PAC,排水瀝青路面在沈海高速公路泉廈段養護工程中的應用

■黃漢東

（福建泉廈高速公路管理有限公司，廈門 361021）

泉州市地處福建東南沿海，雨量充沛，雨季長，瞬時降雨強度大，年平均降雨量達1400 mm，特別是每年的5—8 月份降雨量居多，雨水天氣在密級配瀝青路面表面易形成水膜。

泉廈高速公路于2010 年擴建成雙向八車道路面，原路面表面層結構為SMA-13 型，擴建后局部路面寬度增大，地表水徑流出行車道范圍的距離也就增加，在強降雨期間容易產生道路表面瞬間滯水，車輛高速通過這些路段時，路面表層將會產生一層水膜，對道路交通安全主要會產生2 方面影響：一是減少了行車輪胎與原路面的磨阻力，容易發生車輛失控而造成事故問題；
二是路表面水膜在行車輪胎胎紋作用下而形成水霧，影響雨水天氣行車視認效果。

為此，針對多車道高速公路超高緩和段，路表水徑流距離長、匯水面積大的特殊路段，暴雨天氣路面排水不及時的情況，在養護工程中采用排水瀝青路面罩面技術，以提高雨天路面的排水性能和道路的行車安全水平。

排水瀝青路面（Porous asphalt pavement）是空隙率高達18%以上的瀝青混合料路面，該路面的空隙率遠大于AC 類或SMA 類瀝青路面3%～6%的空隙率，功能優勢主要表現為：一是路表水通過其多空隙率結構層實現快速滲入路面內部并向坡度較低一側排出路外；

二是行車輪胎胎紋內的水膜，在輪胎壓力作用下瞬間擠入多空隙結構層，大幅減少輪胎吸附后產生的行車水霧；
三是多空隙能夠有效吸收并釋放行車輪胎產生的噪音，從而有效降低行車噪音，提高行車舒適度[1]。

沈海高速公路泉州至廈門段（以下簡稱“泉廈高速公路”）于2010 年擴建為雙向八車道，路面全寬42 m，自擴建以來交通量與日俱增，2018—2020 年平均日交通量達到5.61 萬輛。擴建后的成洲特大橋起始段落（BK2241+819～BK2241+210）形成了多車道、緩縱坡與超漸變段重疊段、設超高的左轉彎道路段， 雨水通過路面徑流方式無法及時排出路外，在路表積聚形成水膜， 對道路行車安全造成影響，形成交通事故隱患點。在路面養護工程中采用4 cm的PAC-13 排水瀝青路面進行加鋪罩面，利用表面層內的較大空隙率排水，提高了路面的排水和抗滑性能，降低了行車輪胎噪聲，消除了雨天行車安全隱患。

在實施過程中通過材料的選擇、配合比的設計和施工前后場的質量管控等措施，克服了骨架—空隙結構抗永久變形能力低、易剝落、對水敏感等缺陷問題， 有效提高排水瀝青路面的路用性能，延長路面服務壽命。

PAC 瀝青混合料的特點是以粗骨料為主形成瀝青混合料嵌擠骨架結構，含有少量細集料、具有較大空隙，與通常AC 類混合料級配相比，其粗集料占比增加了大約46%，形成骨架—空隙結構，從而達到快速排水、行車安全（抗滑）、減小噪音污染等路用性能。

簡單采用提高瀝青含量的方式來提高PAC 路面抗永久變形能力、抗剝落、對水敏感性、耐候性及抗疲勞等性能，容易導致施工中出現混合料“析漏”現象，經試驗數據對比證實，解決該問題的關鍵是提升瀝青膠結料及混合料的性能。

沈海高速泉廈段地處亞熱帶氣候區域，夏季高溫多雨，特別是橋梁彎道處，受力狀況嚴苛、復雜，這對PAC 瀝青混合料的綜合性能提出了更高要求。為了實現預期效果，避免早期病害發生，就骨料、細集料的選擇，級配、黏結料技術指標的確定做了試驗與驗證。

