鐵路瀝青混凝土防水封閉結構防水性能研究

張世杰

中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055

路基溫度、含水量變化將導致路基不均勻變形，從而影響軌道結構的平順性與耐久性，成為鐵路運行安全的重大隱患之一，同時也給鐵路養護維修造成很大的困難［1］。路基防水封閉層作為防排水體系的重要組成部分，是阻止表面水向路基結構內部滲透的外部屏障，對減小路基水分變化、防治路基病害有著不可替代的作用。因此，高速鐵路路基的防水封閉效果對路基長期服役性能至關重要。

2000年后，我國開始將瀝青混凝土引入高速鐵路工程建設，主要采用線間和路肩封閉的形式，因高速鐵路軌道結構的高標準要求和施工要求對工藝的限制，瀝青混凝土防水封閉技術僅在遂渝試驗段、京津城際鐵路、武廣客運專線等線路進行了有限的應用，實際效果表明無法充分發揮其應有的防水封閉作用［2］。中國鐵道科學研究院集團有限公司提出了全斷面瀝青混凝土防水封閉結構（圖1），即在基床表層與混凝土底座之間全斷面鋪設一定厚度的瀝青混凝土，以實現對路基的防水保護［3］。

圖1 全斷面瀝青混凝土封閉結構示意

本文在綜述國內外瀝青混凝土滲水特性研究的基礎上，確定了瀝青混凝土封閉結構的材料選型原則，依托京張高速鐵路工程評價鐵路瀝青混凝土封閉結構的防水性能。

1 瀝青混凝土滲水特性的研究現狀

國外使用瀝青混凝土時間較早，因而對瀝青混凝土滲水特性的研究也相對較早，研究成果也較為豐富。Holtz［4］對多孔材料的滲透性能進行了研究，發現影響其滲透性的主要因素包括空隙大小、空隙形狀、空隙尺寸、材料飽和度等。Zube［5］對瀝青混凝土空隙率及其滲透性能進行了研究，發現當空隙率低于8%時，瀝青混凝土的滲水系數基本為0，說明其具有良好的防水性能；當空隙率大于8%時，瀝青混凝土的空隙率越大，其滲水性能越強。Brown等［6］也通過試驗得到近似的試驗規律。Roberts等［7］指出當空隙率低于3%時瀝青混凝土較為密實，其強度主要為黏結力，內摩阻力占比較低；當空隙率超過8%時，空氣和水分容易侵入到瀝青混凝土內部，造成瀝青混凝土的老化，從而引起瀝青混凝土的早期開裂和松散剝落等病害的發生。Mallick等［8］研究了瀝青混凝土空隙率和結構層厚度的影響規律，發現集料最大公稱粒徑不同，瀝青混凝土的滲水性能也會存在較大的差異。Molenaar等［9］重點對瀝青混凝土空隙率與層間黏結層的滲水特性進行了研究，發現空隙率越大，層間黏結層的滲水能力越強。Richardson［10］針對排水性路面進行研究，結果表明當排水性路面材料沒有層理結構時，其橫縱向滲透系數基本相等。Lindly等［11］采用常水頭和變水頭法測試了材料的滲透系數，對于滲透系數大于10-2cm∕s滲透性較強的材料可采用常水頭法，反之則更適用于變水頭法。Kutay等［12］利用X?ray CT技術研究瀝青混凝土滲透性與水損害的關系，研究結果表明瀝青混凝土的滲透性與水壓力關系密切，動水壓力下材料的滲透系數更大，且滲透性越強，瀝青混凝土越容易出現水損害。

