随着社会经济的发展, 中国高速公路的建设进入了一个高峰期。在建设过程中, 道路工作者们积极总结成功经验, 应用先进研究成果, 使中国高速公路建设质量不断提高。然而, 在此过程中中国高速公路也出现了这样或那样的病害, 其中最典型的是沥青路面的早期损坏。沥青路面的早期损坏基本上都与水有关, 主要表现为在通车后的第一个雨季, 沥青路面出现不同程度的车辙、表面松散、坑洞等损坏^[1]。这种现象在南方多雨地区尤其明显, 并造成一定的经济损失和社会影响。因而, 进行沥青路面的渗水试验, 研究影响沥青路面渗水性能的各项因素, 制定合适的控制标准, 改善施工控制手段, 为解决水损坏问题, 保证沥青路面质量, 延长沥青路面的使用寿命具有重要的意义。为此, 本研究对2001年在建的三条高速公路沥青路面进行了渗水试验, 并在试验点或附近现场取芯, 旨在对沥青路面渗水性能的影响因素、控制标准等方面作初步的探讨。

1.   沥青路面渗水性能测试

虽然道路工作者已逐渐认识到了沥青路面水损坏的危害性, 但具体到对沥青路面渗水性能进行检测与评价, 并制定相应的沥青路面渗水控制指标的工作并没有得到足够重视。中国《公路路基路面现场测试规程》^[2] (JTJ 059-95) 中虽列入了沥青路面渗水系数的检测方法, 但渗水系数只作为反映路面沥青混合料级配组成的一个间接指标, 并没有作为沥青路面质量检验评价标准列入施工技术规范或验收规范中, 因而, 这项检测在一定程度上并没有得到执行。

1.1   测试仪器

国外发达国家高速公路网已建成多年, 但对沥青路面渗水的研究仍在进行中。美国沥青技术协会(NCAT) 比较了四种现场沥青路面渗水测试仪器^[3], 重点考察仪器测试结果的精确性、可重复性及测试方法的可操作性等方面的性能, 最终推荐的路面渗水系数计算公式为

$k=\frac{aL}{At}\ln \left(\frac{h{}_1}{h{}_2}\right)$

式中: k为渗透系数; a为水管截面积; L为试件高度, 现场测试时假设为测试层厚度; A为试件截面面积, 现场测试时假设为渗水仪内水与路面的接触面积; t为渗水时间; h₁为测试开始时水头高度; h₂为测试结束时水头高度。

中国沥青路面渗水仪在参考了日本同类仪器结构的基础上, 形成测试规程中的形式^[2], 渗水系数定义为沥青层一定面积在单位时间内渗水量。相对于NCAT的试验仪器及计算方法, 中国沥青路面渗水系数物理意义更加明确, 测试方法简单。本次研究即采用中国《公路路基路面现场测试规程》所列方法测试沥青路面渗水性能。

1.2   测试方法

考虑到沥青路面渗水往往与离析、粗集料集中、压实度不足等有关^[4-6], 本次研究在测试沥青路面渗水系数的同时也测定这些指标。为了使测试的渗水系数更好地代表沥青路面的实际性能, 本次研究采用了如下测点选择方法。

1.2.1   路段选择

(1) 考虑沥青混合料类型对沥青路面渗水性能的影响, 选择了同一结构层, 相同集料最大公称粒径, 不同级配的路段。

(2) 考虑厚度对沥青路面渗水性能的影响, 选择同一结构层, 同一级配, 不同厚度的路段, 同时研究集料最大公称粒径与厚度的匹配关系。

(3) 考虑压实度对沥青路面渗水性能的影响, 选择同一结构层, 不同路面空隙率的路段。路面空隙率采用表干法测定, 可以借用已取芯样的数据, 或在渗水系数测定后在检测点处取芯测定。

(4) 考虑构造深度对沥青路面渗水性能的影响, 选择同一结构层, 不同路面构造深度的路段。路面构造深度采用铺砂法测定。

1.2.2   测点选择

在摊铺机后面测三条线, 分别为距摊铺带两边缘0.5 m, 及两线之间的中心线, 定距离每隔10 m测一次。

也可在路段已取芯样点附近20 cm处进行渗水情况测试, 测点处的密度、空隙率、厚度等指标以芯样点代替。

2.   影响沥青路面渗水系数的因素

2.1   现场空隙率及混合料类型

2.1.1   上面层

本研究对在建的三条高速公路上面层进行了渗水试验, 并在试验点现场取芯, 对比现场空隙率与渗水系数的关系。上面层混合料类型有AK13A及SMA-13^[7]。

图  1  AK13A渗水系数与空隙率的关系

Figure  1.  Permeability coefficient vs in place air void of AK13A

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图  2  三条高速公路AK13A渗水系数与空隙率的关系

Figure  2.  Permeability coefficient vs in place air void of AK13A at three highways

