透水性沥青路面（精选7篇）
透水性沥青路面 篇1
透水性沥青路面 (Porous Asphalt Pavement) 所采用的透水性沥青混合料具有孔隙率大和骨料含量较多的特点。因此, 透水性沥青路面具有良好的透水性能, 可有效减少路表积水, 避免因积水而引起的水雾、水溅、水漂及夜间眩光现象, 提高了行车的安全性。由于透水性沥青路面具有一系列的优点, 所以近年来在国内得到大量的应用。要进行透水性沥青路面结构的功能设计, 首先必须了解透水性沥青路面结构层的雨水渗透与排出情况, 以确定对应的透水性沥青路面面层的孔隙率、厚度及排水方式的设计, 并确定出相应的透水性沥青路面的透水能力。
1 透水性沥青路面的产流机制和方式
1.1 透水性沥青路面的产流机制
雨水从路表垂直向下渗入透水性沥青路面由两个阶段组成。第一阶段为外界控制阶段, 若外界给水速率不超过透水性沥青路面的下渗能力, 则入渗速率等于来水速率。第二阶段为透水性沥青路面控制阶段, 随着透水性路面饱和程度的增加, 透水路面传导水的能力减弱, 当小于外界给水速率时, 开始有一部分雨水通过路表综合坡度排出路面, 形成地表径流。此时入渗速率等于透水性沥青路面的下渗能力, 下渗能力一直减小直至等于透水性沥青路面的饱和水力传导度 (渗透能力) 。
1.2 透水性沥青路面的产流方式
图1为在某一稳定的降雨强度下一次降雨过程中透水性沥青路面的入渗情况。在图中, R为某一稳定的降雨强度, d—e为水力传导度曲线, 随着降雨历时的延长而传导水的能力逐渐变小最终趋于饱和水力传导度Ks。a—b—c为透水性沥青路面的入渗曲线, 开始时由于透水性沥青路面传导能力大于降雨强度R, 降雨全部入渗到透水性沥青路面内部, t1时刻后透水性沥青路面传导能力小于降雨强度, 但是由于透水性沥青路面不可能绝对平整, 存在低洼甚至有坑洞的地方, 而且在形成地表径流之前路面会允许一定的厚度的水膜存在, 因此地表径流不会在水力传导度一开始低于降雨强度的情况下就出现, 而是会有一个滞后的过程, 这个过程就是填充路面坑洼不平处和形成临界水膜的过程。当进入透水性路面入渗能力控制阶段t2时刻以后, 地表径流开始形成, 透水性沥青路面渗透能力逐渐减弱趋近于Ks。
2 渗透计算模型研究
2.1 边界条件分析
为简化计算, 考虑大气降雨的入渗时间和空间分布都是比较均匀的情况, 从而把潜水的运动当作稳定运动来研究。为此, 对透水性沥青路面边界条件作如下假设:透水性沥青路面为均质体, 底部路床为弱透水层且同坡, 综合坡度为
2.2 渗透计算模型
以透水性沥青路面右边缘路床层底的水平线为x轴, 并假设x轴是相对标高为零的基准面。在透水性沥青路面端点x处, 将透水性沥青路面连同路床一起切出宽度为dx的一个微分段, 在这个微分段上, 雨水通过透水性沥青路面渗透到其下部路床中, 设透水性沥青路面上部的水头为ϕ1, 透水性沥青路面下部的水头为ϕ2, 则雨水从这段透水性沥青路面的顶面通过透水性沥青路面渗透到其底面的水头损失为Δϕ=ϕ1-ϕ2, 若该段透水性沥青路面的厚度为H, 那么在这一段透水性沥青路面内, 渗透的水力坡降为J= (ϕ1-ϕ2) /H。因此通过这段透水性沥青路面渗透到路床的渗透量为:
2.3 渗透量计算
透水性沥青路面的蓄水量主要取决于路面结构层孔隙率的大小、路面结构的厚度、降雨历时及透水性沥青路面下部路床的渗透能力的大小, 透水性沥青路面的蓄水量可用下式计算:
其中, Q0为透水性沥青路面的蓄水量, cm3/m2;i为降雨强度, mm/h;K0为路床平均渗透系数, cm/h;t为降雨的持续时间, min。
3 渗透系数分析
3.1 入渗强度
瞬时水力传导度是一个变化的值, 它随透水性沥青路面的初始状态和降雨的持续而改变, 而饱和水力传导度Ks是一个相对稳定的值, 它与透水性沥青路面各结构层的材料性质与组成形式有关。因此采用Ks作为设计指标, 则入渗强度可以确定为:当降雨强度i大于饱和水力传导度Ks时, 入渗强度就是Ks;当降雨强度i<Ks时, 入渗强度就是降雨强度i。降雨强度按JTJ 018-97公路排水设计规范确定。
3.2 渗透系数
渗透系数K (也称水力传导系数) , 是透水性沥青混合料渗透能力的重要参数。渗透系数不仅取决于材料的性质 (如粒度、成分、颗粒排列、填充情况等) , 而且与渗透液体的物理性质 (如容重、粘滞性等) 有关。
用静压的方法将要试验的混合料采用标准的马歇尔试件成型, 将成型的试件周向密封处理后放入渗水仪的套筒内, 调节出口处软管的高度, 可通过测压管读出进水口和出水口的水位差Δh, 待出水口的出水稳定后记录3 min内透过试件的水量Q, 便可求出透水性沥青混合料的饱和渗透系数K, 其计算公式为:
K=Q/tKI (3)
其中, Q为t时间内透过横断面为A的试件流量, cm3, A为试件的横截面面积, cm2;I为水力坡降, I=h/L, h为水头损失, cm, L为试件的有效长度, cm。
4 目标空隙率的确定
由于透水性沥青路面应用场所和要实现功能的不同, 透水性沥青路面结构形式和透水性沥青路面各结构层的目标空隙率会有较大差别。透水性沥青混合料所需透水能力是保证控制由于降暴雨形成地表径流的渗透系数, 以此为目标确定透水性沥青混合料的目标空隙率。
对长度为L, 单向车道宽度为B的透水性沥青路面而言, 实际渗透量为:
Q实=6×10-5K实J·F·t (4)
其中, Q实为透水性沥青路面实际渗透量, m3;K实为试件实际渗透系数, cm/s;J为透水性沥青路面的合成坡度;F为透水性沥青路面面积, F=L×B;t为降雨历时, min。
其中, K实=0.032 6V有效-0.273 1 (5)
为了控制透水性沥青路面地表径流的产生, 要求满足下式:
Q实≥60Q径t (6)
将式 (4) 和式 (5) 代入式 (6) 可得透水性沥青混合料控制地表径流产生的目标孔隙率表达式为:
其中, V有效为透水性沥青混合料有效孔隙率;Q径为地表径流量, m3/s;其他参数同上。
5 结语
由于透水性沥青路面的透水是一个复杂的动态过程, 是透水性沥青路面结构及土基的渗透能力相互作用的最终表现。本文首先在分析透水性沥青路面的透水机理过程的基础上, 研究透水性沥青路面渗透的计算模型, 通过计算模型计算透水性沥青路面的渗透量, 通过对透水性沥青混合料渗透试验分析, 最终确定透水性沥青路面地表径流量与目标空隙率的关系, 为透水性沥青路面的推广应用提供了理论依据。
参考文献
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透水性沥青路面性能分析 篇2
1 透水性沥青路面优点
1)透水性沥青可以防湿滑。
透水性沥青可以迅速排泄雨水并预防湿滑,故其可确保行车安全。可有效降低湿路面的喷溅和路面反光的晕眩。雨天时,透水性沥青道路表面干爽,能提供比传统湿滑路面较高且均匀的路面摩擦力,因而雨天行车汽车不会打滑。透水沥青铺面可有效改善道路行驶的安全性和舒适性。因路面不积水、不溅水,可保证轮胎与路面之间有良好的附着力,大大改善了路面的抗滑性能;同时车辆后方不会溅起水雾,改善了行车条件,从而可大大降低道路交通事故发生率,具有良好的社会效益。迅速将路表雨水排除,确保雨天行车时车轮与路面的接触,提高行车安全。
