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日本排水性沥青路面的铺装技术与配合比设计

文章附图

摘要:介绍日本排水性沥青路面铺装技术、材料要求、配合比设计,为国内铺筑排水性沥青路面提供参考。


关键词:排水性沥青路面、TPS改性剂、配合比设计、施工控制

先看一段日本排水性沥青道路的视频:


排水性沥青路面与OGFC在定义上有着区别,OGFC为开级配排水沥青磨耗层,厚度一般在2cm左右,而排水性沥青路面则用于铺装路面结构层的表面层。日本的排水性沥青路面铺装技术较为成熟,并在国内已大范围采用。排水性沥青路面具有较大空隙率,能迅速排出路面汇水,不致产生在车轮作用下的水雾现象,消除路面残留水膜,高空隙率结构增大了表面的粗糙度,吸收了行车噪音,提高了行车尤其是雨天行车的安全性与舒适性。


排水性沥青路面的沥青必须具有较高的粘度,以提供足够的沥青膜厚度,保证骨料粘结、混合料的强度和耐久性。日本大有建设株式会社研制开发的TPS改性剂显著提高沥青的粘度,并因其添加方法为现场拌和楼投入,克服了SBS改性沥青难以避免的离析问题,因此排水性沥青路面在日本得以大规模应用。

广西南友公路铺筑4Km排水性沥青路面的,由日本大有建设株式会社提供TPS改性剂和技术支持,本文结合施工情况介绍日本排水性沥青路面的铺装技术和配合比设计,供同行参考。


1.排水性沥青路面的特点和优势


1.1排水方式的不同(图1)


图1  排水性路面与密级配路面的排水方式


1.2降低噪音、降低交通事故率(见图2)


排水性沥青路面较密级配路面在相同车速情况下能降低噪音3~5dB(A),同时其高抗滑性能有效降低了交通事故发生率,图2所示为日本道路公团的调查结果。


图2  排水性路面与密级配路面的噪音、年交通事故数量比较图(文献[8])


1.3抗车辙性能和排水性能


排水性沥青路面在使用年限内的排水效果和抵抗车辙的能力是铺筑排水性路面经济效益和社会效益的关键指标,日本道路公团对排水性路面在使用过程中的排水性能和抵抗车辙能力做了调查和研究,见图3和图4。


图3的排水性调查显示在车轮行驶处由于车轮旋转与地面产生负压吸去粉尘,6年后的渗水量较车轮间路面大,车轮间路面10年后仍达到400mL,能够满足排水性路面的排水要求;图4排水路面的车辙深度在10年后为11mm,较常规路面有着明显的优势。


2.排水性沥青路面混合料设计指标


2.1矿料

各项指标应符合文献[1]中相应的要求。


2.2沥青

沥青应具有较高粘度,采用泰普克70#重交沥青作为基质沥青,基质沥青应符合文献[1]的要求,加入TPS改性剂后沥青应符合文献[2]中的要求,加入TPS改性剂后的沥青检测指标结果见表1。

1  TPS改性沥青试验结果

试验项目

单位

试验结果

试验方法对比

技术要求[2]

针入度(25℃,100g5s

0.1mm

45

文献[3] T0604

文献[4]JIS K2207

≥40

软化点

92.5

文献[3] T0606

文献[4]JIS K2207

≥80

延度 (15℃)

cm

≥100

文献[3] T0605

文献[4]JIS K2207

≥50

60℃动力粘度

Pa.s

253000

文献[3] T0620

文献[6]JAA-001

≥20000

闪点

310

文献[3] T0611

文献[4]JIS K2265

260

薄膜加热质量损失

%

0.07

文献[3] T0609

文献[4]JIS K2207

0.6

薄膜加热残留针入度比

%

84.5

文献[3] T0604

文献[4]JIS K2207

65

粘附性

N.m

30.7

——

文献[5]JEAAS

≥20

粘结力

N.m

23.6

——

文献[5]JEAAS

≥15

密度(15℃)

g/cm3

1.025

文献[3] T0603

文献[4]JIS K2207

实测

TPS改性剂为一种热可塑性橡胶聚合物材料,其基本性状见表2和图5。

2  TPS改性剂基本性状

粒径

2~3mm

颜色

淡黄色

比重

0.98

单位体积重量

0.6t/m3


图5  TPS改性剂


2.3沥青混合料

2.3.1矿料级配范围见表3(文献[2])

