日本高速公路高能路面下面层的防水措(译文).doc

日本高速公路高性能路面下面层的防水措施(译自日本铺装200237-3)内容提要JH从1998年就开始策划将高性能沥青面层作为表面层的标准工艺在日本推广，从而使改善下面层的密水性更加重要。对高性能面层的下面层，有必要考虑材料、混合料的抗剥离性和密水性，以及耐流动性、变形和应力缓冲效果，根据具体条件考虑混合料性能，应选定合适的材料、配合比和分层厚度。本文介绍日本道路公团（JH）现在采用的各种措施。主题词高性能路面 雨水 基层 下面层 整平层 中间层 密水性 SMA前言日本道路公团（以下简称JH）从平成元年（译注：1988年）开始进行排水性路面（以下称高性能路面）的实验研究，由于确认了其良好的耐久性，因而从1998年开始在全国推广，到2000年为止，已在全国的高速公路中推广了约2800万（图1），占高速公路总里程约3%的比例。 图1 高性能路面的施工里程高性能沥青面层混合料不同于以往表面层所用的密级配沥青混合料，由于雨水从排水性面层中流走，因而使下面层直接受水的影响，该层密水问题更为突出。此外，虽然高性能沥青面层是耐流动性高的混合料，但若下面层耐流动性不足时，由于相对强度的差异也可能使面层破坏。针对上述问题，采取提高高性能路面下层混合料耐久性的措施。为了不因高性能路面的推广而降低路面的整体耐久性，根据室内实验和实地调查进行了条件分析并寻求对策。本文介绍JH从事的研究成果。1.对材料、混合料的性能要求1)抗剥离性长期受水影响的沥青混合料,存在混合料沥青剥离问题。实际上在现有路面上加铺高性能面层后,通过损坏路段的试坑调查,确认存在下面层沥青混合料有剥离现象，分析主要是使用的骨料抗剥离性能差的原因。 图2列示了现在进行沥青混合料抗剥离评价中，浸水马歇尔实验结果(残留稳定度)和评价骨料自身沥青裹覆能力的剥离实验(JHS201)结果的关系,但残留稳定度在剥离面积不超过50%区间相关性较差,由于现在规定残留稳定度满足75%的要求,因此也不能说抗剥离性一定没有问题。图2 残留稳定度和剥离面积率的关系另一方面,浸水车辙实验(铺装试验法便览374)结果（以下称浸水WT剥离率）和现场剥离率间有较好的相关关系,如图3所示。一般浸水WT剥离率5%的骨料,采用变更材料或采取抗剥离措施(使用消石灰或抗剥离剂)解决抗剥离性问题。2)密水性 高性能路面由于雨水经表面层流至下面层上,再由下面层表面排至两侧排水盲沟导出路面,因此要求下面层所用沥青混合料具有高密水性。图4为评价下面层沥青混合料的密水性,采用马歇尔试件进行加压透水试验(JIS A 1218,压力500Kpa)的试验结果。从该试验可看出,为了提高下面层的密水性,采用减少混合料设计空隙率的措施是有效的。根据这一结论,分别对高性能路面下面层所用混合料的适用性分析如下：图4 沥青混合料的空隙率与透水系数2、 不同条件下面层的防水措施1)一般路基虽然减少混合料空隙率可提高路面密水性,但一般认为,空隙率小的混合料由于交通荷载的过度压密而容易产生流动的倾向。图5列举了通过JH试验研究所的环道试验,求得的下面层动稳定度和表面层车辙量的关系。图5 环道试验车轮通过次数与面层车辙深度关系图即使在表面层采用高DS的高性能路面,当下面层耐流动性不足时,路面整体仍然会产生较大的变形。根据这一结果,为了充分发挥高性能路面应有的耐流动性,有必要确保下面层也具有一定程度的耐流动性。根据以上分析结论,日本道路公团从1999年7月修订了设计要领,在一般路基采用高性能路面时, 下面层按表1选用密水性高的沥青混合料,同时有必要确保下面层混合料达到规定的耐流动度。考虑到以往的实际效果,下面层动稳定度要求1000次/mm。表1 马歇尔试验标准和动稳定度指标项目下面层混合料密级配上面层时高性能上面层稳定度(kn(kgf)6(600)流值(1/100mm)1540空隙率(%)3635饱和度(%)65807085浸水马歇尔残留稳定度(%)(60,48h)75对应于马歇尔密度现场压实度(%)96动稳定度(次/mm)1000(指标值)2)桥面防水措施的必要性日本道路公团施工的高速公路的桥梁,桥面一般为水泥混凝土结构,钢桥面只在一部分大桥中应用。水泥混凝土桥面的破坏形态,主要是由于行车重复荷载冲击剪切疲劳破坏所致。