排水沥青路面的发展
高速公路的大量兴建，道路行车速度大大提高。为了保证车辆在高速行驶时路面有良好的抗滑性，尤其在雨天路面摩阻力应不致过分降低，为此许多国家对沥青路面表层结构进行了研究。
欧洲国家从20世纪60年代以来，研究开发了一种空隙率高达20%～25%而厚度一般为4～125px的磨耗层。由于空隙率大，雨水可渗入路面之中，由路面中的连通空隙向路面边缘排走，这样雨天路面表面不存在很厚的水膜，避免了水飘的产生，同时也不再出现溅水现象，有效地保证了行车的安全（图6-1）。因为这种多空隙的路面能很快地排水，所以这种路面称之为排水性沥青路面（Draining Asphalt）；也因为它的空隙率大，故又称它为多孔性磨耗层或多孔性防滑层（Porous Wearing Course or Porous Friction Course），也可以称其为开级配抗滑磨耗层（Open-Graded Friction Course ）。由于多孔性沥青路面具有降低噪声的功能，因而又称其为低噪声沥青路面（Low-noise Asphalt Pavement）。开级配多孔性沥青路面在欧美国家已得到广泛应用。
美国在上世纪70年代研究开发了开级配抗滑磨耗层（OGFC），取代过去的表面处治，如封层、石屑封面等路面。OGFC不完全与欧洲的排水性路面相同，OGFC一般其空隙率达到15%左右，而其铺筑厚度一般也仅19mm～25mm，它主要提供良好的抗滑性，并不具备充分的排水功能，故实际上应属于超薄沥青磨耗层。
比利时应用多孔性沥青材料铺筑路面已近二十年历史，其混合料的组成大体为：碎石83%、石屑12%、矿粉5%，沥青采用针入度级80/100或橡胶沥青，结合料用量分别为4%～5%和5.5%～6.5%。为提高多孔性沥青磨耗层的耐久性和稳定性，在混合料中还添加木质素纤维。
1984年以来，英国铺筑了各种试验路，目的是为了论证这种路面的降噪效果和耐久性。试验路所用的沥青结合料有100号沥青、EVA改性沥青、橡胶改性沥青；有加纤维和不加纤维；混合料中均掺加2%的消石灰。磨耗层厚度为112.5px，下层为875px厚的沥青混凝土，磨耗层的空隙率达到20%左右。
奥地利出于环境保护的要求，在许多经过城镇的道路上都铺筑了排水性路面，10多年前已累计有650万m2,并且计划将透水路面用于城市道路。奥地利已就多孔排水式沥青路面制定了设计规范。荷兰每年铺设透水性路面250万m2，这意味着荷兰已有15.4%的汽车专用道铺设了这种路面，并且计划到2010年，所有的主要道路都将铺设透水性路面，期望这种路面进一步提高道路的通行能力和交通的安全性。法国采用排水性路面速度非常之快，早几年就已经累计铺筑了2000多万m2，而且还以每年400万m2的速度递增。
日本在上世纪80年代开始排水性路面的研究，并且其发展速度非常之快。日本建设省土木研究所进行了大量试验研究，日本道路协会颁布了排水性路面技术指南。日本排水性路面厚度约4～125px，通过对试验路的跟踪观测，认为这种路面耐久性可以与普通沥青路面相当，从九十年代以来，日本道路公团规定，所有管辖的新建或改建高速公路表面层都必须采用排水性路面，并要求使用高粘度改性沥青。
世界上还有很多国家对排水性路面都进行了研究和应用。可以说在世界范围内有许多国家致力于这种路面的开发和研究。为此目的，曾经多次召开过国际会议，讨论交流各国的研究成果和经验。
1979年，在维也纳召开的第16届世界道路会议上，路面表面特性委员会专门讨论了这种路面的抗滑和降噪特性。
1981年在荷兰召开了多孔性沥青路面专题讨论会，会议对排水性路面降低轮胎/路面噪声的作用得到了进一步证实。
1983年在悉尼召开的第17届世界道路会议上，不仅对排水性路面的抗滑、减少溅水和喷雾的功能加以了肯定，而且对轮胎/路面噪声在交通噪声中所占的比重予以了关注，对其原因作出了分析。