3  沥青混合料矿料级配范围

筛孔尺寸(mm

26.5   19    16    13.2     9.5    4.75   2.36   1.18   0.6   0.3   0.15   0.075

级配范围(%

公称最大粒径13mm

100  ——  90~100   ——  11~35  10~20  ——  ——  ——  ——   3~7

公称最大粒径19mm

100  95~100 ——  64~84  ——    10~31  10~20  ——  ——  ——  ——   3~7


南友公路铺筑4Km排水路面表面层,表面层设计层厚为4cm,因此选择公称最大粒径为13mm的设计级配。


2.3.2沥青混合料技术指标见表4(文献[2])

4  沥青混合料技术指标

混合料       技术指标

空隙率     稳定度      流值      动稳定度    肯特堡飞散损失   渗水系数[7]

%)     (KN)   (0.1mm)  (次/mm)       (%)        (cm/s

20        3.5      20~40      3000          20          0.01



3.排水性沥青路面铺装防水层设计

日本气候条件与沥青路面设计结构与中国相似,参照日本高速公路防水层设计施工的方法,采用SBR改性乳化沥青施工防水层,用量为0.5~0.6L/m2,粗糙表面增加0.3L/m2用量,SBR改性乳化沥青技术指标见表5。

5  SBR改性乳化沥青技术指标

项目

试验结果

技术要求

文献[5]标准

南友公路招标文件标准

筛上剩余量(1.18mm)  不大于(%

0.05

0.3

0.1

电荷

+

阳离子(+

阳离子(+

破乳速度试验

快裂

——

快裂

粘度

沥青标准粘度C25.3s

15

——

8~25

恩格拉度E25

10

——

3~20

蒸发残留物含量 不小于(%

66

50

65

蒸发残留物性质

针入度(100g25℃、5s)(0.1mm)

72

60~100

60~100

软化点   (℃)

54

48

53

延度  不小于(cm

8515℃)

1007℃)

5015℃)

溶解度(三氯乙烯) 不小于(%

98.3

——

97.5

粘附性(25℃)  不小于(N.m

——

2.9

——

粘结力(25℃)  不小于(N.m

——

1.5

——

灰分    小于(%

——

1

——

储存稳定性

5d不大于    (%

3

——

5

1d不大于    (%

0.7

1

1

与矿料粘附性,裹覆面积  不小于

大于2/3

2/3

2/3


4.排水性沥青路面沥青混合料配合比设计


4.1目标配合比设计

(1)确定2.36mm筛孔的通过率。

排水性沥青混合料的矿料级配为全骨架结构,其空隙率的决定性筛孔是2.36mm,通过率决定目标设计空隙率和骨架嵌挤作用。以2.36mm通过率中值15%为基准,计算合成12%与18%共三条级配曲线见表6。

6  2.36mm筛孔不同通过率的三条级配曲线

筛孔尺寸

(mm)

19     16     13.2     9.5     4.75     2.36     1.18     0.6     0.3      0.15    0.075

级配上(%

100    100     91.9    44.8     22.3     18.0     14.7    12.3    10.3       9.1      6.8

级配中(%

100    100     91.9    44.8     19.9     15.0     12.4    10.7    9.4       8.6      6.4

级配下(%

100    100     91.9    44.7     17.6     12.0     10.2    9.2    8.5       8.1      6.0