2)透水性沥青可降低噪音。
由于轮胎和车首间的气体被下压至表面孔隙,故滚动阻力及噪音有效降低,同时可以节省耗油量及轮胎的磨损。透水沥青铺面可有效吸收车辆行驶所产生的噪声,在公路隧道中可吸收掉75%的噪音[1]。车辆在行驶过程中产生的噪音声波,一方面可以在透水沥青路面内,将声能转化成热能的形式而削弱;另一方面通过透水沥青路面表面宏观构造产生漫反射等综合效应,使得行车噪音显著降低。
3)透水性沥青可降低路面成本。
透水性沥青较传统非透水沥青混凝土更坚实。在相同厚度的条件下,传统非透水性沥青每平方米需要80 kg的沥青混凝土,而透水性沥青每平方米则须要65~70 kg。
透水沥青铺面可大幅度降低排水系统的建设成本。透水沥青铺面可减少地面70%~80%的径流量,设置简单的盲沟排水即可满足要求,平均可降低排水系统建设成本的70%。同时,由于地面径流量的减少, 还可有效降低暴雨泛滥成灾的危险。
2 透水性沥青路面路用性能研究
关于透水性沥青路面的路用技术特性,国内外研究人员通过对高速公路和国道的试验路段进行现场测试,对路表特性进行电脑分析,以及对试验路段的声学特性进行分析等,分析了透水性路面的路用技术特性,具体包括以下5个方面。
2.1 降噪性能
通过研究,我们发现其降噪性能与孔隙率、集料粒径及路面厚度有关。
1)改变沥青混凝土的孔隙率来达到降低噪音。
使用该路面后交通噪声的降低程度相当于将交通车辆减少一半。对具有不同孔隙率的沥青混合料试样在试验室内进行驻波法测量,测得的结果如表1所示[2]。试验结果表明,孔隙率在16%~24%,对频率在250~1 000 Hz的中频声(交通噪音的主要频率范围)具有最大的吸声系数。但经过实践发现该路面还存在一些不足,如这种路面的混合料易被粉尘污染,使孔隙堵塞,减噪效果会逐渐丧失;由于路面孔隙率大、密实度低,其寿命相对缩短等问题未能较好解决,因此,现处于这种路面结构的研究阶段。
2)改变沥青混合料集料的粒径达到降低噪声的目的。
多孔性沥青路面降低噪音的性能与其孔隙率有关,也与空隙构造有关。空隙的孔径小,吸收噪声的性能好。日本研究结果表明,铺筑厚度同样为50 mm,而最大粒径分别为13 mm和20 mm的路面,它们在不同车速下降噪的性能是不同的,最大粒径为13 mm的降噪效果好一些。研究表明,混合料的孔隙率在很大程度上与2.36 mm的通过率有关,见表2。
将表2的数据绘制在图1上,可以清楚的看出,孔隙率随2.36 mm的通过量增加而减小。国外多孔性沥青路面的孔隙率控制在20%左右,2.36 mm的通过率控制范围在10%~18%。
3)采用合理的路面厚度来降低噪音[4]。理论分析表明,刚性背衬吸声材料的垂直入射吸声系数随着厚度的增加而增加,而当厚度增加到4 cm左右时,材料的声学特性已趋稳定,孔隙率的作用成为主导。
随着试件厚度的增加,吸声系数峰值所对应的频率逐渐向低频方向移动。表3 是不同厚度试样在同一孔隙率下的吸声系数的峰值(αp)所对应的频率。
从降低噪音和行车安全出发,欧洲通常采用的面层厚度为4~5 cm。比利时专家对低噪音沥青路面的降噪效果得出经验公式为
式中:dL为噪声降低值,dB;H为层厚,mm;Vc为孔隙率,%。
按该公式计算,当低噪音沥青路面层厚度为40 mm、孔隙率为20%时,其降噪量可达4 dB,与国内报道的实验数据相吻合。1996年我国先后在杭州—金华段高速公路和320 国道上铺设透水性沥青试验路面,使用及测试结果证明该种路面在降低噪声及改善行车环境方面具有明显的优势[3]。
2.2 降温性能
透水性沥青路面在热辐射作用下,吸收的能量使内部水分变为水汽,并逸出路面结构表面的方式有两种:一种是路面表面的直接蒸发;另一种是在路面结构内部水分的蒸发,再通过路面结构中的孔隙扩散逸出路面表面。水分蒸发吸收大量的热量,使得地表温度和空气温度均得到降低,路表温度的减小会明显降低路表对外界长波辐射的作用,这是透水性沥青路面改善城市夏季热环境的重要途径。透水性沥青路面能够降低路表温度,其降低路表温度能力除取决于透水性沥青路面孔隙率的大小外,与路面含水量及路面结构厚度有直接关系。透水性沥青路面的孔隙率在20%~25%较为适宜。对于相同孔隙率的试件随着试件高度的增加,透水性混凝土试件的表面温度大幅度的下降。这是由于与试件的含水量有关,高度增加,试件内的含水量越多,当照射时间延长时,可供蒸发的水量越多,降温效果明显;试件受到照射强度相同,表层风速相同,根据蒸发强度可以得到,照射开始1 h后6 cm与9 cm试件的孔隙含水量已经减少为11%左右,而15 cm试件的孔隙含水量大于30%,可以知道进入稳定蒸发状态前,6 cm和9 cm试件蒸发强度已经大大下降,而15 cm高试件蒸发刚进入稳定时段,而且蒸发强度正在加剧[4]。
2.3 路表的宏观状况
通过检测试验路段的路表情况,与普通沥青混合料路面相比,未发现特殊的路面病害问题,且透水性沥青混合料也没有明显的沥青老化问题,并在观察中发现透水性路面具有良好的抗车辙能力。车辙试验是评价沥青混合料的抗流动性能的一种方法。试验主要是模拟沥青混合料受车辆荷载反复作用的状况,以产生1 mm的竖向变形所需荷载作用次数(即动稳定度DS)为指标,评定沥青混合料的抗流动性能,满足行车荷载要求动稳定度大于2 000次/mm[5]。
2.4 透水性能
透水性能主要取决于互通式空隙率的大小,但透水性能的变化却取决于许多参数,目前,难以控制及定量说明。透水性路面的竖向透水能力与横向透水能力两者相差很大,横向约为竖向的2倍,透水系数约在1~1.5 cm/s范围变化。且竖向透水能力一年后与竣工时比较平均丧失50%,随后每年都降低10%~15%(同上年相比)[6]。
2.5 附着力
一般来讲,行车速度越高,附着力越小。但对于透水性沥青路面,附着力的这种减小较弱。但路面孔隙发生严重堵塞时应单独考虑,而且附着力的大小在很大程度上取决于矿料母岩的性质,坚硬、耐磨岩石具有较好的附着力。
3 结束语
透水沥青铺面在道路上推广使用具有良好的社会和经济效益,它可彻底解决传统沥青铺面所存在的诸多问题。但是, 使用透水沥青铺面,必须重新分析传统路面的设计思路,必须解决基层和土基层的排水和稳定性等一系列问题,成熟的路面基层结构也将不再适用。并且,在施工管理及养护方面应注意保证透水性铺装通孔结构的持久性,建议研制开发清理透水性铺装通孔堵塞的相关设备[7]。
参考文献
[1]韦(更韦),吴叶莹,陈炜,等.OGFC透水性沥青路面的设计和施工[J].浙江建筑,2006,23(10):55-56.
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[4]魏建军,关彦斌,张新,等.透水性沥青路面降低路表温度的研究与分析[J].交通科技与经济,2007,9(5):1-2.
[5]吕伟民.沥青混合料设计原理与方法[M].上海:同济大学出版社,2001.