特别是在雨水等水分渗入裂缝中时,由于渗透水的泵吸作用,加剧了混凝土的研磨现象,其疲劳强度可能降低为干燥时的1/101/100。 由于上述原因,为了提高桥梁整体耐久性,重要的是防止水分渗入桥面板。日本高速公路采用在桥面板上全面加铺防水层,防水层是由防水材料薄层和粘结材料组成。另一方面,桥面铺装对确保行车通畅和安全,保护桥面承受行车荷载和气候影响具有重要的作用。以往桥面铺装表面层也采用密级配沥青混合料,该层与防水层共同防止水分向桥面板渗透,但当表面层采用高性能面层后,如图6所示,因为只有整平层具有防渗效果,因此增加了向桥面板渗水的可能性。密级配t=4cm(D=13mm)整平层t=3.5mm(D=13mm,密级配)防水功能层 3.5cm防水功能层7.5 cm高性能铺装t=4cm(D=13mm)整平层t=3.5mm( 混 合 料 分 析 ) 桥面防水层 桥面防水层以往桥面结构 表层采用高性能面层时图6 桥面铺装层结构为了使桥面铺装比一般路基上的面层有更好的防水功能,为了在采用高性能面层后桥面板上的路面保持与过去原来的桥面铺装有相同的防水效果,有必要选用较以往使用的整平层有更好密水性的混合料类型。混合料类型分析在高性能路面下的整平层中,作为具有要求性能的混合料,JH对沥青马蹄脂碎石(以下简称SMA)进行了分析研究。SMA在德国是作为耐磨耗措施开发的一种面层结构,如表2所列, 表2 不同混合料的比较混合料类型SMA（13）密级配混合料高性能面层使用沥青类型直馏或改性沥青直馏或改性沥青高粘度改性沥青添加料植物纤维等无无2.36mm(%)20353550102174m(%)8134827空隙率（%）243520沥青用量（%）约6.5约5.8约5.0石粉量（%）约10约5约4动稳定度（次/mm）10001500（直馏）5001000（直馏）3000（高粘度）SMA中粗骨料比密级配沥青混合料多,由于粗骨料间的嵌锁效果,因此SMA面层可望有较好的耐流动性。另一方面,如图7所示,由细骨料、沥青、石粉、纤维形成的沥青胶砂成分填充了粗骨料间部分空隙,因为设计空隙率较小,因此增加了面层耐磨耗效果,而且也是一种密水和不宜产生变形的优质混合料.图7 密级配混合料和SMA的结构为了验证SMA的防水效果,进行加压透水试验(JIS A 1218)，比较SMA与密级配沥青混合料的透水系数如图8所示。图8 混合料类型和透水系数试验所用试件,均为最大粒径13mm的马歇尔试件,SMA的沥青用量6.7%(空隙率3%),密级配的沥青用量5.5%(空隙率5.0%)。因为设计空隙率不同,因此SMA的透水系数明显较小,即使3cm厚较薄的试件，也比4cm厚密级配混合料有更好的密水效果,因此可以采用SMA结构提高密水性。为了使桥面铺装层能适应桥面的弯曲变形,也对混合料进行了相应的研究。评价弯曲变形的方法采用双支点中间加载的弯曲试验法(铺装试验法便览3-7-5)。图9为-10低温条件下混合料的破坏应变试验结果。SMA和标准的密级配下面层混合料相比,SMA有更好的抗弯曲变形能力。 图9 混合料类型和破坏应变比较层厚分析以往桥面铺装层厚度设计为7.5cm(其中表面层厚度为4 cm),但由于实际桥面的不平整,往往不能确保整平层厚度3.5cm,从而难以施工,桥面铺装防水效果也可能显著降低。为了分析SMA的现场适用性,于19981999年度在全国15座桥上铺筑了不同厚度整平层试验段,在现场分析了层厚对施工工艺和质量的影响.上述试验比较结果，若铺装层厚度太薄,施工时混合料温度急速降低,碾压时产生轮胎压路机粘轮,路面表面产生剥落(照片1),试验结果(图10)表明,要达到要求的压实度非常困难。图10 SMA （13mm）的施工厚度和压实度空隙率关系图照片1 整平层混合料粘轮现象对最大粒径13mm的SMA混合料整平层厚度偏薄时,虽然可考虑将最大粒径改为5mm，但实际整平层厚度设计为35mm时，由于混凝土桥面高程的施工允许误差为25mm,因此整平层的最小厚度可能仅为10mm,这种条件下,根据图11所示的全国施工试验的结果,即使采用最大粒径5mm的SMA,也难以得到要求的压实度。 图11 SMA（5mm）的施工厚度和压实度空隙率关系图此外,为了研究施工机械的影响,改变机械组合进行试验施工,在相同厚度条件下,采用两种摊铺压实方法(单层和双层压实)和两种压路机(钢轮和常用垂直震动型),按表3所示不同组合施工。