较好的抗滑性能，一般用于铺装表面，厚度为4～5cm，可有效降低甚至消除降雨时的路表水膜，改善车轮与路面接触，从而避免高速行车可能产生的水漂现象，并能大大减少因轮胎挤压产生的水溅和轮后负压吸附形成的水雾，提高行车的安全性。这种大孔隙排水性沥青混合料在国外、尤其在日本已得到普遍应用，因其具有优异的路表行车效果和良好的抗滑性能、显著的降噪效果（比水泥混凝土路面降低噪音6～7dB），日本道路公团2002年规定其管辖的道路无论是新建或修复工程都须采用这种铺装材料。我国2002年交通部西部开发项目“山区公路沥青面层排水技术研究”项目对排水性沥青混合料进行了系统研究，铺筑了试验路，目前实际使用效果表明其适用于我国高速公路及城市道路路面结构。
此外，以改善路表抗滑系数为主的开级配抗滑磨耗层（OGFC，Open-Graded Friction Course简称）、多孔隙沥青磨耗层（PAWC,Porous Asphalt Wearing Course）以及基于多孔吸音原理实现降噪功能的低噪音沥青路面（Low-Noise Pavement）等，其材料的构成特征也基本与排水性沥青路面混合料相同，只不过由于使用功能及突出重点有所区别而被赋予不同名称，从而也带来材料设计的稍微差异和厚度使用的不同，在技术特点上也有所不同。因此，排水性沥青路面的相关研究成果对以上不同称谓的路面结构形式也具有适用性。
四、排水性沥青路面的国内外研究及应用现状
20世纪60年代开始，欧洲一些国家如德国、法国、英国、意大利等提出了排水性路面的概念，并首先在德国实现应用，比利时、西班牙等国家也较早将排水性路面应用于公路、隧道路面甚至机场道面，并取得了一些有益的经验。在欧洲，排水性沥青路面除了被用于提高路面安全性目的外，另一个主要用途是降低交通噪音，法国公路部门还认为排水性沥青面层有助于减弱夜晚车辆行驶时的车灯眩光。法国迅速推广其应用，80年代约有10％的公路使用排水性沥青路面，铺设超过2.4万平米，但从1990年起因孔隙易堵塞而开始减少使用。荷兰、丹麦等针对孔隙易堵塞研究双层式排水混合料铺设技术，取得了良好的降噪与抗堵双重效果。
我国早期对排水性沥青路面也有所研究，但离实用要求差得较远。首先是20世纪90年代在北京、广州等大城市先后铺设了试验路和实体工程。2003年交通部公路科学研究所结合西部山区公路沥青面层排水技术研究，与东南大学一起开展了较系统的研究，对排水性路面结构设计、混合料配合比设计以及相应的室内性能与现场施工进行研究，在渝邻高速公路上进行了实体工程铺筑，研究取得了一系列成果。
2005年北京公路科学研究院和东南大学等一起在江苏南通的盐通高速公路开展适应高速公路高温重载交通的排水性路面应用技术研究，是我国南方多雨地区第一条大规模应用排水性沥青路面技术的实体工程。测试表明，路面构造深度在2.5mm以上，雨天路表无积水，高速行车无“水漂”、溅水和车后水雾，安全性能好，同时可以降低路面噪音2～3dB，雨天可以降低路面噪音5～8dB。
图1.4 盐通高速公路排水性沥青路面结构及雨天效果对比
排水性沥青混合料在世界各国均得到了广泛的应用，但目前研究和应用发现排水性路面有两个比较突出的问题：容易产生车辙；空隙堵塞后养护困难。荷兰、丹麦发展了双层式排水性沥青路面，上层有过滤大颗粒尘土效果，落入路面孔隙内的尘土因下层空隙率较大而容易被水冲出，这种双层式排水路面具有自清理孔隙堵塞效果，日本学者认为双层排水性铺装还有更好的降噪功能和耐久性。
因排水性沥青混合料空隙大而存在强度低、耐久性差等缺点，限制了排水性沥青混合料的适用场合和使用寿命，需要进一步研究改善。
五、建议研究方向
通过集料优选、黏附效果工程改善技术比选、排水沥青混合料的材料技术开发与评价，确定最优的排水性沥青混合料设计指标与方法，提出以使用性能耐久、适应高温重载为目标的排水性沥青混合料设计指标和混合料评价方法。研究双层组合式排水性沥青混合料直接应用于排水路面的设计，通过足尺寸室内加速加载试验模拟实际验证不同组合结构的实际路用效果，并优选合适结构与材料，指导实体工程铺筑应用，从而在保证传统设计中结构强度和耐久性的要求外，满足交通安全性、舒适性的要求，并减少路面轮胎的噪音，通过具体多孔沥青混凝土材料的试验研究及开发，将其应用于实体工程，实际应用并观测其工程排水功能效果及使用耐久性能状况，为排水性沥青路面的材料设计与应用提供理论及应用参考。
1）矿料优选与黏附裹覆效果评价
针对矿料生产情况实际调研，进行不同矿质集料的AC、SUP、SMA沥青混合料类型的室内试验，通过T283、洛杉矶磨耗、汉堡车辙等试验及模拟技术验证其抗水稳定性能及技术改善手段，并提出集料生产加工技术标准要求，衡量其工程应用性情况；
2）集料与沥青黏附性能改善技术研究完善
