行業知識包 | 雙層多孔瀝青路面在城市特長隧道中的應用

特長地下道路所處環境特殊，聲波在封閉空間內難以擴散，反射和混響導致噪聲較大，危害司乘人員身心健康[1]。大空隙瀝青混凝土具有排水、降噪等優點[2-4]，但空隙一旦被塵土堵塞，排水、降噪功能均會大幅度衰減[5]。為了改善單層多孔瀝青混凝土風沙堵孔及降噪效果衰減過快的問題，歐洲國家率先開發了雙層多孔瀝青混凝土結構。20世紀90年代，荷蘭首先采用了雙層多孔路面結構，隨后法國、英國等國家也相繼采用了這種路面結構[6-8]。我國從21世紀初也開展了相關研究，并在京滬高速、廣吉高速和遂寧高速等路段修筑了試驗路[7-9]。雙層多孔路面結構上層一般為小粒徑多孔瀝青混凝土，下層為較大粒徑的多孔瀝青混凝土。小粒徑多孔瀝青混凝土孔隙小，可過濾路面大顆粒雜物，避免降噪路面整體空隙率下降過快，同時小粒徑多孔瀝青混凝土均勻細密的紋理使行車噪聲進一步降低。國內外雙層多孔路面結構信息統計見表1。

由表1可以看出，雙層多孔路面結構通常由薄的多孔上面層與厚的多孔下面層組成，其中鋪設厚度較大的下面層多孔瀝青混合料可采用OGFC-20混合料。該種混合料通常用于排水路面結構層鋪裝，且屬于常見混合料類型，因此不做深入探討。上面層多孔瀝青混合料直接承受車輛荷載，碎石間主要為點接觸，易發生集料剝離、松散甚至坑槽等病害[10-11]，從而嚴重影響降噪效果，同時隧道內養護施工難度大，應盡量保證路面耐久性。基于此，筆者對表層小粒徑多孔瀝青混合料開展設計研究，增加6.7mm篩孔進行混合料級配優化，綜合考慮隧道內降噪需求及耐久性要求，將其應用于城市特長隧道工程中。

試驗方法主要依據JTG E20-2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》。為使小粒徑多孔瀝青混合料具有足夠的強度和較高的質量可控度，對級配進行了優化，使粗集料骨架間隙率最小。其中，粗集料骨架間隙率的測試方法見2.1。為評價多孔瀝青混合料抗堵塞性能，用黏土模擬路面粉塵對車轍試件進行侵蝕，測試滲水系數的變化，測試方法見2.2。

將不同配合比的粗集料裝入圓柱形試桶中，分3次裝填，每次搗實25次后用直尺刮平，平行試驗3次取均值，測得搗實狀態下粗集料的自然堆積密度和毛體積密度后，可根據公式VCA=1－ρ搗實/ρ毛體積計算得到粗集料骨架間隙率[12-14]。

為滿足道路通行需求，小粒徑多孔瀝青混合料作為路面功能層時需具有良好的強度、穩定性和抗滑性能，因此在粒徑選擇上須進行多方面考慮。根據國內外相關經驗，一般選擇粒徑為5～10mm的玄武巖或輝綠巖碎石作為粗集料，既能滿足強度要求，又能形成多孔結構。多孔降噪瀝青混合料是典型的骨架-空隙結構，對于小粒徑多孔瀝青混合料，必須形成良好的骨架才能獲得足夠穩定的強度，這就需要精細控制粗集料骨架間隙率，形成骨架嵌擠結構，從而達到吸聲降噪性能和路用性能俱佳的設計目的。我國現行粗集料粒徑(2.36～16mm)范圍內相鄰篩孔直徑差值集中在2.39～3.7mm，而細粒式瀝青混合料中作為主要骨架結構的4.75～9.5mm集料篩孔差值達到4.75mm，見表4。

