大孔隙排水調溫層性能評價*

程 偉 王 博 虞將苗 羅傳熙

(安徽省交通控股集團有限公司1) 合肥 230000) (華南理工大學土木與交通學院2) 廣州 512000)

0 引 言

現階段我國橋面鋪裝結構理念均是通過設計密實的瀝青混凝土讓雨水無法下滲，從而使雨水通過路面表面進行排除[1-2]，但這種設計理念未考慮因施工離析或后期裂縫而滲入的雨水的排除.目前暫未發現有不同于該設計理念的橋面鋪裝結構的應用.此外，橋面鋪裝結構所承受的溫度特性加劇了其早期破壞的現象，傳統橋面鋪裝層的溫度在中午至前半夜會高于路面鋪裝層的溫度，兩者差值最高可達8 ℃[3].這是由于橋面鋪裝結構受到“雙面加熱”的原因，并且橋面鋪裝結構無法像路基路面結構一樣可將熱量傳遞到路基內，因此，橋面鋪裝結構極易在行車荷載、雨水和溫度的耦合作用下導致瀝青鋪裝層出現坑槽、推移、車轍等病害現象.

本文通過設計含有大孔隙排水調溫層的鋪裝結構以此來解決滲入路面結構的雨水與其承受的高溫問題，見圖1.由于其大孔隙的原因，可將滲入雨水從其連通的空隙迅速排出路面結構，同時可降低橋面鋪裝結構的工作溫度，減小承受高溫的時長.本文通過在濟祁高速利辛至淮南段鋪筑含有大孔隙排水調溫層的橋面鋪裝結構實體工程，并設置溫度和濕度傳感器監測其滲入雨水的情況與其承受高溫的情況.

圖1 橋面鋪裝結構示意圖

1 室內實驗

為了實現排水調溫層的大孔隙特性，采用CAVF法進行級配設計[4]，目標空隙率設定為25%，級配情況見圖2.瀝青采用廣東鑫大高黏高彈雙指標SBS改性瀝青，指標見表1；碎石采用東海安峰山石料廠玄武巖.在依據文獻[3]進行瀝青混合料配合比設計后，針對疲勞性能進行了比較實驗，對比大孔隙排水調溫混合料、普通SBS改性瀝青SMA-13(油石比6.2%)和普通SBS改性瀝青AC-13C混合料(油石比5.1%)的四點彎曲疲勞試驗結果見表2(標準試驗條件：800微應變，15 ℃測試環境溫度).可見大孔隙排水調溫混合料疲勞壽命遠高于SMA-13與AC-3C的疲勞壽命.

圖2 目標級配與生產級配

表1 高黏高彈雙指標SBS改性瀝青檢測結果

表2 疲勞試驗結果

2 實體工程

2.1 橋面鋪裝

大孔隙排水調溫層混合料由于其瀝青與級配和普通瀝青混合料不同，其施工方法也有不同，主要體現在溫度與碾壓的控制上.高粘高彈瀝青加熱溫度控制在180～190 ℃，石料加熱溫度控制在190～210 ℃，混合料出料溫度控制在180～210 ℃.由于大孔隙排水調溫層混合料采用斷級配形式，且厚度較薄，其依靠攤鋪機熨平板振動夯實基本可達到90%的壓實度，因此在碾壓方面只需采用11～13 t雙鋼輪壓路機進行前靜后振三遍即可.為避免出現堵塞孔隙的情況，在完成大孔隙排水調溫層混合料施工后，應盡快進行上面層施工.

2.2 傳感器布設

數據采集系統采用某公司的dataTaker系列數據采集主機DT80，DTU無線模塊、PT100型溫度傳感器和FDS-100水分傳感器，傳感器性能參數見表3.

表3 傳感器參數

傳感器分別埋設在緊急停車道中心位置(距路面邊緣1.7 m)與重車道中心位置(距路面邊緣5.3 m).數據采集系統一共布設八支溫度傳感器和四支濕度傳感器(每二個溫度傳感器與一個濕度傳感器為一組)，其中溫度傳感器布設在大孔隙排水調溫層頂面與底面，濕度傳感器布設在大孔隙排水調溫層底面，斷面布設示意圖見圖3，傳感器布置方案見表4.