[6]李左芬,曹锡隽.法国透水性路面[J].交通运输,1989(6):77-79.
透水性混凝土路面的功能 篇3
1 透水性能
透水性混凝土 (或砖) 是采用特殊级配的骨料、水泥、胶结剂、外加剂和水等经特定工艺制成。其骨料间以点接触形成混凝土骨架, 骨料周围包裹一层均匀的水泥浆薄膜。骨料颗粒通过硬化的水泥浆薄层胶结而成多孔的堆聚结构, 内部含有大量的连通孔隙。在下雨或路面积水时, 水能沿着这些贯通的孔隙通道顺利地渗入地下或存于路基中[1]。原材料的性能及其配比 (包括骨料级配、骨灰比、水灰比等) 、制作工艺、施工及铺装工艺都对透水性混凝土 (或砖) 的孔隙率有一定影响, 进而影响该材料的透水性能。
透水性混凝土内部的孔隙由粗骨料搭接而成。粒级太小的骨料与水泥砂浆拌合后极易形成封闭孔隙, 在很大程度上减少了成品连通孔隙率;透水系数随着骨料粒径的增大而逐渐增大, 但粒级过大的骨料容易由于裹浆量少且薄而导致透水混凝土的强度无法达到理想要求;骨料越粗糙, 骨料粒径连续、大小不同, 可以有效地提高骨料之间的接触点数量, 从而提高其强度, 但透水性会相应降低。
一般认为, 细集料易堵塞内部孔隙, 造成透水系数下降。但也有研究者认为, 细集料在透水混凝土中不但起到了增大骨料粘结面从而增加强度的作用, 还起到了改善拌和物和易性、增加保水能力的作用, 同时对透水系数影响不大。
骨灰比的大小决定了透水砖能够达到的强度的最大值, 又对透水系数产生一定的影响。随着骨灰比增大透水混凝土砖的强度降低而透水系数增大。
水灰比要求既要能够完全润湿水泥, 使其较好的包裹骨料, 又要保证水泥浆体不流淌、保留孔隙即可。
采用普通搅拌法配置的透水砖的透水性明显大于水泥裹石法, 然而前者的强度却比后者低近1倍[1]。采用普通搅拌法时, 水泥浆未能充分包裹石子表面或包裹层不均匀, 所以骨料颗粒间空隙较大, 颗粒接触点粘结强度薄弱, 最终体现出透水混凝土的透水性较高而强度却很低, 而不能满足工程应用中对透水混凝土的力学性能要求。
透水砖铺装工艺同普通路面砖有很大的区别, 在铺装中特别要注意的是保持其特殊的透水特性。能否达到最佳透水效果很大程度上取决于铺装工艺的合理性。为了获得较好的透水效果, 在铺设时其缓冲层一般直接采用中砂, 具有较好的受压缓冲能力;下层采用开放式透水性路基, 使用窄级配 (骨料粒径大致在7 mm~40 mm) 、高骨灰比和低水灰比的混凝土[2]。
用透水性铺装代替不透水铺装可以有效缓解城市不透水硬化地面对于城市水资源的负面影响, 可以使雨水迅速下渗到垫层下, 路面不产生任何积水。。透水性路面兼有良好的渗水性及保湿性, 能有效地缓解城市排水系统的泄洪压力。有研究表明[3], 透水砖在使用2年后仍有良好的透水效果, 能够满足30年一遇的60 min降雨的渗水需求;透水砖铺装地面的渗透效果随着使用期限的加长而有所减弱。这一方面是由于在长期使用过程中, 汽车、行人的碾压造成垫层密度变大, 减小了垫层的透水系数, 另一方面是由于灰尘、垃圾等杂质在透水砖面上的长期堆积堵塞了透水砖表面的孔隙, 影响了透水砖的雨水瞬时下渗速度。作为交通干道的透水砖路面的透水性能的减弱程度比非交通干道的要快。在人行道、居民小区等处使用的透水砖在初始铺装时透水效果明显, 且在使用2年后仍能维持较佳的透水效果, 能满足日常的降雨透水需求。
2 净化水功能
随着城市不透水面积的大幅增加, 在暴雨的淋洗冲刷作用下, 大气、地面和地下的污染物进入周围的江河、湖泊、水库和海洋等水体造成污染。透水性混凝土孔隙率大、透水性好且吸附力强, 可以用于污水的净化。若透水性混凝土采用本身具有特殊大孔结构的骨料, 骨料本身具有吸附性, 同时也增大了混凝土的内表面积。这样不仅增大了混凝土与水接触的表面积, 而且可以大大增加混凝土自身的吸附性能[4]。因此, 具有一定污染负荷的污水, 经过透水性混凝土的吸附和过滤后, 可以得到初步的物理净化。物理净化一般可作为污水的初期处理, 进一步处理还有赖于化学净化。混凝土中的水泥在水化过程中, 及浸泡在水中都会不断溶解出Ca (OH) 2, 产生混凝土絮凝沉淀, 从而起到净化水的作用。陈志山等[5]研究表明, 通过在生态混凝土中掺加缓凝性的净水材料或铝离子和镁离子, 都可以去除污水中氮、磷等营养物质, 进一步提高净水效果。经过化学净化后, 污水中的悬浮物会有明显的降低, 但是可溶性营养物质的浓度降低不明显。这就需要进一步进行生物净化。透水性混凝土的天然孔隙是诸多生物的理想栖息地, 巨大的表面积为生物提供了广阔的生存空间。日本大成建设 (株) 技术研究所[6]将大孔混凝土作为生物载体投放在水质污浊的小河中, 研究发现, 不论大孔混凝土的外壁面和中心部的内壁面均有大量的生物种群栖息, 形成了生物膜。这些生物种群在生长的同时, 吸收并分解了污水的有机物 (BOD) 和营养物质氮磷等, 从而降低了污水的污染负荷。另外, 作为生物载体, 透水性混凝土不会导致生物变异, 所以也可通过接种经过筛选和驯化的微生物, 来提高其净化效果。
目前存在的主要问题[4]是: (1) 污水中含有大量的固体颗粒物, 很容易堵塞生态混凝土的孔隙, 使其净水功能降低。解决这一问题可采用设置前置沉淀池或反冲洗装置的方法, 或可以在混凝土表面增加一层透水性良好小粒径材料。 (2) 混凝土在流动的水中钙离子容易大量流失, 使水泥的水化产物分解, 从而可以造成混凝土强度的降低。解决方法是可采用加入镁、铝离子或其他外加防水剂, 来延缓钙离子的溶出, 且镁、铝离子本身具有很好的净水作用。城市污水中都不同程度的含有硫酸盐, 在缺氧条件下, 污水中的硫酸盐在硫酸盐还原菌和硫氧化菌的作用下会使混凝土石膏化, 从而使混凝土逐步崩裂破坏。另外, 污水中的各种有机物在好氧菌的作用下, 会生成许多有机酸, 从而降低了混凝土的碱度和强度。如何解决这一问题还需要做进一步研究。
3 减轻城市热岛效应
透水砖使得雨水能够迅速地渗入地表, 还原成地下水, 使地下水资源得到及时补充, 提高地表的透水、透气性, 保持土壤湿度, 改善城市地表生态平衡。由于透水性铺装自身一系列与外部空气及下部透水垫层相连通的多孔构造, 雨过天晴以后, 透水性铺装内部及下垫层中的水分在太阳辐照作用下, 吸收的能量使地砖内部水分变为水汽, 水汽通过地砖表面的直接蒸发和地砖中的空隙扩散逸出地砖表面。水分蒸发要吸收大量的热量, 因而使得地砖表面温度和近地层空气温度均得到降低。地表温度的减小会明显降低地表对外界的长波辐射作用从而减轻夏季地面铺装对行人的烘烤感, 改善夏季城市热环境, 消除热岛效应。观测数据显示, 在高温季节, 透水路面的地表温度比不透水路面要低2℃~5℃;在干燥季节, 透水路面的地表湿度比不透水路面要高1%~3%。2004年天津大学建筑学院博士后流动站王波等[7]模拟太阳辐照及自然风的作用开展对不同孔隙率透水性地砖含水蒸发的相关试验研究, 探讨了孔隙率、材质及表面颜色对透水地砖蒸发强度及表面温度的影响。结果表明, 就同种材料的透水砖而言, 孔隙率直接影响透水地砖的表面温度及其变化, 孔隙率越大, 单位体积的含水量越大, 蓄热能力越强, 表面温度随时间升高的速率越小, 最终的温度越低;对于孔隙率相近的混凝土透水砖、粉煤灰透水砖和陶瓷透水砖而言, 其表面温度变化趋势基本一致, 但前期陶瓷透水砖表面温度较低, 但其升温速率大于粉煤灰透水砖和混凝土透水砖, 其表面温度在4.5 h后逐渐超过粉煤灰砖, 6 h后超过混凝土透水砖;孔隙率越大, 单位体积的含水量越大, 初期的蒸发强度越大, 随着辐射时间的增加, 蒸发强度曲线总体呈下降趋势, 最后趋于一致;混凝土透水砖的蒸发强度曲线下降很快, 陶瓷透水砖前期的蒸发强度曲线基本保持平直随后下降并与混凝土透水砖蒸发强度趋同, 而粉煤灰透水砖蒸发强度始终低于陶瓷透水砖, 其内部水分不易蒸发, 存留的水增加了粉煤灰透水砖的蓄热能力, 因此, 其表面温度不易升高。