备注

级配上矿料比例(749.411.632)  级配中矿料比例(7413.47.632)                              级配下矿料比例(7417.33.732

矿料比例按10~15mm5~10mm0~3mm:矿粉:水泥


对三条级配曲线按沥青含量5.2%分别成型马歇尔试件,测定不同曲线试件的空隙率,绘制空隙率与2.36mm通过率关系图,如图6,以目标设计空隙率20%对应的通过率17.5%为目标配合比矿料通过率,矿料合成级配见表7。

图6  2.36mm通过率与空隙率关系图


7  矿料合成级配

筛孔尺寸(mm

19    16    13.2     9.5    4.75   2.36   1.18   0.6   0.3   0.15   0.075

级配范围(%

100   100    91.9    44.8    21.9   17.5   14.3   12.0  9.8   8.2     6.4


排水性沥青混合料一般要求沥青膜厚度不宜小于14um,按文献[1]附录D中计算初始沥青用量方法,计算沥青为6.9%,显然计算沥青用量偏大,经测试析漏指标为1.5%,不符合要求。


按不同沥青用量分别成型马歇尔试件,进行谢伦堡析漏试验和肯特堡飞散试验,析漏试验确定沥青的最大用量,飞散试验确定沥青的最小用量,取共同范围的中值为最佳沥青用量,试验结果见图7和图8。

图7  沥青用量与析漏关系图(确定最大沥青用量)

图8  沥青用量与飞散损失关系图(确定最小沥青用量)


由图可知最佳沥青用量范围是4.73%~5.31%,取中值5.0%为最佳沥青用量。在无合适试验条件下,可以经验确定沥青用量,只以析漏指标作为确定参数,为保证沥青膜厚度一般要求在0.4%~0.6%范围。


(3)混合料性能试验

按表7的矿料级配和确定的沥青用量5.0%(含占沥青用量12%的TPS改性剂)进行混合料试验,检验各项指标,检验结果见表8,矿料比例为:10~15mm:5~10mm:0~3mm:矿粉:水泥=74:10:11:3:2。

8  目标配合比设计混合料试验结果

试验指标

最大理论密度     毛体积密度     空隙率     连通空隙率    稳定度    流值     动稳定度   析漏

g/cm3)       (g/cm3)      (%)       (%)      (KN)  (0.1mm) (次/mm) (%

试验结果

2.393           1.930         19.3          13.2        7.58      27.0       6857     0.24

4.2生产配合比设计

(1)拌和楼热料仓取样试验,经计算和反复调整,矿料合成比例为11~17mm:7~11mm:0~3mm:矿粉:水泥=50:32:13:2.5:2.5,矿料合成级配见表9。

9  生产配合比矿料合成级配

筛孔尺寸(mm

19    16    13.2     9.5    4.75   2.36   1.18   0.6   0.3   0.15   0.075

级配范围(%

100   98.9   83.9    46.3    20.0   18.2   14.7   12.2  10.2   8.8    6.2

排水性沥青路面铺装技术对矿料级配的要求主要控制9.5mm、4.75mm、2.36mm三个关键性筛孔,保证骨架结构和集料嵌挤作用,9.5mm以上筛孔只做辅助控制。


(2)按目标配合比确定的5%沥青用量进行马歇尔试验、析漏试验和动稳定度检验,试验结果见表10。

表10  生产配合比设计混合料试验结果

试验指标

最大理论密度     毛体积密度     空隙率     连通空隙率    稳定度    流值     动稳定度   析漏

g/cm3)       (g/cm3)      (%)       (%)      (KN)  (0.1mm) (次/mm) (%

试验结果

2.399           1.881         21.6          16.7        5.08      24.6       5544     0.56


4.3生产配合比搅拌楼验证试验

(1)根据热料筛分结果确定三条级配曲线(含生产配合比),验证不同级配曲线混合料空隙率与动稳定度的差异,最终确定标准生产配合比。三条级配曲线见表11。


表11 搅拌楼验证试验三条级配曲线

筛孔尺寸

(mm)

