严红 黄汉彪
中国市政工程西南设计研究总院有限公司 四川成都 610081
摘要:OGFC排水沥青路面，即利用大空隙率沥青混合料代替原有传统密级配沥青混凝土，借助开级配沥青混合料结构内部排水机制降低雨后路面水膜厚度，达到疏干路面积水的目的。大孔隙沥青混合料的强度构成理论满足摩尔—库伦原理，大孔隙特征的实现在材料设计上与级配曲线的选取密切相关。在设计方法上，首先必须分析当地的降雨特征进行透水功能设计，再进行路面结构厚度设计。由于OGFC沥青混合料空隙率较大，在材料设计时，通常需要采用性能优良的改性沥青并使之与矿粉充分拌合形成高粘度沥青胶浆，以提高排水路面的耐久性。
关键词：OGFC；大孔隙；级配曲线；透水设计；沥青胶浆；设计方法
Abstract：OGFC drainage asphalt pavement, namely the use of large air voids of asphalt mixture to replace the traditional dense graded asphalt concrete, reduce the water film thickness of the road after rain with open graded asphalt mixture structure internal drainage mechanism, to achieve the purpose of water drainage Road area. The theory of strength composition of macropore asphalt mixture satisfies the Mohr Kulun principle, and the realization of macropore characteristics is closely related to the selection of gradation curve in material design. In the design method, firstly, the local rainfall characteristics must be analyzed to design the permeable function, and then the pavement structure thickness is designed. Because the OGFC asphalt mixture void ratio is larger, in the material design, we usually need the excellent performance of the modified asphalt and mineral powder fully mixing the formation of high viscosity asphalt mortar, in order to improve the durability of pavement drainage.
Keywords：OGFC; macropore; gradation curve; permeable design; asphalt mortar; design method
1 引言
传统热拌沥青路面以其优良的路用性能一直被广泛应用于现代高等级路面中[1]。但经过长期实践和人们对用路环境的日益提升，以低孔隙率防水为设计理念的传统沥青路面在抵抗水损坏和保障雨季行车安全方面的弊端日益突显。当雨水降落在传统密级配沥青路面时，大部分雨水虽会沿着路拱横坡排出路面，但在面层会形成很厚一层水膜，车辆在路面驶过时会在接触面形成两道明显的水雾带，严重影响驾驶员的视距判断，危及行车安全。除此之外，沥青混合料长时间浸泡在水中，在车轮碾压下发生的反复真空抽吸作用，使得混合料产生松散剥落，大大影响路面的使用寿命。另一方面，密级配沥青面层使得雨水需要经过很长的径流路径才能回到地下排水系统或者土壤，一旦遇到设计洪水期之外的大雨或排水井被堵塞，极容易引发城市内涝甚至由于地下水位过低而诱发的地陷问题。