4 消除噪声
透水性混凝土具有密集的“蜂窝”状结构。当声波打在透水性铺装表面上时, 声波引起透水性铺装内部小孔或间隙的空气运动, 紧靠孔壁表面的空气运动速度较慢, 由于摩擦和空气运动的黏滞阻力, 一部分声能就转变为热能, 从而使声波衰减;同时, 小孔中空气和孔壁的热交换引起的热损失, 也能使声能衰减[8]。由于城市高层建筑以及高架道路的不断增多, 再加上穿过市区的飞机噪声, 这些声源较高的噪声, 从城市上空投射到透水性铺装表面上, 根据上述原理, 透水性铺装依靠其特有的吸声降噪机理对城市声环境起到明显的改善作用。普通的非透水性硬化广场地面只能将声波重新反射, 起不到吸声降噪的作用。另一方面, 透水性铺装的多孔结构能使在其上行驶车辆的轮胎噪声降低, 进而对降低交通噪声也是有利的。通过改变骨料、胶结材料的性能和产品的厚度及施工工艺, 能进一步提高透水性混凝土的消音特性。
从地面铺装入手, 利用多孔透水性混凝土铺装材料的多孔结构吸声降噪, 此举为噪声控制提供了新的思路。西安公路交通大学曾对多孔沥青混凝土路面的吸声性能进行了相关研究, 1996年以来, 我国先后在杭州-金华段高速公路和320国道上铺设多孔透水性沥青试验路面, 使用及测试证明该种路面在降低交通环境噪声方面具有明显的优势。研究表明, 多孔混凝土试样的吸声系数与材料的孔隙率及频率有关;孔隙率是影响材料吸声性能的首要因素;随着孔隙率的增大, 多孔混凝土试样的吸声系数的峰值增大, 峰值对应的共振频率向高频扩展;吸声系数的峰值往往出现在500 Hz~800 Hz范围内, 1 250 Hz附近吸声系数曲线出现低谷, 随后吸声系数又有上升的趋势;不同孔隙率多孔混凝土试样的吸声系数低频差别不大, 差异主要体现在中高频段[9]。王波等研究得出多孔混凝土吸声性能随着孔隙率及频率而变的规律及经验公式, 为治理不同频率环境噪声、选择不同孔隙率规格的多孔混凝土提供借鉴。综合考虑吸声效果和路用性能要求, 多孔混凝土孔隙率推荐选用15%~20%。
多孔混凝土的研究和应用在我国是新生事物。该材料属于刚性颗粒状多孔吸声材料, 与传统柔性纤维状吸声材料相比, 多孔混凝土材料力学性能良好, 不易变形, 抗腐蚀耐候性强, 适于户外露天使用。多孔混凝土除了用于传统硬化路面的铺装外, 还可以尝试作为公路声屏障以及室内声学设计方面的吸声选材。
5 改善光环境
透水性铺装表面由于孔隙的存在使得投射到表面上的光线产生扩散反射, 因而避免了光滑地砖或石材常出现的由定向反射而造成的眩光, 雨天不透水地面聚集的水面同样会产生眩光, 这种眩光在夜间的车灯照耀下特别严重, 这是造成夜晚雨天行车交通事故多的重要原因之一。透水性铺装由于及时消除表面积水, 因而克服了行车“漂滑”、“飞溅”、“夜间眩光”等不透水地面所带来的缺陷, 对城市交通安全也是有利的。
6 结束语
在GB/T 50378-2006《绿色建筑评价标准》对场地的铺装要求中, 明确地提出要推广透水材料:公共建筑方面“室外透水地面面积比大于等于40%”, 在住宅区“室外透水地面面积比大于等于45%”。增强地面透水能力, 对储留地下水、滋养草木、降尘、防噪、净化空气、调节气候等都起着十分积极的作用。在目前的城市化建设中, 透水性路面已在大型城市得到推广应用, 而在中小型城市还没有得到充分重视, 还需要进一步加大推广力度, 从而为改善我国的生态环境做出一定贡献。
摘要：介绍了透水性混凝土路面的透水机理, 对粗骨料级配、骨灰比、水灰比、细集料用量、搅拌工艺及铺装工艺等因素对透水性能的影响进行分析。 并在此基础上介绍了透水性混凝土在净化水质、减轻城市热导效应、消除噪声污染和改善光环境方面的作用, 为高质量透水性混凝土地砖的研发和进一步推广应用提供一些参考。
关键词：透水性混凝土,透水性,净化水质,城市热岛效应,消除噪声
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透水性沥青路面 篇4
1 试验准备
1.1 试验方案
为研究不同级配和不同TPS掺量对水稳定性的影响, 本文确定的试验方案具体如下:
(1) 浸水劈裂试验
试验为研究条件变化对混合料水稳定性影响以及为后续试验提供比较的依据, 选取不同级配及TPS掺量的方式进行沥青混合料劈裂抗拉强度试验。试验时温度由15℃更改为25℃, 目的是为了与冻融劈裂试验相对应, 其他步骤按规范中沥青混合料劈裂试验方法进行。
(2) 短期老化试验
该试验的目的是模拟施工过程中沥青混合料的老化现象, 试验步骤按规范中沥青混合料冻融劈裂试验进行[5]。TPS改性沥青从现场拌和到碾压过程结束用时一般在2h左右, 而温度一般保持在160~185℃范围内, 为提高试验模拟的真实性, 试验将原方法中温度由135℃变为150℃, 时间调整为2h。
(3) 冻融劈裂试验
试验步骤按规范中冻融劈裂试验进行, 根据透水性沥青混合料的结构特点, 试验中的真空饱水过程很难满足试件结构内部的完全真空饱水, 以导致冰冻过程很难达到真实, 造成试验较大的误差。因此, 在试验过程中, 我们将真空饱水的过程更改为常温浸水24h, 然后将试件连同水槽一起放入冰箱冷冻24h。
1.2 原材料
本文选取9.5~16mm和4.75~9.5mm的粗集料。碎石为玄武岩, 其吸水率以及与沥青的粘附性等指标均满足规范要求;细集料选取0~2.36mm的机制砂;基质沥青选取东海70号基质沥青;高粘改性剂选取TPS改性剂;矿粉作为填料, 掺量为3.5%;添加剂采用消石灰, 含量为1.5%等, 原材料的各项指标均满足规范技术要求。
1.3 试件制备
本文选取飞散试验以及析漏试验确定混合料最佳沥青用量, 采用a、b、c三种级配, 对混合料进行试验, 得到各级配的最佳沥青用量[4], 如表1、表2所示。设定TPS掺量百分数分别为0%、12%、15%、17%、20%五种, 由五种掺量百分比与三种级配类型组合可得15种类型, 其中每种类型选用四个试件作为一个平行试验, 试件个数总计5×3×4×3=180个。
试验时采用的仪器主要有冰箱、水槽、大瓷盘、马歇尔试验仪、可鼓风普通烘箱等试验仪器。
2 试验步骤