19     16     13.2     9.5     4.75     2.36     1.18     0.6     0.3      0.15    0.075

级配1%

100    99.1     84.2    47.7     17.8     16.1     12.6    10.1    8.1       6.7      6.0

级配2%

100    99.1     84.2    47.9     18.8     17.0     13.1    10.5    8.3       6.8      6.1

级配3%

100    99.2     85.8    51.2     17.8     16.1     12.6    10.1    8.1       6.7      6.0

备注

级配1矿料比例(50:32:13:2.5:2.5)   级配2矿料比例(50:31:14:2.5:2.5)   级配3矿料比例(45:37:13:2.5:2.5)

矿料比例按11~17mm:7~11mm:0~3mm:矿粉:水泥

(2)拌和楼试拌取样进行马歇尔试验、析漏和动稳定度检验,试验结果见表12


12  搅拌楼验证混合料试验结果

试验指标

最大理论密度     毛体积密度     空隙率     连通空隙率    稳定度    流值     动稳定度   析漏

g/cm3)       (g/cm3)      (%)       (%)      (KN)  (0.1mm) (次/mm) (%

级配1

2.399           1.859         22.5          17.7        6.19      37.1       6416     0.57

级配2

2.399           1.912         20.3          16.5        6.07      32.1       6744     0.45

级配3

2.400           1.886         21.4          17.1        6.32      38.6       6535     0.52

以空隙率和动稳定度指标综合确定采用级配2作为生产用标准配合比,沥青含量(含占沥青用量12%的TPS)为5.0%。


4.4配合比设计中的相关试验和要求

(1)成型试件与相关试验温度要求:矿料加热温度190℃~200℃,沥青加热温度150℃~160℃,击实成型温度155℃~160℃;析漏试验温度180℃,其它温度要求同文献[3]中规定。


(2)由于试验设备的限制,本次试验未测定渗水系数,现将文献[7]中测定方法简述如下,试验设备见图9。


图9  渗水仪示意图

按照下式计算渗透系数k。

式中:Q——渗透经过试件的水量(图中量筒收集所示),cm3

t1t2——测试的开始时间与结束时间;

L——试件的高度(标准未脱模马歇尔试件,6.35cm),cm

A——试件的横截面面积(标准马歇尔试件,81.03cm2),cm2

h——水头高度(图中所示由溢流口保证试件在常水压下),cm

k——渗透系数,cm/s


(3)空隙率测定方法:空隙率测定按文献[3]中方法测定,参照文献[2]测试连通空隙率与独立空隙率,连通空隙率为试件中可以相通的空隙,独立空隙率为封闭空隙。连通空隙率=[试件体积-(空气中重量-水中重量)/水的密度]/试件体积;独立空隙率=空隙率-连通空隙率。


(3)其它试验注意事项:马歇尔击实双面50击,体积法测量试件毛体积密度;文献[2]规定车辙试件留置在空气中一个昼夜。


5.排水性沥青路面关键工序的施工控制

施工应安排在交通工程、防护工程、排水设施等附属工程结束后进行,防止污染。


5.1防水层施工

洒布前应保证中面层的清洁干燥,严格控制沥青洒布量和保证均匀洒布,本次施工采用法国产RIM-CHVIL全自动沥青洒布车,对靠近路缘石位置人工进行二次补洒。


5.2施工温度控制

TPS改性剂须与高温矿料混合溶解以提供高粘度改性沥青,对温度要求更为严格,混合料施工各工序的温度要求见表13。

表13  排水性沥青路面沥青混合料温度控制要求

施工工序

温度要求(℃)