國內對于瀝青混凝土材料滲水特性的研究起步相對較晚。但漢成等［13］采用改進的滲水試驗測試儀器對一高速公路瀝青瑪蹄脂碎石混合料（Stone Matrix Asphalt，SMA）路面進行測試，發現瀝青混凝土層厚度與其抗滲性能成正比，SMA?16路面滲水系數不大于100 mL∕min，檢測合格率為90%。易軍艷等［14］提出了AC類瀝青混凝土的臨界滲水系數為100 mL∕min，AC?13、AC?16以及AC?20的臨界空隙率分別為7%、6%、5%，并發現瀝青混凝土空隙率越大、集配越粗、結構層厚度越小，瀝青混凝土的滲透系數越大，采用臨界滲水系數和臨界空隙率的雙重指標控制，可有效降低水損害發生的概率。陳景等［15］驗證了達西定律研究瀝青混凝土滲水性能的適用性，發現了空隙率大于7%時瀝青混凝土的滲水系數會急劇增大，最后建議在配合比階段公稱最大粒徑小于19 mm AC類的滲水系數應小于等于120 mL∕min。王薇［16］利用灰關聯分析法和滲水試驗，確定了空隙率、小于2.36 mm顆粒的質量分數、瀝青針入度為影響瀝青混凝土滲水性能的三大影響因素。

綜上所述，國內外學者圍繞瀝青混凝土的滲水特性開展大量研究工作，重點從試驗方法、現場測試、影響因素、滲水特性與水損害關系等方面開展研究，但尚未涉及配合比設計階段材料選型與瀝青混凝土滲水特性的關系研究。

2 瀝青混凝土材料設計原理

瀝青混凝土在宏觀上是包含了一種多級空間網狀礦料結構、空隙及瀝青砂漿的均勻混凝土材料。根據混凝土中骨料結構的空間分布狀態及其與瀝青砂漿的相對比例，可將瀝青混凝土分為：懸浮-密實型、骨架-空隙型及骨架-密實型三類結構，如圖2所示。

圖2 瀝青混凝土的結構類型與外觀狀態

1）懸浮-密實型的瀝青混凝土多采用連續型密級配，但各級集料均被次級集料所隔開，相互之間不能形成骨架結構，即粗集料懸浮于細集料和瀝青膠漿之間。其基本特點為：密實度高，防水性好，黏聚力高，內摩擦角低，低溫抗裂性、耐久性較好，但高溫穩定性較差。懸浮-密實型的瀝青混凝土典型代表為連續密級配瀝青混凝土AC。

2）骨架-空隙型瀝青混凝土的典型代表為開級配排水式瀝青磨耗層（Open?graded Friction Courses，OGFC），其采用連續開級配，以較多的粗集料形成嵌擠結構，采用較少的細集料以形成較大的連通空隙。骨架-空隙型瀝青混凝土具有透水性，目前在市政行業海綿城市中應用較多。經合理設計與施工的骨架-空隙型瀝青混凝土其高溫穩定性好，但由于細集料含量少，空隙未能充分填充，其耐水害、抗疲勞和耐久性能較差，所以一般要求采用高黏稠瀝青，以防止瀝青老化和剝落。

3）骨架-密實型瀝青混凝土的典型代表為瀝青瑪蹄脂碎石混凝土SMA，其采用間斷級配，粗集料形成骨架，細集料充分填充骨架空隙。骨架-密實型瀝青混凝土兼具了懸浮-密實型和骨架-空隙型的優點，具有密實度較大，黏聚力高，內摩擦角大，高溫、低溫、抗疲勞性能較好等特點，但間斷級配在拌和、攤鋪等過程中易產生離析現象，施工質量難以保證，對瀝青混凝土的施工質量控制技術提出了較高要求。

鐵路瀝青混凝土的首要功能是作為不透水層為路基提供防水保護，結合懸浮-密實型、骨架-空隙型及骨架-密實型三類結構的特點，骨架-空隙型瀝青混凝土無法滿足鐵路瀝青混凝土防水封閉結構的功能要求。骨架-密實型瀝青混凝土對施工控制技術要求較高，從技術經濟角度，最終推薦采用懸浮-密實型瀝青混凝土作為鐵路瀝青混凝土的結構類型，并且主要以AC類為主。