透水性沥青混合料拌制的步骤按规范规定进行:
步骤1:先把拌好的15种类型混合料每种分成三组, 然后将第三组正反双面击实50次成型标准马歇尔试件, 第一组和第二组先不做处理[6]。第三组试验中, 将拌和好的沥青混合料均匀地摊铺在搪瓷盘里, 控制松铺厚度范围21~22kg/m2, 进行短期老化, 放置于烘箱中, 温度调至150℃, 闷料2h, 按时取出, 成型马歇尔试件。
步骤2:将步骤1中第一组马歇尔试件与第三组试件置于温度为25℃的水中浸泡2h, 然后在加载速率为50mm·min-1下进行劈裂试验, 劈裂抗拉强度RT按式 (1) 计算。
式中:RT—劈裂抗拉强度;
PT—试验荷载的最大值;
h—试件高度。
步骤3:将第二组马歇尔试件浸泡在常温水槽内24h, 然后将试件与水槽一起置于温度范围为-18℃±2℃的冰箱内, 为确保结构内部空隙完全冰冻, 24h后取出试件与水槽, 即刻置于60℃±0.5℃的恒温水浴中保温24h, 最后在加载速率为50mm·min-1下实施冻融劈裂试验, 沥青混合料冻融劈裂抗拉强度按式 (2) 、式 (3) 计算, 冻融劈裂试验强度比按式 (4) 计算:
式中:TSR—冻融劈裂试验强度比;
RT1—未进行冻融循环的第一组试件的劈裂抗拉强度;
RT2—经受冻融循环的第二组试件的劈裂抗拉强度;
PT1—第一组试件的试验荷载的最大值;
PT2—第二组试件的试验荷载的最大值。
3 试验结果与分析
3.1 试验结果
经试验结果计算可得三种a、b、c级配以及不同TPS掺量百分比混合料劈裂抗拉强度, 如表3。
3.2 试验结果分析
根据以上试验结果, 首先对直接进行浸水劈裂试验得到的结果进行分析, 然后对短期老化后与直接浸水劈裂的试件进行对比分析, 最后对经一次冻融循环后与直接浸水试件进行分析, 计算混合料的冻融劈裂试验强度比。
(1) 直接浸水劈裂试验抗拉强度结果分析
首先, 通过级配以及最佳沥青用量表可以看出a、b、c三种级配中粗集料含量a含量最大, b次之, c粗集料含量最少, 细集料与沥青用量与之相反。由试验结果表3可得, 不同粗集料与细集料质量比在未经老化直接浸水劈裂试验条件下, 劈裂抗拉强度随粗集料用量的增加而增加;其次, 由表3直接浸水劈裂试验结果可以看出, 透水性沥青混合料试件劈裂抗拉强度随TPS改性剂掺量百分比增加而显著增加, 即0%RT<12%RT<15%RT<17%RT<20%RT。而抗拉强度增幅逐渐减小, 直至趋于平稳。在相同TPS掺量条件下, 也存在劈裂强度c>b>a的关系, 如图1所示。分析产生以上现象的主要原因为:粗细集料含量以及沥青用量的不同, 使沥青的比表面积产生变化, 造成透水性沥青混合料劈裂强度的变化;TPS高粘改性剂通过加强透水性沥青混合料中沥青的粘附性, 进而提高混合料的水稳定性。随着试件中TPS改性剂掺量的增加, 劈裂抗拉强度的增加幅度逐渐减小表明, 当TPS改性剂掺量达到一定数值以后对透水性沥青混合料劈裂抗拉强度的影响会逐渐减小, 并趋向于稳定。
(2) 短期老化后浸水劈裂抗拉强度结果分析
由试验结果分析表3可得, 短期老化后劈裂抗拉强度较直接浸水条件下的马歇尔试件劈裂抗拉强度均有明显提高, 短期老化后浸水劈裂抗拉强度介于0.470~0.669MPa之间, 而直接浸水劈裂抗拉强度介于0.376~0.590MPa之间;由图2、图3、图4可知级配a、b透水性沥青混合料短期老化后劈裂抗拉强度提升过程先是增加, 而后降低, c级配混合料短期老化后强度提升相对均衡;对于三种级配的混合料, 当TPS改性剂掺量达到15%以后, 改性剂对于劈裂抗拉强度的提高作用逐渐降低。
由于透水性沥青混合料本身结构空隙率大的特点, 加上外界空气、水等条件的影响, 增加了结构内部与外界环境的接触面积, 加重了沥青的老化程度, 试件的劈裂抗拉强度提高更加明显;混合料中沥青用量的减少会加重混合料的老化程度, 从而影响水稳定性。混合料中掺加TPS改性剂较基质沥青提高强度的比例明显降低, 主要是由于TPS改性剂的老化过程中交联和降解两种反应, 同时由于TPS改性剂中存在粘结性树脂、抗老化剂等成分, 使得改性剂的反应以降解为主, 延缓沥青的老化作用, 减少了其提升强度的功能, 提高抗老化性能;混合料的短期老化试验是在高温有氧条件下进行, 沥青内部的氧与自由基发生氧化、缩合等反应, 在高温条件下进行试验时, 沥青中轻质组分不断挥发, 同时伴随着集料对轻质组分的吸收, 马歇尔试件表面的分子结构产生触变, 进而产生位阻硬化现象, 这样就达到了提高混合料的劈裂抗拉强度以及抗变形能力的目的。
(3) 经一次冻融作用后混合料劈裂抗拉强度分析
据表3, 将经一次冻融循环作用后试验结果与直接浸水试验结果进行分析如图5所示。据式 (4) 计算经一次冻融作用后冻融劈裂试验强度比, 结果如表4所示。
由图5和表4分析可知, a、b、c三种级配的试件在相同的TPS改性剂掺量下TSR值相近;无掺加TPS改性剂透水性沥青混合料经冻融循环作用后强度降低程度最大, 其中a级配TSR最小, 值为75.27%;当TPS改性剂的掺配百分数≥15%时, TSR的变化幅度较小保持在82%左右;当TPS掺配量为12%时, b、c两种级配的试件TSR均<80%, 而a级配试件的TSR>80%, 为81.06%;由表3可知, 经一次冻融循环作用后试件的劈裂抗拉强度均减小, 其强度值介于0.283~0.492MPa之间。导致以上试验结果产生的原因主要是由于冻融循环劈裂试验使透水性沥青混合料内部结构产生变异, 从而降低了试件的劈裂抗拉强度, 高粘改性剂TPS可以很好地改善透水性沥青混合料的水稳定性能。总而言之, 冻融循环作用降低了材料的冻融劈裂强度比, 但其损失较小, 其值均在75%~84%之间。
据试验结果分析, 为满足《公路沥青路面施工技术规范》中针对SMA改性沥青混合料与改性沥青混合料冻融劈裂试验残留强度比≥80%的要求, 结合本试验结果中当TPS改性剂的掺配量≥15%时, TSR>80%, 本文推荐TPS改性剂掺量为16%。对透水性沥青混合料冻融劈裂试验强度比提出TSR≥80%。
4 结语
通过对透水性沥青混合料进行短期老化与一次冻融循环作用后的劈裂试验结果进行对比分析, 得出TPS高粘改性剂对于改善透水性沥青混合料的水稳定性能作用显著, 短期老化试验可以有效提高混合料劈裂抗拉强度。经冻融循环劈裂强度试验, 分析了冻融作用对于混合料劈裂强度的影响, 并计算得到合理的TPS改性剂掺量以及建议的TSR值, 保证了透水性沥青混合料在掺加TPS改性剂后水稳定性能的有效改善。
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透水性沥青路面 篇5
海绵城市是指能够在适应环境变化和应对自然灾害等方面具有良好的弹性, 像海绵一样, 下雨时吸水、蓄水、渗水、净水, 需要用水时将蓄存的水释放的城市[1]。目前逢大雨我国部分城市必涝, 这跟城市地面和路面的过度硬化和管网建设不足有着密切的关系[2]。透水性路面有助于解决排水问题, 有助于建设可持续灌溉的城市绿色空间[3]。