沥青加热温度

155~165

矿料加热温度

190~200

混合料出场温度

175~185

混合料到场温度

160

混合料摊铺温度

155

初压温度

150

胶轮终压温度

60


开放交通温度

50

5.3混合料的拌和和运输

为保证TPS改性剂的使用效果应在沥青加入前投入,干拌8~10s,然后投入沥青湿拌40~50s,应保证混合料无结团和花白料。采用20t以上的大吨位自歇车,加盖双层防雨棚布,保证混合料表面的温度。


5.4混合料的摊铺和碾压

采用2台摊铺机梯队摊铺,摊铺速度小于3m/min,两台摊铺机前后错开5m,两幅之间搭接5~10cm,应保证连续性摊铺,不得中途停顿,需要停止摊铺的必须按施工缝处理,上下层纵向接缝应错开30cm以上,横向接缝错开1m以上,采用红外线非接触式平衡梁控制平整度和厚度,摊铺应缓慢、均匀和连续,禁止随意变化速度和中途停顿。经过试验段施工确定松铺系数为1.20。

采用三台钢轮压路机紧跟摊铺机后进行初压,禁止振动碾压,碾压遍数为5个来回,碾压速度小于3.5Km/小时,待表面温度下降至60℃时胶轮压路机碾压一遍,完成碾压。注意钢轮压路机应间歇洒水,保证混合料表面温度,采用菜子油水混合物涂刷胶轮防止粘轮。其它碾压要求见文献[1]。


5.5施工设备组合见表14

表14  排水性沥青路面施工设备组合

工序

设备规格型号

数量

拌和

德国teltomat3000

1

运输

20t解放牌自歇车

10

摊铺

陕西建筑机械股份有限公司titan-423

2

碾压

IngersollRand-DD110

2

IngersollRand-DD130

1

徐工集团XP261胶轮压路机

1


6.排水性沥青路面施工检测结果

排水性沥青路面共施工4Km,施工检测结果见表15

15  排水性沥青路面施工检测结果汇总表

统计指标

样本量

最大值

最小值

平均值

标准差

%

变异系数

%

压实度(%

17

107.9

96.6

103.2

3.2

3.1

空隙率(%

17

23.8

15.9

19.2

2.1

10.8

渗水系数(S

19

9

4

5.6

1.2

22.1

构造深度

20

3.5

1.8

2.6

0.5

20.5

动稳定度(次/mm

6

10220

6585

8876

1251.5

14.1

平整度(mm)

79

1.3

0.5

0.8

0.2

25.4


本次铺装排水性沥青路面,铺装的技术要求均按文献[2]的标准执行,国内参照日本排水性沥青路面铺装技术已铺筑约40Km,使用效果较好,在TPS改性剂提供了高粘度沥青的基础上,修筑排水性沥青路面具有较好的经济效益和社会效益,经测算铺筑1Km的排水性沥青路面(含SBR改性乳化沥青防水层)与1Km的SBS改性沥青密级配路面(含SBS改性沥青碎石粘结防水层)价格相当,但排水性路面较密级配路面具有更多的优势。


排水性沥青路面的缺点是空隙较大,空隙堵塞将直接影响到排水性能,后期的路面养护工作中应定期进行清扫和吸尘工作,在污染较少的高速公路或城市道路中铺筑排水性路面更为合适。


参考文献:

[1] JTG F40-2004,公路沥青路面施工技术规范.〔S〕.北京.人民交通出版社.2004年.

[2]排水性铺装技术指针(日本道路协会1996年版).〔S〕.

[3]JTJ052-2000,公路工程沥青及沥青混合料试验规程.〔S〕北京.人民交通出版社.2000年.

[4] JIS,日本工业规格.〔S〕

[5] JEAAS,日本沥青乳剂协会.〔S〕

[6] JAA,日本沥青协会.〔S〕

[7]铺装试验法便览(日本道路协会1988年版).〔S〕

[8]中西弘光,“日本排水性沥青路面的现况和展望”〔R〕,第4届昆明国际公路与机场路面技术会议(The 4thICPT in Kuming),2002年