在以后的每4年召开一次的18届、19届以及20届世界道路会议上，许多国家交流了在排水性沥青路面方面的研究成果和应用情况。此外，有些国家还召开专题讨论会，如1990年在美国华盛顿召开TRB年会，其主要议题就是排水性材料在道路上的应用问题。
国内近几年对排水性沥青路面进行了不少的研究，也铺筑了试验路段，最典型的应用实例当属西安咸阳机场高速公路所铺的排水性路面，其长度13.5km，计37100m2。实际应用证明，排水性路面具有抗滑性好，水雾少，不积水，行车安全；高温稳定性好，抗车辙能力强；噪声低，防眩光；但其空隙率高，沥青容易老化，耐久性差，且孔隙容易被堵塞，养护比较困难。
国内研究有研究指出，排水性沥青路面的多空隙还具有调节路面温度的作用，在炎热的夏天，其路面中的温度要比普通沥青路面平均低2℃左右。在城市中大面积铺筑排水性路面，对于调节城市环境温度是有益的。
排水沥青路面如何设计？
- 一、集料
开级配的排水性沥青路面铺设在路面表面，其混合料所用粗集料较一般AC类沥青混合料要多，特别要求石质坚硬，具有良好的颗粒形状和耐磨性，对沥青有良好的粘附性，同时在车辆碾压下应不易被碾碎。
有些石料虽然很坚硬，但如果表面光滑纹理性差也是不理想的。我国公路规范对于石料的磨光值PSV要求大于42。德国建议在任何情况下（当为Ⅳ～Ⅵ级路面时）碎石的磨光值PSV均应大于53，并且碎石的击碎值（S28/12）小于18。美国联邦公路管理局关于开级配抗滑磨耗层集料的要求,则提出粗集料不能使用质地较软的石灰石和易磨光的集料，而且至少应有75%（重量比）的集料有两个破碎面，90%的集料有一个破碎面，洛杉矶磨耗损失（AASHTO T 96）不超过40%。
火成岩类中的喷出岩，如安山岩、玄武岩等，大都具有良好的抗滑性。水成岩的抗滑性则随岩石的种类而有很大的差异。一般砂岩、砾岩、页岩的抗磨性较好，而石灰岩极易被磨光。变质岩的磨光值变化幅度较大，采用前需要通过测试确定。
- 二、填料
用作排水性混合料的填料应采用石灰石粉。许多国家如美国、德国等国家，为提高排水性的路面的水稳性，采用消石灰粉替代部分矿粉，一般用量约为2%，也即矿粉总量的40%～50%。消石灰粉是先将石灰消解，然后烘干、磨细、过筛制备而成。目前在我国市场有些地方已有现成产品供应，否则也可委托有关单位如水泥厂专门加工。作为抗剥落对策，可采取消石灰与水泥并用的措施。
对于沥青混合料拌和过程中的回收粉尘，原则上不宜使用，但如果经检验其塑性指数小于4%，则也是可以用作填料的，但用量宜不超过填料总量的50%。
- 三、沥青结合料
排水性沥青路面所用的沥青结合料，随着人们对这种路面使用性能的认识，其技术要求有一个变化发展过程。
国外早期采用针入度较大的沥青，认为这样可以防止过早地老化，故欧洲一些国家都采用200号沥青，除考虑老化因素外，还因为这些国家气温较低，同时所铺路面较薄，故使用低粘度沥青尚能适应。美国南北气候有较大的差异，在机场道面上铺筑透水抗滑磨耗层时，美国联邦航空局建议使用60/70沥青；有些城市的机场道面则采用85/100的沥青，并在沥青中掺加0.5%的硅化橡胶，如丹佛机场、盐湖城机场即如此。美国北部一些城市则采用120/150沥青。
使用普通沥青铺筑多孔性沥青路面，其强度明显不足，在交通荷载作用下路面易被进一步压密而变形，使空隙率降低，并影响路面的平整度。同时由于沥青粘度低，集料颗粒表面的沥青膜比较薄，不耐老化，集料颗粒容易脱落，造成路面松散。
表1 国外早期排水性路面采用的沥青结合料
开级配多孔性沥青混合料中，粗集料多，细集料少，混合料的强度主要依靠结合料的粘结作用。为承受车轮荷载的作用，需要有一定的强度，故必须采用具有高粘结力的沥青结合料。又由于空隙率大，要求结合料有良好的耐老化能力，并且与集料有很好的粘附性。为此近十年来许多国家已开始注意使用改性沥青材料。表1列出了一些国家采用的沥青结合料。