結合路段設計交通量和氣候條件進行瀝青膠結料與礦料選擇，分析混合料的體積性質是否滿足當前路面使用的性能。

關于膠結料性能的提升，高粘度改性瀝青的評價指標尤為重要，需特別考慮抗變形能力、抗疲勞及高粘度性能等。

對比分析采用普通符合排水性路面規范用高粘度改性瀝青及高性能改進型高粘度改性瀝青的2 種混合料方案，提出最終的實施方案。

2.1 材料

2.1.1 粗、細集料

PAC 瀝青混合料優選的碎石集料與瀝青粘附性等級高，軟石含量少，并具有高耐磨耗性、高耐破碎性。結合PAC-13 混合料的最大公稱粒徑（13.2 mm）對應的關鍵性篩孔尺寸為2.36 mm 的情況，為進一步提高粗集料骨架的相互嵌擠，增強混合料的高溫穩定性，對關鍵性篩孔以上的粗集料碎石提出了更高的針片狀含量控制指標；
本項目PAC-13 混合料集料選用漳平浩元碎石場生產的優質玄武巖，其粗、細集料試驗檢測指標見表1、2。

表1 粗集料試驗檢測結果

2.1.2 填料

排水瀝青混合料采用石灰巖和巖漿巖中的強基性巖石等憎水性石料磨細的礦粉作為填料，填料應保持干燥無風化、 潔凈無雜質。

該工程PAC-13選用的礦粉試驗檢測指標見表3。

表2 細集料試驗檢測結果

表3 填料試驗檢測結果

2.1.3 瀝青黏結料

普通型瀝青黏結料是指滿足現行排水瀝青路面規范的高粘度改性瀝青，高性能改性瀝青膠結料則指一種工廠化生產的成品改性瀝青，采用大比例的高聚物經復合改性而來。

為了更有效的評價瀝青黏結料的路用性能，項目根據氣候條件、路面載荷、運行速度等數據收集，采用SHAP 膠結料性能指標進行基準計算，以基礎數據為依據，采用MSCR 的測試方法，對黏結料路用疲勞性能進行評估。

研究中增加88℃車轍因子G*/sinδ 以評價高溫抗變形能力；
增加高64℃多級蠕變恢復實驗MSCR 測試不可恢復蠕變柔量Jnr 及蠕變彈性恢復Rec 以評價瀝青材料延遲彈性狀態下的高溫抗變形及恢復能力；
增加PAV 壓力老化模擬瀝青攤鋪到路面的長期老化并測試老化后的改性瀝青25℃疲勞因子，以評價材料的疲勞性能；
在高粘度技術指標60℃動力粘度的基礎上，增加60℃復數模量G*保障膠結料在石料表面有較大的油膜厚度從而提高路抗疲勞性能。

在現行標準的基礎上同時采用了與項目所在地氣候特征有關的基于性能的抗車轍與抗疲勞指標，2 種瀝青膠結料的技術性能見表4。

表4 瀝青膠結料技術性能指標

2.2 排水瀝青混合料級配設計

2.2.1 目標空隙率的選擇

研究表明[2]，瀝青混合料空隙率大于15%時，混合料內部方可形成連通的空隙網絡，路面雨水可以在混合料的內部無礙流動，因此透水瀝青混合料的空隙率要大于15%，多數情況下在18%～25%范圍內選取，而空隙率過大則對“骨架—空隙”結構的穩定性十分不利。

該工程處于多雨的南方地區，為了能夠兼顧排水功能和結構穩定， 因此該工程PAC-13 選取20%的空隙率為目標空隙率。

2.2.2 級配選取

通過對各檔礦料進行篩分試驗得出各檔礦料的級配數據，經過計算合成目標礦料級配，摻配比例為10～15 mm∶5～10 mm∶3～5 mm∶0～3 mm∶礦粉=50∶31∶5∶11∶3，篩分試驗結果見表5，合成級配見表6、圖1。

圖1 PAC-13 目標級配曲線圖

表5 PAC-13 礦料篩分試驗結果

表6 PAC-13 目標級配通過率

2.2.3 瀝青用量的確定

先通過膜厚法預估（瀝青膜厚度選取為14 μm）排水瀝青混合料PAC-13 的瀝青用量，再以預估的瀝青用量基于馬歇爾試驗、謝倫堡析漏試驗和肯塔堡飛散試驗，確定最佳瀝青用量為5.4%。