透水性路面是一种解决洪峰流量过大导致城市排水系统瘫痪, 平时城市水资源匮乏等问题的有效措施[4]。本文提出海绵城市的建设意义, 研究透水性沥青路面的应用意义、结构方案等, 在国家大力提倡建设海绵城市的背景下, 推广应用透水性沥青路面前景良好。
1 建设海绵城市意义
1.1 现代城市的排水和储水困境
1) 排水困境。我国是大陆性季风气候, 每到夏季城市就频频遭受大暴雨的袭击, 暴雨过后, 各城市均发生严重的积水现象。例如:成都市区积水, 如图1所示。造成积水的主要原因是我国城市排水管网容量不足、路面不透水, 雨后短时间内会产生大量的地表径流。
2) 储水困境。在许多城市建设过程中, 大量采用的沥青混凝土造成了地表的封闭, 对城市生态和气候环境产生显著的不利影响。
现代化的城市地表难觅土壤, 水分下渗困难, 雨水直接排到河道, 地表植物生长困难, 有的树木甚至因根系缺水死亡。
大量城市尤其是北方城市的生活和工业用水仍以地下水为主, 地下水补给路径受阻, 城市地下水抽取后没有机会恢复, 进而引发地面沉降, 天津等地还出现过海水倒灌的问题。
1.2 海绵城市的特点及意义
海绵城市模式改变了“以排为主”的传统的城市雨水管理理念, 通过生态化的渗、滞、蓄、净、用、排等多种技术, 有益于城市水生态环境和综合生态环境。
透水路面使得雨水可以渗透入地下, 提高地下水位, 有利于城市绿化。与密闭性地面相比, 透水地面能通透“地气”, 使城市居民居住更加舒适。
2 透水性路面的特点和效益
城市道路是径流雨水产生的一个主要场所, 同时汇集屋面雨水, 因此, 控制城市道路路面径流雨水非常重要[5]。从20世纪70年代开始, 一些发达国家把透水路面应用于车行道、停车场等。
1) 减少地表径流洪峰流量, 减轻排水压力。由于透水性沥青路面可减少地面70%~80%的径流量[6], 所以设置简单的路侧排水沟即可满足排水要求, 如图2所示。
集中降雨时透水路面能减轻城市排水管线的泄洪压力, 减少地下的排水设施的建设投入。
2) 提高行车安全性、舒适性。透水路面下雨时能较快消除道路的积水现象, 防止发生水漂现象, 减少交通事故发生率, 大大提高行车安全性。
消除路面水膜后, 把光线的镜面反射变成漫反射, 如图3所示。图下半部分的透水路面的水膜和镜面反射情况明显好于图上半部分的常规路面形式。反光现象减少后行车更加安全和舒适, 尤其是在夜间, 效果突出。
3) 环保效益良好。透水路面具有良好的生态环境效益, 主要体现在:可将雨水渗入地下, 自然补充地下水资源, 有利于植物的生长[6], 维护地下水, 能避免因过度开采地下水而引起地基下沉。
经过路面和路基的截留、吸附、物降解等作用[6], 净化径流, 使其水质更好。
透水路面的孔隙率较大, 具有吸音作用, 与常规路面相比可减少行车噪声。
4) 缓解城市热岛效应。透水路面可以起到隔热层的作用[4], 因而缓解热岛效应。据文献[4]的报告, 透水路面温度维持在35℃~40℃, 而常规密级配沥青路面温度则在60℃左右。
5) 拥有系列色彩配置, 更加美观。透水路面颜色中较丰富, 根据环境以及功能需求设计图案, 能够体现设计师独特创意, 有利于提高城市市容市貌[2], 可以根据周围环境需要进行设计, 具有较强的装饰性。
3 透水性路面的结构
透水路面结构层次如图4所示。其中多孔沥青层为面层, 过滤层为基层, 储水层为垫层。
图3透水路面与常规路面水膜情况对比图
图4透水路面结构图
透水沥青路面面层材料一般采用多孔沥青混合料, 由高粘度的改性沥青、粗集料、细集料、填料和添加剂组成。最大特点是粗集料约占集料总质量的85%。
透水基层材料可选用级配碎石, 或者选用多孔水泥稳定碎石等材料。
垫层材料可选用开级配集料, 除了隔离地基和基层, 同时可以传递荷载、扩散应力。
路基材料应该选用砂性土, 如果是粘性土应该换填。
除了上述经典路面结构形式, 透水路面现在通常的做法是引入土工织物等材料做隔离层, 结构类型更加多样。
4 透水性路面的应用前景
2005年杭州市在城市市政建设中开始采用透水路面材料。至2007年铺设面积达30万m2。2008年北京奥运会场馆建设中铺装透水材料达10多万平方米。上海世博会也大量采用了透水路面[7]。
城市未来主要发展方向, 不仅要节能节水, 还要维护生态平衡, 实现低冲击开发[8], 其中采用透水路面是个很好的选择。
从长远意义上看, 保护城市水文环境、减少市政雨水设施规模建设, 有利于雨水管网的长期运行, 其节约的资金和提供舒适的城市环境意义重大[8], 其环境效益和社会效益远远大于经济成本。
透水路面也越来越被人们重视与接受, 更多地应用于城市道路的建设中。
透水性沥青路面环境和社会效益突出, 推广应用前景良好。
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透水性沥青路面 篇6
大粒径透水性沥青混合料一般指混合料最大公称粒径大于26.5mm,一定量的细集料填充空隙的骨架型沥青混合料。由于在目前全国200万公里的通车总里程中,沥青路面占大多数,半刚性基层沥青路面又是已建沥青路面的主要结构形式。作者通过对这类路面的大修和改造进行了长时间研究。对于大粒径透水性沥青混合料柔性基层的应用(简称LSPM),经历了从认识到研究,从研究到实践的长期应用研究和实践验证的过程,基本上形成了一个相对完整的体系。该结构层的应用,目前已初见成效。但并不是说,LSPM是万能的惟一的方法,要达到的预期目标是一致的,可采取的技术路线是不同的。LSPM就是其中的一种。目前全国公路沥青路面占了大多数,由于经济、技术等原因,半刚性基层沥青路面是目前已建沥青路面的主要结构形式。半刚性基层由于其整体强度高、板体性好,使沥青路面具有较高的承载能力,而且材料容易获得,为提高我国公路交通的整体水平发挥了重要作用。
半刚性基层沥青路面经过几年的使用后,必须进行加铺改造,以恢复路面的使用功能,尤其当路面出现早期损害后,加铺改造往往更早。旧沥青路面常用的加铺方案一般是在其上铺设半刚性基层,再铺设沥青面层,此种加铺方案具有结构承载力强、结构层材料设计简单等优点;但同时也存在工程量大、高程增加多,以及未能充分利用旧路面等缺点。特别是不能避免反射裂缝及无法排水的缺陷,使加铺后的路面重新面临早期损害的可能。
1 LSPM配合比设计
1.1 LSPM对原材料的要求
1.1.1粗集料由于粗集料在LSPM中的骨架作用,它的质量及其物理性能将影响着LSPM的使用性能,要求LSPM的粗集料颗粒性状接近立方体、坚固性好,压碎值和针片状颗粒含量都小于20%。
1.1.2细集料LSPM允许使用人工砂和石屑作为细集料,不得采用河砂、天然砂。细集料棱角性必须大于40%,砂当量不小于65%。
1.1.3填充料为提高LSPM的抗水损害能力,填充料宜用干燥消石灰粉和生石灰粉,填充料技术要求至少应满足Ⅲ级要求。