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通过回归分析表明: 现场空隙率和渗水系数存在相关关系(图 1、图 2), 一般随路面现场空隙率的增加, 路面渗水系数呈增大趋势, 但每条路的相关系数不同, 且差异较大。AK13A相关关系最好的是连云港某标段, 回归系数达到0.84, 但三条高速公路AK13A测点汇总到一起时, 渗水系数与现场空隙率的相关系数只有0.35左右。相关度比较低的主要原因是在路面现场空隙率在8%以上时, 渗水系数急剧增加, 超过了模拟方程的增长速度; 同时, 在现场空隙率比较小的一些点出现了渗水系数比较大的现象, 可能是这些点所处路面内空隙虽小, 却相互连通, 导致路面渗水较大。由此也可看出, 仅仅控制路面现场空隙率不能保证沥青路面不出现水分的大量渗入聚集。

从连云港某标段的关系图(图 1) 可以看出, 当AK13A的空隙率超过6.7%时, 渗水系数迅速增加, 转折点的渗水系数为50 ml/min, 因此在以渗水系数作为控制指标时, 应考虑控制在50 ml/min以内。若仅考虑路面现场空隙率作为控制指标时, 对于AK13A而言, 应要求其不得高于7%。

表 1统计了三条高速公路上面层AK13A的渗水试验数据。在满足上面层现场空隙率要求的情况, 有43.2%的点渗水系数大于20 ml/min, 有21.6%的点渗水系数大于40 ml/min。根据现有沥青路面施工水平, 并综合回归分析和统计分析的结果, 建议沥青上面层渗水系数的控制指标宜为40 ml/min。

表  1  AK13A上面层渗水系数统计

Table  1.  Permeability coefficient statistics of AK13A

渗水系数/ml·min-1	满足条件的点数	比例/%
> 10	25	67.57
> 20	16	43.24
> 40	8	21.62
> 60	7	18.92
> 80	6	16.22
> 100	4	10.81
> 150	2	5.41
> 200	2	5.41
总数	37	100%
注: 2001年度上面层AK13A的现场空隙率要求为3%~7%, 表 1中统计时去掉了空隙率大于7%的数据。

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本次研究对SMA13面层渗水系数及压实度的测试仅选择了一个路段, 由于该路段施工质量控制较好, 测试点皆不渗水, 因而无法得到压实度对SMA路面渗水系数的影响关系式。施工中可暂参考AK13A渗水系数的控制指标。

2.1.2   中面层

本研究测试的中面层沥青混合料类型有AC20I及按Superpave方法设计的混合料Superpave20^[8]。

中面层AC20I的数据分析同样表明(图 3), 随着空隙率的增大, 渗水系数也增大, 两者间存在关系。但几条路的相关系数均较小, 如连云港某标的相关系数只有0.297。原因可能是因为所测试路段中面层压实较好, 现场空隙率基本在4%~7%以内, 范围较窄, 相对应的路面渗水系数也比较小, 数据集中, 无法找到合适的模拟方程。

图  3  AC20I渗水系数与空隙率的关系

Figure  3.  Permeability coefficient vs in place air void of AC20I

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表 2统计了几条高速公路中面层的渗水试验数据。在满足中面层现场空隙率要求的情况, 有28.7%的点渗水系数大于20 ml/min, 有23.4%的点渗水系数大于40 ml/min。从统计分析的结果来看, 建议中面层采用渗水系数作控制指标时, 控制值宜为40 ml/min。

表  2  AC20I中面层渗水系数统计

Table  2.  Permeability coefficient statistics of AC20I

渗水系数/ml·min-1	满足条件的点数	比例/%
> 20	27	28.72
> 40	22	23.40
> 60	18	19.15
> 80	12	12.77
> 100	9	9.57
> 200	4	4.26
总数	94	100%

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徐州某标Superpave20的渗水系数与现场压实度之间的关系如图 4所示。可以看出, 当Super-pave20的现场空隙率大于6%时, 渗水系数增加较快, 因此对Superpave20的压实度要求应适当提高, 现场的空隙率宜控制在3%~6%。

图  4  Superpave20渗水系数与空隙率的关系

Figure  4.  Permeability coefficient vs in place air void of Superpave20

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2.1.3   下面层

对徐州某标Superpave25下面层进行了渗水试验(图 5)。该段Superpave路面压实度较好, 空隙率小于6%时基本不渗水。路面渗水系数与现场空隙率间的相关系数为0.789。

图  5  Superpave25渗水系数与空隙率的关系

Figure  5.  Permeability coefficient vs in place air void of Superpave25

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从以上分析可以看出, 沥青路面渗水性能与路面现场空隙率有一定的相关关系。现场空隙率越大, 路面渗水性也越大。但对于不同的沥青混合料类型, 出现较大渗水系数的现场空隙率也不相同。按传统设计方法设计的AK13A及AC20I级配, 路面现场空隙率小于7%时, 路面基本不渗水; 对于按Superpave方法设计的走禁区下边的Superpave20及Superpave25级配, 路面现场空隙率大于6%时, 路面渗水系数急剧增加。