2.2.4 混合料性能

為形成有效對比，排除干擾因素，2 種對比方案采用了上述選定的礦料級配，在相同瀝青用量下，2 種混合料壓實試件的空隙率略有差異。

為排除差異，改進型混合料的瀝青用量在普通型的基礎上略有調整，最終2 種方案下壓實瀝青混合料的空隙率處于基本相同的水平。

在此基礎上進行瀝青混合料的綜合性能對比，結果見表7。

表7 PAC 混合料路用性能檢測結果

由實驗數據可以看到：（1）黏結料的高溫復數剪切模量G*較普通型提高了約2.7 倍，中等溫度的疲勞因子降低了34%；
（2）軟化點高達98℃，較普通型提高了12℃；
（3）更高的韌性與延度，瀝青膜在中低溫下具有較好的柔韌性與延展性；
（4）更高的粘度，減小了析漏，瀝青膜的涂敷更為均勻。

分析可知， 在級配不變且空隙率維持在相同水平的情況下，采取改進措施后PAC 混合料的綜合性能均有不同程度的提高， 高性能改性瀝青在多方面實現了PAC 混合料性能的提升，主要體現在：（1）88℃車轍因子G*/sinδ、60℃復數模量、64℃MSCR 較普通型高出較多， 材料的高溫抗變形能力及恢復能力提高，進一步確保了瀝青的高溫粘度，保障膠結料在石料表面有較大的油膜厚度；
（2）PAV 老化后的25℃疲勞因子確保材料疲勞性能；
（3）170℃粘度較普通型更高，在滿足混合料流動性的前提下，保障施工時瀝青在油石比較高的情況下不發生析漏，保障瀝青膜的均勻性。

因此，采用高性能改性瀝青這種均質化工廠改性的方案，使瀝青膠結料的性能顯著提高，并且高聚物彈性體復合改性賦予了瀝青膠結料更高的彈性比例，混合料的高低溫及疲勞性能改善尤為突出，因而本項目PAC 混合料最終采用改進Ⅰ型混合料。

排水瀝青混合料仍然屬于熱拌瀝青混合料，其施工工藝與普通的熱拌瀝青混合料相似， 由于材料、級配等不同，排水瀝青混合料有著自身獨特的施工特點，作為高速公路養護用的排水瀝青混合料又具有其特殊性，本文結合該工程就排水瀝青混合料PAC-13 在高速養護中的施工進行探討。

3.1 溫度要求

排水瀝青混合料拌和設備采用間隙式瀝青混合料拌和機， 溫度對排水瀝青混合料至關重要，應嚴格加以控制，其施工溫度見表8。

表8 排水瀝青混合料PAC-13 施工溫度范圍要求

3.2 橋面鋼筋混凝土鋪裝層防水要求

由于該工程中排水瀝青混合料PAC-13 屬于排水功能層，雨水從路表進入結構層間連通的空隙由綜合排水坡度方向自由流出路面層，為防止雨水順著該層向下進入中面層及以下層次，對以下層次及路基造成損壞，同時，為增強排水瀝青結構層與橋梁水泥混凝土鋪裝層間的黏結效果，本項目在攤鋪排水瀝青層前，采用熱瀝青碎石封層技術做好黏結防水封層。

3.3 排水瀝青混合料拌合、運輸、攤鋪、碾壓要求

（1）混合料拌和采用間歇式拌和機，由于PAC-13 混合料所采用的高性能改性瀝青黏度較高，為保證拌和均勻、所有礦料顆粒應全部裹覆瀝青結合料為度，無花白料、無結團成塊或嚴重的粗細集團分離現象，通過拌和樓測算確定每盤排水瀝青混合料的生產周期不少于60 s，其中干拌時間不應少于10 s。

（2）由于排水瀝青混合料的空隙較大，相應混合料的溫度也較密實型瀝青混合料損失較快，因此，應加強混合料在運輸過程的保溫措施，攤鋪機必須緩慢、均勻、連續不間斷攤鋪，鋼輪壓路機及時抵近攤鋪機做好初壓工作，復壓緊接著初壓進行，宜靜壓2～4 遍；

待混合料表面溫度降低至80℃～100℃時采用膠輪壓路機終壓1～2 遍，但要注意防止發生溫度過高產生推擠等形變。

3.4 交通控制要求

排水瀝青路面施工結束后，待到表面溫度自然冷卻至50℃以內方可開放交通。

4.1 壓實度及空隙率檢測情況

PAC-13 排水瀝青路面攤鋪完成后，隨即開展路面的壓實度及空隙率檢測，各項數據表明本次PAC-13 排水瀝青路面的性能指標均能滿足規范及預期效果，達到較好的施工質量控制效果，路面壓實度、現場空隙率檢測平均值結果見表9。