进行沥青直投SBS技术的室内试验模拟及试验验证，聚酯纤维及玄武岩纤维改善沥青混合料高温稳定性与低温抗裂性的试验性能模拟，提供沥青混合料性能改善的使用技术，提出工程质量控制技术与工艺，进行SBS现场直投改性及纤维改性的工程混合料应用及技术集成，完善工程应用试验控制及技术指标要求；
（3）排水性沥青路面的国内实际应用调研
针对国内不同时期、不同道路环境条件下修筑的排水性沥青路面情况，查询资料了解设计、材料、施工等关键内容，现场实际调研功能与使用效果，必要时通过试验测试了解具体的设计控制效果。
（4）排水沥青混合料级配与混合料技术标准研究
针对排水性沥青路面，研究双层式排水路面不同孔径铺装层骨料级配控制标准技术、沥青混合料质量控制指标与标准、混合料排水功能指标与测试方法，形成排水路面设计控制标准体系。
（5）高粘剂增加沥青粘度、保证使用耐久性技术研究
室内开发研究高粘改性沥青应用于PAC沥青混合料的材料改进技术，并通过材料性能试验测试衡量其不同高温、重载特征情况下的强度、稳定性、耐久性及适应交通的疲劳特点，通过结构孔隙或构造测试，衡量其工程应用的实施可能性与效果，并优选用于实体工程的排水沥青混合料类型与材料组成。
尤其对于排水性沥青混合料PAC的不同公称粒径与空隙情况需要重点加以试验衡量，并开发研究细空隙情况下采用高粘改性沥青进行多孔混合料应用的性能与工程应用技术，重点观测工程应用性能要求的强度、耐久性及抗滑降噪改善效果，形成自主开发创新成果。
（6）进行适应重载的排水性沥青混合料设计研究及材料开发
建立优化力学特性、持久抗剪的混合料性能设计方法和指标，并据此对排水性沥青混合料进行试验验证与调整控制，确立适应高温、重载的路面双层式排水混合料优化指标体系与材料改善方法，对实际双层式排水性沥青路面组合结构与材料加以检测与对比分析，进行排水沥青混合料的设计方法与指标的验证和调整完善。
（7）混合料抗松散模拟与改进
室内试验设计控温水槽式排水混合料抗松散模拟设备，进行模拟现场环境的混合料抗飞散掉粒的路用耐久性性能试验，对比不同材料组成的混合料性能差异，确立表层排水性沥青混合料的控制指标标准，进行高粘沥青用量、添加纤维改善以及矿料级配变化的性能试验模拟对比，并采用工程实际使用材料设计合适的排水混合料材料组成与用量。
（8）排水性沥青路面结构设计与足尺寸加速加载试验模拟验证
室内以足尺寸全厚沥青结构组合试验槽及试验块进行不同结构组合的排水路面沥青混合料层的模拟试验，衡量PAC-13 + PAC-16 + SMA-16 + AC-25、PAC-10 + PAC-16 + SMA-16 + AC-25、PAC-13 + AC-20 + AC-25以及与之对比的SMA-13 + AC-20 + AC-25的不同结构组合混合料的汉堡车辙抗水损及使用耐久寿命、加速加载抗重载车辙与松散以及复合叠合梁疲劳寿命试验模拟，从而验证不同结构组合的适应性，为实体工程应用提供基础。
（9）排水性沥青路面的功能设计与构造优化
结合排水性沥青混合料的材料功能参数测试技术研究与指标功能控制，以功能要求为导向，进行结构的功能设计计算与验证方法完善，优化对应功能设计的构造要求，完善排水功能的效果保证与构造合理耐久。
六、结语
排水性沥青路面实际改善路表行车状况的效果，已经经受了实践工程的检验，铺筑排水表层后路面很难见到降雨的雨水积聚，行车后侧也基本见不到抛起的水雾，跟随车辆雨天能见度得到了显著改善，夜晚行车也基本不见对面车辆灯光照射路面形成的眩光，其排水能力及行车安全改善效果显著。但如何改善强降雨条件下排水路面的功能、保证高温重载行车环境下排水路面的结构耐久性及功能，还具有一定的难度，因此有进一步深化研究排水性沥青路面技术的必要性。
传统排水性沥青路面普遍采用单层式PAC-13铺装，公称粒径大，孔隙孔径相对较大，一旦表面孔隙堵塞，整个面层排水功能即会失去作用，而且大的公称粒径混合料更容易出现路面行车荷载作用下的脱粒松散问题。而采用双层式排水性沥青面层组合，将上层公称粒径减小而下层公称粒径加大，则易形成孔隙内部泵吸效应，从而可有效抑制孔隙堵塞、增强结构内部排水能力，并可极大改善路表颗粒脱粒松散状况、改善沥青路面使用功能持续效果及材料耐久性。在满足排水功能基础上，保证双层式排水性沥青路面的功能持久性、解决持续高温、重载条件下的结构耐久性问题的关键技术研究是工程良好应用的重要保证。
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论文作者:许明
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/23
标签：路面论文; 沥青论文; 水性论文; 结构论文; 沥青路面论文; 面层论文; 孔隙论文; 《防护工程》2018年第12期论文;