圖3 傳感器布設斷面圖

表4 溫度傳感器布設方案

3 數據分析

3.1 調溫功能

本文采集了2016年11月20—2017年8月9日的大孔隙排水調溫層的溫度與濕度數據，其中數據采集頻率為10 min采集一次.查閱歷史溫度記錄可知：2017年2月9日出現最低氣溫(當天最高溫度為5 ℃，最低溫度為-3 ℃)，2017年7月24日出現最高氣溫(當天最高溫度為39 ℃，最低溫度為30 ℃)，2017年2月9日傳感器溫度變化見圖4所示，2017年7月24日傳感器溫度變化見圖5.

圖4 2017年2月9日溫度數據

由圖4可知排水調溫層頂面位置于2017年2月9日07：30出現最低溫度-3.00 ℃，排水調溫層底面位置于2017年2月9日08：00出現最低溫度為-1.56 ℃.在00：00-09：00與18：00-00：00期間排水調溫層頂面位置溫度較排水調溫層底面位置溫度低，09：00-18：00期間排水調溫層頂面位置溫度較排水調溫層底面位置溫度高.太陽輻射是造成路面結構內部溫度交替變換的主要原因之一，當存在太陽輻射時，瀝青路面表面溫度快速上升，由于熱量傳播的關系，路面結構整體溫度整體上升，排水調溫層頂面最高溫度達到10.02 ℃，而同一時間排水調溫層底面位置溫度只有6.42 ℃，兩者溫度相差3.6 ℃，可見熱量的傳播隨著深度的增加而遞減.當太陽輻射消失時，路面結構內部熱量將進行由內至外的反向傳播.由于熱量傳播方向的轉變形成了路面結構內部不同深度位置溫度交替變化的現象.

圖5 2017年7月24日溫度數據

由圖5可知，排水調溫層頂面位置于2017年7月24日14：30出現最高溫度61.56 ℃，排水調溫層底面位置于2017年7月24日15：30出現最高溫度為54.89 ℃.在高溫時期，瀝青路面受太陽的輻射的影響同樣存在路面結構內部不同深度位置溫度交替變化的現象.當存在太陽輻射時，排水調溫層頂面位置溫度開始急速上升，且最高溫度達到61.56 ℃，而排水調溫層底面位置溫度上升速率明顯較緩慢，且同一時刻溫度只有54.2 ℃，兩者溫度相差7.36 ℃.

經驗表明在一般橋面鋪裝的中面層頂面與底面溫度差只有1 ℃左右[5](中面層頂面最高溫度為39 ℃).2017年7月7日最高氣溫為30 ℃且大孔隙排水調溫層頂面最高溫度為39.15 ℃(見表5)，但大孔隙排水調溫層頂面與底面溫度差為4.94 ℃，可見大孔隙排水調溫層可明顯降低橋面鋪裝結構溫度.另一方面，在低溫時期，大孔隙排水調溫層頂面與底面的溫度差為3.6 ℃，而在高溫時期大孔隙排水調溫層頂面與底面的溫度差為7.36 ℃，可見隨著溫度的上升，大孔隙排水調溫層頂面與底面的溫度差在逐漸變大，說明大孔隙排水調溫層的調溫作用隨著溫度的升高進而充分的體現出來.

在太陽輻射的作用下，2017年7月24日排水調溫層頂面位置溫度高于50 ℃的時長為500 min，而排水調溫層底面位置溫度高于50 ℃的時長為400 min，兩者時長相差100 min；排水調溫層頂面位置溫度高于60 ℃的時長為160 min，而排水調溫層底面高于60 ℃的時長為0 min，兩者時長相差160 min(具體數據見表6).可見通過大孔隙排水調溫層的調溫作用后，瀝青層所承受的高溫時間將大大減少.綜上而言，大孔隙排水調溫層可明顯降低鋪裝結構溫度，進而提高路面抗車轍能力與路面抗疲勞能力，從而有效延長橋面鋪裝結構使用壽命.