利用疏导的设计理念对水损坏进行防治，在沥青混合料的制备方法上与传统密集配有显著差异，主要体现在集料的级配组成和高性能改性沥青胶浆等方面。OGFC开级配沥青混合料级配设计中通过减少细集料含量而使得矿质混合料空隙率增大，这样就能够迅速吸收路面积水并通过一定的排水机制排出，及时补充地下水，减少路表面积水，保证行车舒适性和安全性，避免水损坏以及内涝等一系列问题。本文主要从沥青混合料结构组成原理、级配曲线、透水功能及改性沥青等方面研究OGFC排水沥青路面的设计理论和方法[2]。
2 OGFC的强度原理及混合料结构组成
OGFC排水性沥青路面的强度构成原理和密级配沥青路面相似，提高沥青混合料的抗剪强度仍然是减少路面破坏的关键因素[3]。目前，工程界普遍采用三轴剪切试验和库伦—摩尔理论得到强度参数c、φ值，应用极限平衡状态下的摩尔应力圆分析沥青混合料的抗剪强度，如图1所示。
图1 三轴试验下混合料的抗剪强度
根据摩尔库伦强度理论，OGFC沥青混合料的抗剪强度如公式1所示：
（公式1）
式中：
τ为荷载作用下某一面上产生的剪切应力；c为沥青胶浆的粘聚力；σ为荷载作用下产生的正应力； 为矿质集料的内摩擦角。
OGFC排水性沥青混合料的结构组成属于骨架空隙型，在级配设计中选取的级配曲线应尽量体现出粗集料多，细集料少的特点，同时对关键筛孔，如2.36mm和0.075mm的通过率进行控制，特别注意0.075mm以下的颗粒的含量限制在5%以下，级配曲线如图2所示：
图2 连续型开级配矿料级配曲线
3 设计关键及路用性能特点
3.1排水路面设计关键
按照现有研究成果和工程经验，配制大孔隙沥青混合料所遵循的理论和具体的设计方法有很大差别。但无论采取哪种设计方法，OGFC排水沥青路面设计成功与否的关键，对于材料本身来讲包括以下几个方面：
（1）高孔隙率
沥青混合料的孔隙率越大，排水性能越好，同时抗滑、降噪的效果也越好，是透水功能性得到体现的最关键指标。应根据当地的降雨情况和路面排水特点计算设计孔隙率，参考实践经验，这一孔隙率必须达到或超过18%。同时，考虑到路面实际运营时可能被污染的问题，设计孔隙率可以进一步加大，但在加大孔隙的同时应采取措施保障足够的抗老化性能。
（2）足够的抗松散能力
为使水透过路面而要求路面具备大孔隙，这与普通密级配沥青混凝土铺筑的路面要求防止渗水而取得较好的耐久性的设计理念完全相反。混合料孔隙率的增大会在一定程度上损伤其整体性，在车轮碾压和环境作用下容易产生松散剥落，设计应采用高粘度沥青胶浆来提高混合料整体抗剥落能力，使透水功能得到长期实现。
（3）保证混合料足够力学强度
排水沥青路面混合料基于其大孔隙的特点，整体强度相对较低，为了满足车辆的反复作用，必须在满足透水功能的前提下同时满足承担车辆荷载的能力，其设计厚度应不低于结构厚度设计值。
3.2路用性能特点
OGFC排水沥青混合料最大的特点就是大空隙率使得混合料内部空隙呈连通状，水在其中可以迅速排走。通常混合料的空隙越大，其透水系数也越大，路面排水能力就越强，这样可大大减少行车轮胎产生的水雾或溅水，使雨天行车的能见度提高，避免路表水膜上造成炫光，从而提高雨天行车的安全性和速度。另外，OGFC沥青排水性路面由于具备较多的粗集料、混合料空隙与外界空气的连通，路表存在较高的构造深度，也降低了路面气压噪声，具有良好的抗滑降噪等性能。由于混合料空隙率大，其透水性大，高温稳定性好，抗疲劳，抗老化能力弱[4]。
设计和施工质量良好的排水性沥青路面具有较高的高温稳定性，这主要是由于集料的骨架作用和优质改性沥青引起的。大颗粒间的骨架结构可以提高沥青路面的承载能力，降低混合料的温度敏感性，其动稳定度DS一般可达到5000次/mm。
4 透水功能设计
OGFC沥青路面的透水性是排水沥青路面设计的主要功能性指标，通过相关沥青混合料的室内渗透试验得知：混合料的孔隙率与渗透系数有着密切的关联性[5]。通常情况下，只要确定混合料的孔隙率就能保证其透水功能的实现。排水性沥青混合料的空隙率可由以下公式2和3计算：
(公式2)
(公式3)
该公式中 为径流量，J为路面加权后的合成纵坡；B为路面宽度；L为路面长。