本研究在测试路面渗水系数过程中发现一个有趣的现象, 对于某测试点, 若基本不渗水, 则其渗水系数一般小于40 ml/min, 若出现渗水现象, 则其渗水系数一般在100 ml/min以上, 处于40~100 ml/min之间的数据比较少。同时, 根据以上的三条路渗水系数的统计情况, 建议AK13A、AC20I渗水系数的控制指标宜为40 ml/min。由于SMA13、Superpave20及Superpave25数据较少, 暂考虑采用同样的标准。

2.2   构造深度

为考察沥青路面表面离析对渗水性能的影响, 本研究在测定路面的渗水系数的同时测试了测点附近路面的构造深度。研究中以路面表面构造深度的变异性代表该处的离析状况, 由于该方法是否合理可行还在探讨中, 本文仅就路面渗水系数与构造深度的关系进行讨论。实测中测点选取同一断面离中央分隔带0.8 m、3.0 m、5.5 m处。图 6、图 7为徐州某标中面层的测试结果。

图  6  AC20I渗水系数与构造深度的关系

Figure  6.  Permeability coefficient vs surface structure of AC20I

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图  7  Superpave20渗水系数与构造深度的关系

Figure  7.  Permeability coefficient vs surface structure of Superpave20

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分析表明, AC20I的构造深度比较小, 平均值为0.51 mm, 且变异性不大。图 6中渗水系数与构造深度间的关系不明显, 相关系数较小。然而, 图中明显显示出从路面中心至中分带, 路面渗水系数呈迅速增加趋势。中央分隔带附近渗水情况严重, 应予以特别关注。因为中分带部分渗入的水分要流经整个横断面才能排出, 若路面中部压实较密, 则水分就会滞留在路面内, 在行车作用下, 可能会导致路面水损害, 因而施工中应特别加强对靠近中分带处路面的压实控制。

Superpave20比AC20I的构造深度大, 平均值为0.69 mm。如图 7所示, 渗水系数与构造深度关系明显, 随着构造深度的增加, 渗水系数也在增大; 随着从路面中心向中分带靠近, 路面渗水系数也呈增加趋势, 中央分隔带附近渗水明显。

2.3   层厚

对2001年三条在建高速公路的测试表明, 总体上渗水系数随层厚的增加而减小, 说明增加厚层路面更容易压实, 渗水更少。但由于路面厚度变异性较小, 数据比较集中, 渗水系数与层厚间的相关系数并不高。

3.   渗水系数的分布

对徐州某标的AC20I、Superpave20分别绘制渗水系数分布的等高线图, 见图 8、图 9 (S₁、S₂、S₃分别为距中央分隔带0.8 m、3.0 m、5.5 m处), 由图可知:

图  8  徐州某标AC20I渗水系数分布

Figure  8.  Scatter of permeability coefficient of AC20I for a project in Xuzhou

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图  9  徐州某标Superpave20渗水系数分布

Figure  9.  Scatter of permeability coefficient of Superpave20 for a project in Xuzhou

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(1) 该标段AC20I渗水系数横向分布不均, 超车道渗水情况严重, 靠近中央分隔带附近的渗水难以排出, 通车后由于车辆的进一步压实作用, 渗入水可能会聚集于轮迹带处, 易引发路面水损害。

(2) 该标段Superpave20的渗水系数分布均匀, 大多在40 ml/min以下, 靠近中分带处有3个点超过40 ml/min, 占总点数的6.7%。

4.   结语

(1) 现场空隙率和渗水系数存在相关关系, 但每条路的相关系数差异较大。综合回归分析和统计分析的结果, 建议AK13A、AC20I渗水系数的控制指标宜为40 ml/min。

(2) 连云港某标段数据表明当AK13A的空隙率超过6.7%时, 渗水系数迅速增加。徐州某标段的Superpave20测试结果表明, 当空隙率达于6%时, 渗水系数会迅速增加。说明不同的混合料应有不同的压实度要求, 建议AK13A的现场空隙率控制在3%~7%, Superpave20的现场空隙率控制在3%~6%。

(3) AC20I的构造深度小, 渗水系数与构造深度关系不明显; Superpave20的构造深度大, 渗水系数与构造深度关系明显, 随着构造深度的增加, 渗水系数也在增大。

(4) 总体上渗水系数随层厚的增加而减小, 说明增加厚层路面更容易压实, 渗水更少, 但渗水系数与层厚间的相关系数不高。

(5) 对徐州某标进行的渗水试验表明, 该标段渗水系数横向分布不均, 超车道渗水情况严重, 靠近中央分隔带附近的渗水系数过大, 此处渗水需流经全幅路面方能排出路面之外, 极可能会导致路面水损害, 因此应加强靠近中央分隔带部分路面的压实。

(6) 建议施工中能将渗水试验作为质量检测指标, 对各种路面结构渗水系数的控制指标, 可在进一步试验的基础上确定。