由表4可以看出，4.75～9.5mm粒徑范圍過寬，集料在滿足要求的前提下，可能存在偏粗或偏細現象。集料偏粗會導致集料間接觸點位少，混合料強度不足，容易出現集料剝落病害；集料偏細可能無法形成有效數量的骨架，排水降噪能力不足。因此在4.75mm和9.5mm之間增加6.7mm篩孔，以便進一步控制粒徑分布，滿足路用性能的同時，確保有效數量的骨架形成。6.7mm篩孔將4.75～9.5mm粗集料分為4.75～6.7mm和6.7～9.5mm兩檔，由于多孔瀝青混合料需要具有足夠數量的骨架空隙及抵抗變形能力，因此須控制6.7mm通過率高于4.75mm。粗集料骨架間隙率反映了粗集料間骨架支撐的穩定程度，骨架間隙率越小，穩定度越高。改變4.75mm與6.7mm粗集料間的比例，測試粗集料的骨架間隙率，結果見表5。

4.75～9.5mm檔粗集料骨架間隙率隨著4.75mm與6.7mm篩余集料比例的降低表現出先減小后增大的趨勢，4.75mm與6.7mm篩余集料比例為1∶2時，粗集料骨架間隙率為最小值，骨架嵌擠作用最強，后續試驗以此為依據進行。

考慮路面排水需求與降噪效果，多孔瀝青混合料空隙率一般要求達到18%～25%。該項目位于隧道內，施工難度大，施工對交通影響大，綜合考慮空隙率對降噪和耐久效果的影響，將空隙率設定為15%～20%。參考JTG/T3350-03-2020《排水瀝青路面設計與施工技術規范》中PA-10級配進行級配設計，取空隙率下限級配(見表6)，以經驗油石比5.0%為中值，以±0.5%、±1%的油石比范圍確定最佳油石比，并通過調整油石比得到目標空隙率15%、18%和20%。多孔瀝青混合料的性能見表7。

由表7可以看出，表征瀝青混合料高溫性能的動穩定度隨空隙率變化較小，且均高于現行排水路面要求的5000次/mm，表明在最小骨架間隙率條件下，瀝青混合料抗高溫變形能力非常高；但隨空隙率增大，瀝青混合料的凍融劈裂殘留比、低溫彎曲應變與飛散損失均變差。

由圖2可以看出，塑性指數高的黏土對多孔瀝青混合料的堵塞能力更強，而雙層多孔路面結構在經歷黏土侵蝕后，抗堵塞性能顯著優于單層多孔路面結構，可有效延長多孔路面結構的降噪功能有效時間。北京地區2019年平均降塵量為每月5.8t/k㎡，以圖2中車轍板2000g堵塞物撒布量來計算，約為實際道路使用26年。單層多孔路面結構抗堵塞性能降低約41%～52%，而雙層多孔路面結構抗堵塞性能僅降低約9%～32%，即雙層多孔路面結構的抗堵塞能力遠高于單層多孔路面結構。

2020年12月，雙層多孔路面結構在北京特長隧道廣渠路東延隧道進行了工程應用，路面下層為6cm厚的OGFC-20，上層為2cm厚的PA-10，路面結構見圖3。

根據室內瀝青混合料設計級配結果，取小粒徑多孔瀝青混合料空隙率為18%，調整各熱料倉比例，合成2種瀝青混合料生產級配，見表8。

根據各類型瀝青混合料設計中最佳油石比5.0開展生產配合比驗證，并測定各類型瀝青混合料的路用性能，測試結果匯總于表9，雙層多孔瀝青混合料各項指標均滿足要求。

多孔瀝青混合料使用高黏度改性瀝青，對溫度要求較高。該項目上、下兩層瀝青混合料出廠溫度均為180～190℃，下層攤鋪溫度高于160℃，上層攤鋪溫度高于170℃。初壓與復壓采用13t鋼輪壓路機進行，終壓采用26t膠輪壓路機壓實并用13t膠輪壓路機收光。待下層施工24h后進行上層施工，上層施工前撒布改性乳化瀝青黏層油，撒布量為0.3kg/㎡。試驗路的鋪設見圖4。

試驗路鋪設完成后對路面性能進行檢驗，測試結果見表10。