表5 2017年7月7日溫度數據

注：上述頂面與底面均為大孔隙排水調溫層頂面與底面

表6 2017年7月24日溫度數據

3.2 排水功能

傳統橋面鋪裝結構設計理念是通過設計密實的瀝青混凝土進而使雨水通過路面表面排除，而不滲入路面結構內部.研究可知密實型瀝青路面在密度的情況下水分傳遞的滯后時間超過4 h，且濕度逐漸緩慢變化[6-8]，見圖6.由圖6可知，3月份存在5次路面結構內部濕度迅速提升的現象，因此，可知現實中橋面鋪裝結構無法實現完全的封水，當雨水降落至瀝青路面時，往往會從瀝青路面的邊界、微裂縫與局部空隙率偏大的區域(攤鋪離析)滲入路面結構，從而造成瀝青路面早期水損害的現象.

圖6 2017年3月的濕度數據

排水調溫層由于采用了大孔隙瀝青混合料鋪筑，滲入路面結構的雨水可通過其連通孔隙直接排出路面結構，見圖7.13：20時大孔隙排水調溫功能層濕度傳感器3位置的含水率迅速提升，在10 min內濕度從2.33%上升到30.55%；00：10時大孔隙排水調溫功能層的含水率迅速下降，在50 min內濕度30.13%降至8.96%.說明大孔隙排水調溫功能層能快速的排除滲入路面結構的雨水.

圖7 降雨期間濕度數據

由圖7可知，濕度傳感器1含水率上升的時間較濕度傳感器2，3有50 min的延遲，分析其主要原因有兩個方面：①大部分降雨已沿著路面流入急流槽，只有部分雨水滲入路面結構，因而無法同時使不同位置的含水率快速上升；②該橋面鋪裝為新建項目，路面結構并未存在裂縫等病害，且未見明顯離析現象，因此路面滲水的主要途徑為瀝青路面與新澤西護欄的接觸面，而濕度傳感器1與濕度傳感器2、3布設位置分別是距邊緣1.7 m與5.3 m，再者滲入的雨水需要通過大孔隙排水調溫層的連通孔隙流動，所以滲入水需要較長的時間才可以影響到濕度傳感器1.同時濕度傳感器1含水率降低的時間較傳感器2含水率降低的時間晚也可以充分的證明這一分析.

此外，可以看到在含水率迅速下降后傳感器1的含水率高于傳感器2的含水率，雨水最后匯集到邊部，所以靠近邊部的路面結構含水率偏高.同時經過降雨后每一個傳感器的所監測到的含水率都較之前的高，而且后期含水率下降速度非常緩慢，這是因為當最后少量的滲入水無法形成流動水時，這些滲入水只能通過緩慢的蒸發來排除，因此無法形成動水沖刷.

綜上所述，橋面鋪裝結構是無法完全封水的，即使在新建項目上，路面結構也會滲入雨水，雨水主要通過瀝青面層與邊部混凝土接觸面滲入，雖然滲入的量較小，但已足夠形成流動水，這也意味著將形成動水沖刷.隨著路面使用年限的增加，從路面病害處(如裂縫)滲入的雨水將會逐漸增加，從而加速路面的破壞.本文所設計的大孔隙排水調溫層可迅速排除滲入路面結構的雨水，避免形成動水沖刷等危害路面結構的情況.

4 結 束 語

與過往設計思路不同，本文設計的橋面鋪裝結構主要以排水降溫為主.研究發現大孔隙排水調溫層可明顯降低瀝青層的溫度，減少瀝青層經受高溫的時間；通過濕度傳感器的監測證明即使是新建橋面鋪裝結構也會有雨水下滲并形成流動水，即可能形成動水沖刷的情況；通過研究瀝青層的含水率變化情況證明大孔隙瀝青混合料可將滲入的雨水快速排出瀝青層，避免形成動水沖刷.通過本文研究證明大孔隙排水調溫層可降低瀝青層溫度并有效排出滲入的雨水，避免形成瀝青路面早期病害，有效提升瀝青路面使用壽命.