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排水沥青路面和SMA路面性能对比研究
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排水沥青路面和SMA路面性能对比研究
2022年06月17日    阅读量:17368    新闻来源:《道路工程》2020年第6期  |  投稿

摘 要

为对排水沥青路面和SMA路面进行长期性能分析,本文结合石家庄市市政道路中对这两种路面的实际应用,阐述了两种路面的结构、材料性能及其混合料配合比。通过埋设传感器、渗水试验、摆值试验及路表构造深度试验得到路面的温度、渗水系数及抗滑性能相关数据。分析所得数据,发现两种路面结构的温度变化规律相似沥青网sinoasphalt.com。温度越高,排水沥青路面相对于SMA路面的降温效果越好,最大时可降低6~8℃;排水沥青路面的渗水性能经过三年的时间略有下降,但其整体性能仍满足技术要求;排水沥青路面的摆值和构造深度均优于SMA路面,说明其拥有更好的抗滑性能。


关键词 排水沥青路面 | SMA路面 | 温度 | 渗水性能 | 抗滑性能


研究现状


上世纪60年代中期,为减少日益严重的路面磨损现象,联邦德国铺筑了第一条SMA(StoneMasticAsphalt,沥青玛蹄脂碎石混合料)路面,随后的70年代,SMA路面在欧洲得到快速发展。1990年,美国一些道路研究机构联合派出代表团赴欧洲考察沥青路面,并于次年开始铺筑SMA试验路以推广这项技术,随后公布了本国的SMA混合料设计方法与施工方案,相较于欧洲,美国设计方法中增大了粗集料的含量及最大粒径。


1993年,交通部公路科学研究所参考欧洲和美国的工程实例后,初步制定了我国的SMA设计方法。同年,修建首都机场高速公路时,首次成功地铺筑了SMA路面。2004年,我国进一步完善了《公路沥青路面施工技术规范》,补充了《公路沥青玛蹄脂碎石路面技术指南》的相关内容。


德国于20世纪50年代首次铺筑透水沥青路面,随后对其实用性进行观测,最终在60年代形成“透水性沥青混合料施工技术指南”,并于70年代后期开始大范围推广透水路面。20世纪60年代,美国开始研究透水性路面,并将其应用于停车场。从20世纪70年代起,美国在各大城市陆续开始修筑透水性路面。2000年,美国国家沥青路面技术中心(NCAT)提出了一套透水路面配合比设计方法。在亚洲,日本在20世纪80年代初期开始推行“雨水渗透计划”。日本透水性铺装主要应用于公园、广场、停车场、运动场及城市道路。


20世纪80年代,我国开始在上海、河北等地修建透水路面试验路,但由于当时我国直接采用了欧美各国的技术,其材料技术性能不能完全满足我国环境条件的需求,导致试验路段的应用均未能取得成功。2005年,我国交通运输部公路科学研究院研发出了透水沥青路面专用高粘高弹改性剂HVA,同时研发出了生产高粘高弹改性沥青的“干拌工艺”,达到了同类产品的世界先进水平。近20年来,我国一些大中城市开始将透水性铺装应用于城市广场、停车场、人行道等工程中。如2006年,广州修建了透水路面试验路;2008年,我国在宁杭高速公路二期工程中修筑了全长约20.7km的透水沥青路面试验段;以及之后的江西永武旅游高速科技示范路、安徽宣宁高速、四川遂资高速、石家庄东三环以及石家庄和平西路等,经后续观察,这些道路均能保持较好的透水性能,具有显著的雨天抗滑和减小行车水雾的效果。


本文以工程的实际应用情况为基础,对SMA路面及排水沥青路面进行了长期性能观测,以判断其在实际应用中的性能表现,并对比研究了二者的温度性能及抗滑性能。


路面结构与材料


路面结构


本文所述的沥青路面采用了两种结构形式,其中第一种结构为排水沥青路面,上面层为4cm的PAC-13排水沥青混合料,下面层为6cm的GAC-20沥青混合料,其下为桥面;第二种结构为SMA路面,上面层为4cm的SMA-13沥青混合料,下面层为6cm的GAC-20沥青混合料,其下为桥面。具体如图1所示。

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材料


(1)原材料

1)沥青

PAC-13采用排水沥青专用高粘度改性沥青,其性能指标检测结果见表1。

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SMA-13混合料采用橡胶改性沥青,其性能指标检测结果见表2。