1.1.4沥青结合料采用改性沥青MAC-70#,按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JT052-2000)对改性沥青进行各常规指标测试,其各项性能指标应满足表1要求。
1.1.5集料级配采用原材料为20～40mm、10～20mm、5～10mm、3～5mm与0～3mm石灰岩五种集料以及石灰粉做填充料。
首先对原材料进行水洗筛分,同时测定原材料各项物理指标。原材料各项密度指标和筛分结果见表2、表3。
1.2 LSPM级配作为柔性基层的LSPM除承受重载作用外,还兼有排水功能。因此,级配组合设计时混合料不仅要形成骨架结构,而且保证空隙率不小于15%。各档集料之间比例与合成级配通过百分率见表4。
2 LSPM反射裂缝影响分析
2.1 LSPM基层模量LSPM路面结构层温度均匀升降,产生胀缩变形,其受阻时产生胀缩应力;结构层内存在温度坡差(梯度)时,产生翘曲变形,其受限制而产生翘曲应力。有时温度应力对路面结构的不利影响比荷载应力更大。我国幅员辽阔,各地气候条件千差万别,有的地区昼夜温差很大,而有的地区昼夜温差较小,不同的降温幅度对沥青路面的温度应力会有不同的影响。
路面在交通荷载作用下导致基层或旧路面中的裂缝向沥青面层反射的主要原因裂缝尖端剪应力的奇异性。无论是对称荷载还是非对称荷载作用,裂缝尖端的应力强度因子都将随着加铺基层模量的增大而增大。沥青混合料是一种温度敏感性材料,其模量随温度的变化十分明显,因此冬季出现反射裂缝的概率远大于夏季。
根据断裂力学分析,混合料中没有孔隙或空隙非常小时无论是对称荷载还是非对称荷载作用,裂缝尖端应力状态都有很大的奇异性,当存在较大空隙时将极大的消减了裂缝尖端的应力集中,这就说明在裂缝扩展过程中,大空隙的存在能阻碍其进一步的发展。
根据以上分析,LSPM模量较低,而且空隙率较大,混合料中存在较大连通空隙,因此其具有较强的抵抗反射裂缝的能力。大量的工程实践证明,应用LSPM的道路,出现反射裂缝而导致路面破损的病害极大减少,而在同一条道路上,同样的路面结构组合,没有应用LSPM结构层的,反射裂缝大量出现。这一点完全可以证明LSPM抗反射裂缝的优良性能。
图1为LSPM温度应力随其自身模量由400MPa增加到800MPa时的变化情况。
2.2 LSPM基层厚度图2所示为LSPM基层温度应力随其自身厚度由6cm增加到12cm时的变化情况。LSPM基层厚度对其自身温度应力影响显著。当LSPM基层厚度由6cm变化到12cm时,其自身最大主应力σ1、最大剪应力τmax及等效应力σe均呈单调下降。σ1由0.056MPa降低至0.034MPa,减少39%,基本呈凹形曲线单调下降;τmax由0.027MPa降低至0.021MPa,减少29%,基本呈线性单调下降;σe由0.099MPa降低至0.076MPa,减少23%,呈凹型曲线单调下降。
当LSPM基层厚度由6cm变化到12cm时,厚度每增加1cm所对应的等效应力σe减少量依次为0.006MPa(6～7cm)、0.005MPa(7～8cm)、0.005MPa(8～9cm)、0.003MPa(9～10cm)、0.002MPa(10～11cm)、0.003MPa(11～12cm),厚度每增加1cm所对应的最大主应力σ1减少量依次为0.010MPa(6～7cm)、0.007MPa(7～8cm)、0.003MPa(8～9cm)、0.001MPa(9～10cm)、0.001MPa(10～11cm)、0.001MPa(11～12cm),当LSPM基层厚度大于9cm时,等效应力σe、最大主应力σ1的降幅逐渐趋于平缓。因此,LSPM基层厚度对其自身温度应力影响显著,增加LSPM基层厚度对减小其自身温度应力起到了很大的作用,对试验路段的路面结构组合,LSPM基层厚度不宜小于9cm,这一推荐厚度也满足LSPM基层实际施工最小厚度要求。
2.3 LSPM基层空隙率LSPM不同级配的空隙率有所差异,LSPM不同空隙率的弹性模量也不相同。为了探寻LSPM空隙率与其自身弹性模量之间的相关性,根据三种不同级配LSPM(空隙率分别为15%、17%、20%)的抗压回弹模量试验结果进行相关性分析。LSPM的回弹模量试验采用静压法成型直径150mm、高150mm的圆柱体试件。试件的密度采用马歇尔试验的最佳沥青含量的试件密度,试件空隙率采用设计空隙率。在有空调的试验室内测试,将室温调至要求的温度,试件放置12小时以上。三种不同级配LSPM抗压回弹模量试验结果(20℃)见表5。
图3所示为LSPM温度应力随其自身空隙率由15%增加到20%时的变化情况。当LSPM基层空隙率由15%变化到20%时,其自身的最大主应力σ1、最大剪应力τmax及等效应力σe基本呈线性单调降低趋势。当LSPM缓解层空隙率由15%变化到20%时,最大主应力σ1由0.036MPa降低至0.030MPa,降幅17%;最大剪应力τmax由0.023MPa降低至0.020MPa,降幅13%;等效应力σe由0.083MPa降低至0.068MPa,减少18%。因此,LSPM基层空隙率对其自身温度应力影响显著,随着LSPM基层空隙率的变化,其自身等效应力σe的变化幅度最大,最大主应力σ1的变化幅度次之,最大剪应力τmax的变化相对较小。
当LSPM基层空隙率逐渐增大时,在LSPM基层中孔隙分布更为均匀,这种均匀分布的多空隙结构可更为有效地阻断裂尖扩展路径,削弱拉应力和拉应变的传递能力,从而消散和吸收温度应力。但是,LSPM基层空隙率并非越大越好,当空隙率过大时混合料拌和、摊铺及碾压质量不易控制。
3结论
3.1级配良好的LSPM粗集料形成骨架结构能够抵抗较大的塑性和剪切变形,特别适宜于低速、重载、超载车辆通过路段。
3.2 LSPM模量与温度应力呈正比关系;LSPM厚度与温度应力呈反比关系;LSPM空隙率与温度应力呈反比关系。当LSPM空隙率逐渐增大时,在LSPM基层中孔隙分布更为均匀,从而消散和吸收温度应力。
3.3由于LSPM空隙率较大,透水能力强,兼有路面排水层的功能。但是LSPM空隙率并非越大越好,当空隙率过大时混合料拌和、摊铺及碾压施工质量不易控制。
3.4大粒径的粗集料的含量多和矿粉用量的减少,减少比表面积,降低了沥青总用量,从而降低了工程造价。
摘要：大粒径透水性沥青混合料(LSPM)能有效防止反射裂缝,并迅速排出沥青路面内的水分,具有很高的回弹模量和抵抗变形的能力。本文结合试验路段,对LSPM的材料要求、配合比设计和温度应力进行分析,探讨了沥青路面结构层参数对温度应力的影响规律,其结论LSPM可直接用于旧路改造或新建沥青路面的柔性基层中。
关键词：大粒径沥青混合料,反射裂缝,配合比,温度应力
参考文献
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透水性沥青路面 篇7
我国道路高等级路面主要是沥青混凝土路面, 沥青路面具有足够的力学强度能承受车辆轮胎产生的各种作用力, 行车舒适、平整、无扬尘, 振动和噪音小, 被广泛应用于高等级公路路面。随着国民经济的发展、人民生活水平的提高, 交通量迅速增加, 车辆大型化、重载、渠道化等问题日益严重, 对沥青路面提出了更高要求。大粒径透水性沥青混合料配合比设计及施工方案是沥青混合料质量控制的关键环节, 也是沥青路面质量的关键。