由计算公式可知，实现路面透水功能的关键是将排水性沥青混合料的目标空隙率设计成 ，这样就能将径流量为 的雨水全部或部分渗透到路面内，达到减少路表积水的目的。
结合透水功能设计和路面结构厚度设计，可应用公式3计算出排水路面结构厚度：
(公式3)
该公式中V为空隙率平均值，K0为土基平均渗透系数，i为降雨强度，t为降雨持续的时间。
若排水性沥青路面基层也设计成排水形式，则需要进一步考虑路基的渗透性，以免路基在路面下渗水的影响下迅速软化，强度降低，对路面失去均匀的支撑。研究表明，土基的渗透系数随路基中含砂量的增大而增大。在进行基层排水性沥青路面设计时，为了改善原路基土渗透性不良问题，可用粗砂进行一定厚度的换填[6]。
5 改性沥青及沥青胶浆
根据表面理论，沥青混合料中沥青用量的多少是依据集料的表面积和所覆盖的沥青膜厚度确定的。OGFC排水沥青混合料由于细集料的含量过少，导致集料比表面积小，为了防止泛油，必须对沥青用量进行控制，但过少的沥青用量又会引发混合料松散剥落等病害。因此，为了能使这种大孔隙特殊结构的材料协调作用，选择优质改性沥青和矿粉共同作用形成高粘度结构沥青极其重要。同时，排水性路面的除了进行透水功能设计以外，作为路面结构，必然要满足车辆荷载反复碾压的要求。这在材料设计中同样对沥青和矿粉提出了更高的要求[7]。
（1）改性沥青的要求
对于多孔性结构来说，有集料嵌挤而形成的强度会大为减弱，为保证大空隙排水和结构强度的要求，在材料设计时必须选择高粘度改性沥青。在我国气候和交通环境条件下，要保证排水性沥青路面混合料的强度、抗松、抗水损坏和车辙、耐久性等各方面性能，我国当前所采用的高粘度改性沥青的60℃动力粘度标准设定在50000Pa.s以上。
改性沥青的指标一定程度上决定了排水性沥青混合料的性能指标。通过动力粘度等指标与排水沥青混合料主要性能指标的回归关系等一系列研究，发现软化点和60℃动力粘度为关键控制指标。
（2）沥青胶浆的作用
由于制备OGFC沥青混合料过程中，改性沥青与矿粉应当充分裹附，使两者之间产生交互作用形成一层高粘度扩散溶剂膜。这种交互作用与沥青和矿料的性质都有重要关系，通常在不同酸碱性质矿粉表面会形成结构组成和厚度不同的吸附熔化膜，当采用碱性的石灰石矿粉时，沥青和矿粉之间更有可能形成稳定的高粘度结构沥青胶浆保持混合料的整体稳定，使透水性能得到充分的发挥。
6 结语
OGFC排水沥青路面采用大空隙（空隙率＞18%）沥青混合料表层，在满足行车荷载的同时具备显著的透水能力，使得雨后路面积水、水漂现象减少，保证了雨天行车的安全，其对于地下水的补偿远远优于普通密级配路面。在进行透水功能设计时应对当地降雨特征进行详细调查，通过渗透系数合理确定满足排水功能的路面厚度，再进行路面结构厚度设计。
为了保证路面结构的稳定耐久及透水功能的实现，需要对混合料的进行特殊材料设计，其中最重要的就是选取合适的级配曲线，并选取优质的改性沥青，并通过沥青与矿粉的相互作用进一步提升胶结料的粘度，以确保排水路面的发挥正常功能。
参考文献：
[1]JTG D50—2017,公路沥青路面设计规范[S]．
[2]何欣，曹霞，张欣红.浅谈透水人行道结构的设计与工程应用[M].城市道桥与防洪，2008（6）：30-38.
[3]张鹏飞.路面内部排水系统的设计与研究[D].上海：同济大学，1999.
[4]关彦斌.大孔隙沥青混合料路面的透水机理及结构设计[D].北京：北京交通大学，2008.
[5]王庆祝.透水性沥青路面在我国湿热多雨地区城市道路应用的可行性研究[J].中外公路，2005，25（6）：27-29.
[6]唐健娟.排水性沥青路面技术应用研究[J].城市道桥与防洪，2013（12）：179-181.
[7]张潘，杨军，卞凤兰.排水性沥青路面的排水功能设计与实践[J].中外公路，2009，29（6）：101-103.
论文作者:严红,黄汉彪
论文发表刊物:《防护工程》2018年第9期
论文发表时间:2018/9/6
标签：沥青论文; 路面论文; 孔隙论文; 透水论文; 空隙论文; 沥青路面论文; 结构论文; 《防护工程》2018年第9期论文;