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GAC-20混合料采用TPE改性沥青,其性能指标检测结果见表3。

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由表3可以看出,各检测值均符合技术要求。60℃动力粘度这一指标可以反应沥青的高温稳定性及与集料的粘附性,排水沥青路面专用高粘度改性沥青的60℃动力粘度达到了335537Pa·s,说明其具有非常好的粘附能力。



2)粗集料


采用山东邹平生产的玄武岩粗集料5~10mm、10~15mm,其各项检测结果见表4。

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采用井径石料厂生产的辉绿岩粗集料5~10mm、10~15mm,其各项检测结果见表5。


延度(5cm/min,5℃),不小于cm 弹性恢复25℃,不小于%7260闪点(COC法),不小于℃293230采用井径石料厂生产的石灰岩粗集料3~5mm、5~10mm、10~15mm、15~20mm、20~25mm,其各项检测结果见表6。

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3)细集料


采用井径石料厂生产的石灰岩细集料0~3mm机制砂,其各项检测结果见表7。

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4)矿粉


采用井径石料厂生产的矿粉,其各项指标检测结果见表8。

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在该工程中,PAC-13混合料采用玄武岩作为粗集料,SMA-13采用辉绿岩作为粗集料,GAC-13采用石灰岩作为粗集料,三者的细集料均采用石灰岩。由表4~表8中数据可知,混合料中采用的各集料均符合技术要求。

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(2)沥青混合料


PAC-13、SMA-13和GAC-20的合成级配如表9所示,性能检验结果如表10所示。其油石比分别为4.6%、5.84%和4.0%。

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由表中数据可知,这三种混合料的高温稳定性、低温性能以及水稳定性均符合技术要求。作为排水沥青路面上面层的PAC-13混合料,其渗水系数达到5742mL/min,远大于其性能指标,说明这种混合料具有良好的渗水性能。


长期性能监测方案


本文针对实际工程应用进行了长达两年多的性能观测,观测内容包括温度、渗水性能及抗滑性能。温度数据通过埋设的传感器采集获得;渗水性能通过对两种路面在2017年至2019年相同位置处的渗水系数进行监测获得;抗滑性能通过摩擦系数和路表构造深度来反映。


通过在排水沥青路面和SMA路面的相同位置埋设温度传感器分别研究两种路面的降温性能。传感器埋设位置分别为内侧轮迹带位置,即监测轮胎碾压位置处的温度;和该车道中线位置,即监测轮胎未碾压位置处的温度。且每个点位埋设两支温度传感器,取平均值作为该点位的温度数据。具体埋设方案见图2。

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数据采集系统设置在道路中线位置,且各结构传感器位于同一垂线上,每种结构埋设温度传感器4个。检测系统配置两台主机,一套太阳能供电系统,共计埋设8个温度传感器。温度传感器埋设采用挖槽法,开槽后将传感器埋入并人工压实,传感器的信号线用大小相当的橡胶管套住,以放止车辆荷载作用下碎石将信号线切断。


由于传感器监测数据过多,将同类的所有数据放入一张图中,会产生曲线重合或难以分辨不同层位曲线等问题,难以进行准确分析,故截取各时间段的代表性数据进行相应的长期性能分析。


长期性能分析


温度分析


通过研究2018年3月20日至4月20日一个月的温度数据发现,各结构层的温度变化情况基本相同,故截取3月25日至27日数据进行分析,并以此代表春秋季节两种路面的温度变化规律,如图3和图4所示。

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PAC-13上面层内侧轮迹带和该车道中线位置处的温度数据有一定的差距,在正午时分,内侧温度比中线温度高1.3℃;SMA-13上面层内侧轮迹带和该车道中线位置处的温度数据基本保持一致,从图中表现为两温度曲线基本重合。这是由于排水沥青混合料为大孔隙连通结构,车轮作用在内侧轮迹带位置时,通过泵吸效应产生一定的热能,部分热能通过连通孔隙消散,未消散的热能传递至混合料中,从而导致排水沥青路面轮迹带位置的温度较高;而SMA路面虽然有较深的构造深度,但其没有连通孔隙,泵吸效应所产生的热能无法向内传递,因此SMA路面内侧轮迹带位置和该道路中线的温度无明显差异。