日本对排水性沥青路面所用结合料进行了深入研究，并专门研制了高粘度改性沥青结合料。所谓高粘度改性沥青，是其60℃粘度大于20000Pa.s。应用高粘度改性沥青，不仅能显著提高排水性路面的抗变形能力，而且对沥青与集料的粘结性也能得到有效的改善。高粘度改性沥青主要技术指标如表2所示。
表2 日本高粘度沥青技术标准
表2中数据表明，日本高粘度沥青粘度是一般沥青粘度的100倍，而实际使用的高粘度沥青其粘度则高达（6～8）×104Pa.s，几乎是普通沥青的300～400倍。然而有趣的是采用这种高粘度沥青，在160～170℃拌和时，拌和机的负荷并不增大，故不用过多提高拌和温度。研究表明，高粘度沥青在高温时其粘流特性与直馏沥青不同，它随着剪切速率的增大，剪应力不成正比例增加，属于一种非牛顿液体。
法国研究认为，采用聚合物改性沥青（PMA）在初期具有良好的流变力学性能，但这些性能随时间而变化，经氧化老化后，PMA在低温时变成脆性。他们在沥青中掺加15%～20%的磨细橡胶粉，配制成橡胶沥青结合料（ARB），ARB具有很好的粘附性和柔韧性，在高温下又有较强的抗蠕变能力和耐老化性能（橡胶中含有抗氧剂）。此外，由于橡胶沥青的高粘性，混合料的沥青用量明显增加，集料颗粒表面沥青膜增厚，有利于抵抗松散，因此认为采用ARB比PMA好。其ARB结合料的性能如表6-3所示。
表3 法国ARB结合料的性能
表4 西班牙多孔性路面结合料性
表5 新加坡排水性沥青路面结合料性能
西班牙采取在沥青80/100中掺加EVA，配制成聚合物改性沥青，其性质如表4所示。在表中同时列出沥青60/70的性质以作比较。他们研究认为，聚合物改性沥青，在抗塑性变形、抗松散、粘附性等方面，都优于沥青60/70。
新加坡采用埃索公司的聚合物改性沥青铺筑了25km的排水性沥青路面，该沥青的性能列于表5。埃索公司认为，作为排水性沥青路面的沥青结合料，应具有如下性质，即不太高的粘度，但高温时要有较高的粘滞性，或者说粘稠性，而低温时不发脆，与集料有良好的粘附性，还要有良好的耐老化性能。
表6 我国规范关于高粘度沥青技术要求
综观国外大量的研究，在早期排水性路面所用的沥青结合料其粘度相对较低，在大交通量的道路上应用，容易产生较多病害，近几年总的向采用高粘度沥青方向发展，在这许多国家中，以日本所提出的结合料技术标准更为合理。我国虽然在排水性路面方面已经做了不少研究，但总体来说经验尚不足，为此我国现行沥青路面施工技术规范（JTG F40—2004）中对于OGFC路面所用的沥青结合料要求（表6）基本是参照同日本的技术标准而制订的。与日本技术标准相比较，仅少了一项旋转薄膜烘箱后的针入度比指标。
除上述以石油沥青为基料的各种聚合物改性沥青作为排水性沥青路面的结合料外，在国外还有采用热固性树脂，如环氧沥青作为结合料。其热固化特性使混合料碾压成型后，即使在高温和重载条件下，一般都不会再发生变形，排水性路面的空隙率可长期保持而不降低。同时由于环氧沥青混凝土具有强度高，耐疲劳，故在一些特别重要的场合使用。如在隧道中铺设排水性路面，就宜采用环氧沥青作为结合料。
出于环境保护和景观的需要，铺筑彩色排水性路面也成为一种时尚，在这种情况下需要采用特种的可着色结合料。
- 四、纤维与其他添加剂
为提高多孔性沥青混合料的沥青含量和抗松散能力，在混合料中添加纤维是有效的。纤维可采用木质素纤维、矿物纤维、聚丙烯腈纶纤维、聚酯纤维或其他纤维，关于纤维的种类及其技术标准，在SMA混合料设计的一章中已有详细论述。纤维的添加量控制在混合料重量的0.1%～0.5%范围内。一般来说，对于木质素纤维，用量约为0.3%；对于合成纤维，用量可取0.2%。
研究表明，在沥青结合料中添加适量磨细轮胎粉，也能有效地提高混合料抗松散性和耐久性。目前国内已能生产80目以上的胶粉。
为提高混合料的水稳性，除使用消石灰粉、水泥外，还可考虑采用其他抗剥落措施，如液体沥青抗剥落剂。
文章内容来自网络，如有侵权，请联系删除。
关注“艾三维技术”微信公众号，免费获得BIM软件7天免费试用和13个BIM软件系列教程，还有精彩案例，BIM解决方案，定期发送！