表9 路面壓實度、現場空隙率檢測結果

4.2 路用性能跟蹤檢測情況

本項目攤鋪完成后分別于2020 年7 月、2021年7 月、2022 年7 月對路面的構造深度、滲水系數、平整度、車轍及抗滑性能、行車噪音等路用性能指標進行跟蹤檢測，做好PAC-13 路面使用性能評價。

4.2.1 路面構造深度

構造深度跟蹤檢測結果（表10），表明：PAC-13排水瀝青路面鋪筑投入運營使用2 年以來，路面構造深度仍保持在1.49 mm 且衰減較小，為行車提供較好的安全保障。

表10 構造深度跟蹤檢測情況（單位：mm）

4.2.2 滲水系數

滲水系數跟蹤檢測結果（表11），表明：PAC-13路面投入使用2 年來，路面滲水系數仍保持在設計規范值以上，這得益于使用過程中受到行車快速通過時輪胎胎紋吸附作用產生沖刷力來達到PAC 路面層間的自清潔功能，一定程度上減少或抑制了排水瀝青路面層間空隙的阻塞，使得PAC 路面排水功能長時間內得到有效維持。

表11 滲水系數跟蹤檢測情況（單位：mL/min）

4.2.3 路面行駛質量指數、車轍深度指數、抗滑性能指數

表12 的檢測結果表明：
鋪筑完成后排水瀝青路面的路面行駛質量指數、車轍深度指數、抗滑性能指數均能達到優，使用2 年以后各項指標仍保持在優以上， 得益于PAC-13 混合料配合設計合理，路面整體性能指數較為穩定，從側面也反映出PAC排水瀝青路面路用性能指標使用一段時間仍保持在較好水平上。

表12 百米路面行駛質量指數、車轍深度指數、抗滑性能指數跟蹤檢測情況

4.2.4 噪音效果

本項目檢測采用同一部車輛在同等行駛速度下，使用同一臺噪音檢測儀檢測，沿線對其他路面結構的行車胎噪進行比對，具體如下：密實AC 類瀝青路面行車胎噪平均為66 dB、SMA 型行車胎噪平均為61 dB、PAC 型路面行車胎噪平均為57 dB，由此可見，PAC 瀝青路面行車產生的胎噪明顯小于其他路段；
使用1 年的PAC 路面行車行車胎噪平均值為59 dB，使用2 年的PAC 路面行車胎噪平均值為60 dB，整體使用情況仍處于較好的水平。

4.2.5 路面運營安全情況

該區域2018 年7 月—2020 年6 月，平均日交通量5.61 萬輛，年平均降雨天數101 d，雨天事故量為23 起。排水瀝青路面加鋪后，2020 年7 月—2022 年7月，平均日交通量5.58 萬輛，降雨天數99 d，雨天僅發生事故1 起。

調查發現，該起事故的主要原因是貨車駕駛員疲勞駕駛。

由加鋪排水瀝青路面前后事故發生情況分析，該段道路行車安全得到有效保障。

通過以上路用性能比較可以看出，相比于普通瀝青混凝土路面，PAC-13 路面排水效果良好，通車至今未再出現路面積水狀況，有效消除了路面積水導致的交通事故隱患，保障了行車安全，該工程普通瀝青路面與排水瀝青路面雨天實拍行車對比圖見圖2。

圖2 雨天實拍行車對比圖（左側為普通瀝青路面，右側為排水瀝青路面）

本文依托沈海高速公路泉廈段路面提升工程BK2241+819～BK2241+210（成州特大橋），針對超高緩和段內路面綜合坡度較小且路面橫斷面較長，雨天路表面易形成水膜，甚至部分形成積水，影響行車安全的路面問題，開展了排水瀝青路面技術研究，內容包括原材料試驗、排水瀝青混合料組成設計、排水瀝青路面施工、路用性能檢驗等。跟蹤檢測與實踐結果表明， 該工程排水瀝青路面具有良好的路表服務特性，設計方案與施工工藝合理，質量可靠，性能優良，解決了路面積水問題，確保道路安全暢通。