AC-20下面层的温度数据基本一致,并且在白天上面层温度高于下面层温度,且高出3~8℃;夜间上下面层温度基本一致,且面层温度始终高于外部温度,最多高出7℃。


SMA路面各结构层温度规律与排水沥青路面相似。以3月27日12点15分的数据为例,同一时间的两种路面,排水沥青路面的平均温度为23℃,而同一时间的SMA路面的平均温度为26.4℃,两者相差2.4℃,而此时两种路面下面层的温度差不到0.5℃;夜间时两种路面的温度相差较小,但此时下面层的温度高于上面层的温度。


为研究冬季的温度数据,截取2018年12月14日至27日数据进行分析,并以此代表冬季两种路面的温度变化规律,如图5和图6所示。

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从图5和图6中可以看出两种路面的温度变化趋势基本相同,即白天上面层温度高于小面层温度高于外部环境的温度,夜间三者温度基本相同。这是由于沥青路面可以在白天通过吸收太阳光照来增加表层温度,并通过固体间传递给下面层,变现为白天上面层温度最高其次为下面层;而夜间没有光照使得沥青路面迅速降温,变现为与外部环境温度一致。而排水沥青路面和SMA路面的温度差异很小,最大不超过1℃,因此可以认为冬季两种路面的温度大致相同。


为研究夏季的温度数据,截取2019年5月17日至7月4日的温度数据进行分析,并以此代表夏季两种路面的温度变化规律,如图7和图8所示。

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对比分析排水沥青路面和SMA路面的数据图(图7和图8),可以看出在温度较高时,两种路面的温差较大。以7月4日12点30分的数据为例,此时排水沥青路面的温度为39.6℃,而SMA路面的温度降低了4.8℃;以7月28日0点30分的数据为例,排水沥青路面与SMA路面的温度均为19℃。


通过对比说明温度越高,排水沥青路面相对于SMA路面的降温效果越好,最大时可降低6~8℃。


渗水性能分析


对排水沥青路面2017年至2019年相同位置处的渗水系数进行了监测,监测数据见表11。

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通过表11与图9中的监测数据可以看出,排水沥青路面的渗水性能经过三年的时间虽然略有下降,但其整体性能仍能够满足技术要求(≥3600mL/min)。其中,轮迹带位置处的渗水系数较小,这是由于长期车轮碾压作用导致轮迹带处的混合料较为密实,且经过三年的路面使用,也会产生孔隙堵塞等问题。


抗滑性能分析


将排水沥青路面和SMA路面的摆值进行对比,试验结果如表12。

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摆值可以反映沥青路面在湿润状态下的抗滑性能,PAC路面实测摆值远大于规范中的技术要求(≥54),说明PAC路面具有较好的抗滑性能。


路表构造深度是评价路面粗糙程度的重要指标,也是评价路面抗滑性能的又一指标。本文采用人工铺砂法进行路表构造深度试验,实验数据见表13。

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可以看出PAC路面的构造深度明显大于SMA沥青路面,新建PAC路面平均值为2.261mm,使用一年后仍有2.012mm,满足设计不小于1.5mm的技术要求,说明PAC路面的抗滑性能较好。


结论


(1)本文所观察的两种沥青路面结构,在道路通车两年后均未观察到有路面损坏,结合原材料及混合料的性能检验结果,可以说明这两种结构都具有良好的路用性能,满足使用要求。


(2)两种路面结构的温度变化规律相似。在春秋两季,两种路面白天上面层温度均高于下面层温度,且高出3℃~8℃;夜间上下面层温度基本一致,且面层温度始终高于外部温度;冬季两种路面的温度相近,且均为白天上面层温度高于小面层温度高于外部环境的温度,夜间三者温度基本相同;夏季温度较高时,两种路面的温差较大,且温度越高,排水沥青路面相对于SMA路面的降温效果越好,最大时可降低6℃~8℃。


(4)排水沥青路面的渗水性能经过三年的时间略有下降,但其整体性能仍满足技术要求(≥3600mL/min)。其中,轮迹带位置处的渗水系数最小,这是由于长期车轮碾压作用导致轮迹带处的混合料较为密实,且经过三年的路面使用,也会产生孔隙堵塞等问题。


(5)通过对两种路面的摆值和构造深度进行检测,发现PAC路面实测摆值可达70,新建PAC路面构造深度为2.261mm,使用一年后仍有2.012mm,均远大于规范中的技术要求,且明显优于SMA路面,说明PAC路面具有较好的抗滑性能。


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标签:综合论文技术中心沥青混凝土
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