大粒径透水性沥青混合料 (LSPM) 是指混合料工程最大粒径大于26.5mm, 具有一定孔隙率, 能够将水分自由排出路面结构的沥青混合料。LSPM具有如下特性:
(1) 粗集料较多, 具有良好的高温稳定性;
(2) 空隙率较大, 具有良好的排水性能;
(3) 有良好的抗车辙、抗反射裂缝和抗疲劳等综合性能;
(4) 粗集料多、矿粉少, 降低了沥青用量, 从而降低了工程造价;
(5) 与通常的半刚性基层相比, 能发挥原半刚性基层强度高、造价低的优点, 提高了工程施工速度, 减少了设备投入。
(6) 在大修改建中, 可大大缩短封闭交通的时间, 社会效益显著, LSPM是路面材料领域中一项重大技术突破。
LSPM作为路面结构层, 其兼有排出渗入路面结构内部水分的作用, 水分主要是通过边坡排出, 因此路肩必须能够迅速将水分排出。另外LSPM应用于新建或旧路补强时, 其下承层一般为半刚性基层或旧路面, 因此必须防止水分的继续下渗而造成的下承层的破坏, 使水分通过LSPM层排出。LSPM级配经过严格设计形成单一粒径骨架嵌挤, 并且采用少量细集料进行填充, 提高混合料的模量及耐久性, 在满足排水要求的前提下降低混合料的空隙率, 因此既具有良好的排水性能又具有较高模量与耐久性。目前作为一种新型沥青混合料, LSPM已在山东地区大面积推广应用。
本文以山东省某高速公路试验段铺设为研究背景, 对大粒径透水性沥青混合料配合比设计及施工方案进行初步探讨及研究。
2 试验原材料要求
(1) 沥青:
MAC改性沥青, 改性沥青采用现场加工改性, 改性剂、抗剥落剂在改性时按剂量加入, 各项性能指标符合技术及设计规范要求。
(2) 粗集料:
石灰岩20～40mm、10～20mm、5～15mm, 符合高速公路工程施工质量要求, 清洁干燥, 无风化、杂质等, 具有良好的颗粒形状, 接近立方体、多棱角体, 具有足够的强度、耐磨性。水洗筛分后各项性能指标符合技术及设计规范要求。
(3) 细集料:
石灰岩机制砂0～5mm, 符合高速公路工程施工质量要求, 清洁干燥, 无风化、杂质等。水洗筛分后各项性能指标符合技术及设计规范要求。
(4) 填充料:
生石灰粉, 各项性能指标符合技术及设计规范要求。
3 目标配合比设计
根据各集料筛分情况确定LSPM-30沥青柔性基层目标配合比级配曲线如图1所示。从图中可以看出合成级配曲线非常接近于要求所定上下线的中间值, 数据与理论值相当吻合, 故选定10～30mm∶10～25mm∶5～15mm∶0～5mm:石灰粉=30%∶44%∶11%∶14%∶1%。最佳沥青含量确定为3.1%。按此目标配合比进行马歇尔试件的成型。得到数据如表1所示。由表1所示该目标配合比试验数据均在试验检测技术指标范围内, 满足技术指标规范要求。抽提筛分后筛分曲线与此曲线走势相同, 符合设计及技术规范要求。
4 生产配比设计
沥青搅拌站按照3×3、5×5、11×11、18×18、26×26、38×38将料仓分为6个热料仓。对6个热料仓的集料进行水洗筛分, 得到筛分结果借助电子表格合成级配如图2所示。合成后级配曲线符合LSPM-30柔性基层生产配合比级配设计曲线要求。确定生产配合比6#仓∶5#仓∶4#仓∶3#仓∶2#仓∶1#仓的比例为21%∶31%∶18%∶14%∶7%∶8%∶1%。按此比例合成后加入最佳沥青用量进行大型马歇尔试件的成型, 试验数据如表2所示。
5 生产配合比验证
按照上述生产配合比在沥青搅拌站进行搅拌, 形成试验段的铺筑, 对每车进行现场取料, 成型大马歇尔试件, 得到的试验数据如表3所示。此数据符合DB37/T技术规范要求, 证明了此生产配合比适用此次试验的进行。
6 施工技术要求
6.1 沥青混合料的拌制
沥青混合料的拌制是把一定级配的集料与沥青按规定比例在给定温度下进行拌和的施工工艺。烘干集料的残余含水量不得大于1%。每天开始几盘集料应提高加热温度, 并干拌几锅集料废弃, 再正式加沥青拌和混合料。沥青混合料应拌和均匀, 所用矿料颗粒应全部裹覆沥青, 并应尽量缩短干拌时间, 以减少集料的磨耗, 拌和时间应根据拌和机的型号、沥青混合料的类型、搅拌器的充盈率等因素由试拌确定。沥青混合料每盘的生产周期不宜少于45s (其干拌时间不小于5～10s) 。
混合料的储存时间不得超过24h, 储存温度降温不得大于10℃, 且不能存在沥青老化、析漏, 否则应废弃。沥青混合料出场时应逐车进行重量和温度测定, 记录出场时间, 签发运料单。大于195℃以上的应予以废除, 同时观察有无花白料或温度低结团现象。拌好的热拌沥青混合料不能立即铺筑时, 可放入成品储料仓储存, 储料仓无保温设备时, 允许的储料时间应以符合摊铺温度要求为准, 有保温设备的储料仓储料时间不宜超过24h。
6.2 混合料的运输
热拌沥青混合料宜采用较大吨位的运料车运输, 但不得超载运输或急刹车, 急弯掉头会使透层、封层造成损伤。运料车的运力应稍有富裕, 施工过程中摊铺机前方应有运料车等候。运料车每次使用前后必须清扫干净, 在车厢底部涂抹油水混合物, 以防细料积聚和油斑的形成。从拌和机向运料车装料时应多次挪动汽车位置, 平衡装料, 以减少混合料离析。运输过程中要避免急刹车, 减少混合料离析。运料车在摊铺机前10～30m处停车, 运输车辆应有覆盖蓬布, 减少热量损失, 运输能力要略大于摊铺能力, 保证摊铺的连续性。
6.3 混合料摊铺
沥青混合料摊铺前应检查摊铺机的熨平板宽度和高度是否合适, 并调整好自动找平装置。摊铺机必须缓慢、均匀、连续不间断的摊铺, 不得随意改变摊铺速度或中途停顿, 以提高平整度, 减少混合料离析, 保证材料构造深度和摩擦系数, 使沥青混合料的抗滑性能能充分发挥出来。摊铺方式采用一次摊铺不分层, 减少集料的破碎和混合料的离析。摊铺机行走速度控制在0.8～1.2m/min, 做到缓慢、均匀、不间断的摊铺;摊铺的松铺系数一般通过试验段确定, 可以参考以往的经验系数, 一般采用1.20左右。
6.4 混合料的压实
压实是沥青路面施工的最后一道工序, 是保证沥青混合料质量、物理力学性质和功能特性符合设计要求的重要环节, 合适的碾压, 既能使沥青面层达到高密实度, 又具有良好的平整度。大粒径沥青混合料的压实度和空隙率两大指标是保证其工程质量的关键, 由于沥青碎石的厚度为12cm, 增加了压实难度, 因此振动压路机应采用大功率压路机, 轮胎压路机必须达到30t要求且在胶轮外围加设围裙保温。碾压时应将压路机的驱动轮面向摊铺机, 从外侧向中心碾压, 在超高路段则由低处向高处碾压, 在坡道上应将驱动轮从低处向高处碾压, 遵循“紧跟、慢压、高频、低幅”的原则碾压。碾压完成后, 沥青混合料面层应达到规定的压实度和平整度要求。
摘要：以山东省某高速公路试验段铺设为研究背景, 对大粒径透水性沥青混合料配合比设计及设计方案进行了探讨和研究。