3 配合比設計

瀝青混凝土在組成上可視為由瀝青、集料和空隙組成，三者的相互關系常采用礦料間隙率、空隙率與瀝青飽和度表征，具體由各組成材料的相對密度及瀝青混凝土的相對密度計算確定。空隙率是指瀝青混凝土內部礦料及瀝青以外的體積占其總體積的百分率；礦料間隙率則指瀝青混凝土中，全部礦料毛體積以外的體積占瀝青混凝土毛體積的百分率；瀝青飽和度則指礦料間隙被瀝青填充的程度。

瀝青混凝土配合比設計的目的是根據功能和結構要求，合理確定礦料級配和最佳瀝青用量的過程，使得瀝青混凝土的高溫、低溫、抗疲勞、抗水損害等性能達到平衡，保持良好的工作狀態。目前瀝青混凝土的配合比設計方法主要分為三類：①經驗法，如馬歇爾設計法。②基于相關性能的設計法，以法國的EME設計法為代表。③基于路用性能的設計法，以Superpave設計法為代表。無論上述哪種設計方法，其基礎均為瀝青混凝土的體積參數設計。鐵路瀝青混凝土配合比設計方法在綜合吸收方法①和③成果的基礎上，采用馬歇爾穩定度試驗體系進行瀝青混凝土的配合比設計。

在所用原材料確定的情況下，瀝青混凝土的材料設計主要是通過優化礦料級配與調整瀝青用量來實現瀝青混凝土綜合性能的優化與平衡設計。近年來隨著對瀝青混凝土研究的深入，發現礦料的骨架狀態、瀝青砂漿的性能以及瀝青與礦料的相互作用對瀝青混凝土的高溫、低溫、抗疲勞性能及抗水損害能力等有決定性影響。

在充分調研與分析國內外瀝青混凝土礦料級配的基礎上，采用馬歇爾穩定度設計方法，按照懸浮-密實結構進行設計，最終確定京張城際鐵路瀝青混凝土的礦料級配范圍，見表1。

表1 瀝青混凝土的礦料級配范圍

4 防水效果評價

根據JTGE60—2008《公路路基路面現場測試規程》中瀝青混凝土滲水系數的測試方法的規定，以水面從100 mL水量下降到50 mL水量所需的時間為標準，若滲水時間過長，也可以采用3 min通過的水量計算。滲水系數Cw的計算公式為

式中：V1為第一次計時時的水量，通常為100 mL；V2為第二次計時時的水量，通常為500 mL；t1為第一次計時的時間；t2為第二次計時的時間。

按照區間正線路基沿線路縱向連續長度每500 m、站場路基折合正線雙線每500 m不少于5個測點的頻率進行檢驗，其代表性測點的數據見表2。

表2 代表性測點現場試驗結果

根據JTGF40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》密級配瀝青混凝土的滲水系數應不超過120 mL∕min。京張工〔2018〕133號《新建北京至張家口城際鐵路碾壓式瀝青混凝土防水封閉結構技術要求（暫行）》中明確規定瀝青混凝土防水封閉結構的滲水系數應小于等于60 mL∕min，可為路基提供良好的防水保護。由表2可知，京張城際鐵路瀝青混凝土防水封閉結構的滲水系數為3.33 mL∕min，滿足相關技術標準的要求，可有效防止水分侵入路基，進而降低路基凍害的發生概率。

5 結語

1）建議鐵路瀝青混凝土防水封閉結構選用懸浮-密實結構，以AC類瀝青混凝土為主。

2）可采用馬歇爾穩定度設計方法進行配合比設計，并提出瀝青混凝土的建議級配范圍。

3）現場測試的滲水系數均小于等于60 mL∕min，說明瀝青混凝土防水封閉結構具有良好的防排水性能，可降低路基凍脹、翻漿冒泥等病害的發生概率。