由于在12月施工,混合料温度降低较快,如图12所示,虽然设计空隙率3%,但实测整体空隙率较大,GL试验段使用最大粒径5mm的SMA现场空隙率均较大。特别是铺装厚度2cm 的薄层I.L试验段,碾压困难。表-3停车场试验段施工机械组合最大粒径13mm最大粒径5mm试验段ABCDEFGHIJKL单层施工 双层施工纲轮压路机震动式压路机铺装厚度(cm)4.04.02.54.04.02.54.02.04.04.04.02.0完工厚度(cm)3.74.42.74.73.94.13.42.63.93.53.52.3空隙率（%）5.45.16.84.34.25.59.810.47.15.95.98.2压实度96.897.095.397.997.996.692.591.995.396.696.694.2各试验段空隙率（试验施工结果）图12 停车场试验施工结果此外,变更施工机械试验结果,双层式摊铺可得到较高压实度,最大粒径5mm的试验段,即使改变施工机械也无法达到要求的压实度。根据上述试验结果,为了保证桥面最高部分完工厚度满足整平层3.5cm的设计厚度,应将如图13所示新桥桥面整平层的设计厚度由3.5cm改变为6cm 。图13 水泥混凝土桥面铺装结构的变更另一方面,在旧桥上按接缝提高等条件,能确保整平层厚度时,希望采用最大粒径13mmSMA,在难以保证厚度时,可采用最大粒径5mm的SMA。此外,整平层采用SMA时,从延长桥面使用寿命和耐久性的观点出发,有必要设置防水层。在钢桥面上,除特殊场合外,采用浇注式沥青混凝土作整平层时,可兼有防水层功能。3)隧道等其他路段在隧道内等连续配筋混凝土板(以下称CBC)作为基层的复合式路面区段,为了防止表面发生反射裂缝,以防止雨水从高性能路面表面层渗入CBC为目的,在CBC上应设置中间层。为求得该类复合式路面中间层防止反射裂缝的效果,进行了相关试验,结果如图14所示: 图14 下面层混合料类型和裂缝产生的关系这是在路面上产生反射裂缝的环道模拟试验结果(下层设置高弹性路面,单轮荷载2.5t ,行走速度10km/h,在地温0条件下试验),用不同类型混合料面层发生反射裂缝的车轮通过次数表示。在该试验中,无下面层和3cm厚下面层试验段在试验过程中还产生了坑槽。不同混合料中的SMA和浇注式混合料(厚度均为2cm) , 尽管厚度较标准的下面层混合料路面厚度薄,但产生开裂较迟,由于也未发生裂缝以外的损坏,因此分析认为具有防止反射裂缝的效果。因此,根据前述SMA试验路的研究成果,为了在工程中确实发挥组合式路面中间层的功能作用,分析认为中间层应采用最大粒径13mm的SMA结构(厚度4cm)。1)结论根据上述研究结果,对应高性能路面不同的工程条件,日本道路公团(JH)在高速公路中的防水措施列示于图15。表面层：高性能路面一般路基 高性能路面专用下面层 （20mmTOP）水泥混凝土桥面 SMA6cm (13mm TOP)隧道内等CBC+SMA4cm(13mmTOP) 图15 高性能路面下面层混合料类型 3.高性能路面使用状况现在使用的铺筑了高性能上面层的路线,尚未采用上述防水措施,一般路段在下面层以下还保留有从开始建设至今的老配合比的混合料。2000年对铺有高性能路面的通车路段进行了病害调查,结果如图16所示： 报告件数=278件图16 高性能路面的病害分类（一般路基）病害的主要类型是车辙外侧的局部流动(照片2)、照片2 高性能路面的局部流动车辙例开裂、坑槽等。分析这些病害的原因,认定是受高性能上面层雨水渗透的影响,促使下面层损坏和层间粘结力降低。虽然损坏的规模不大,但由于雨水渗透,下面层以下材料变差和基层的泵吸作用(照片3)等,将使路面结构的破坏加剧,因此应进行下面层可靠性调查。 照片3 高性能路面的泵吸例今后,掌握病害发生的可能及下面层的状况,在通车路线上为改善路面质量而加铺高性能面层时,对可能产生问题的下面层应预先分析采取必要的技术措施。结语表层采用高性能面层时,对应于不同的路段要求下层混合料具有密水性、抗剥离性和耐流动性,并具有抗变形和应力缓冲效果,同时还有必要考虑施工厚度、施工条件,选择合适的材料和混合料类型。现在,养护部门正在进行的路面提高工程,由于旧路面结构和混合料的可靠性,担心在高性能面层加铺的同时,有导致路面强度大幅降低和产生路面病害的可能,因此急需做好事前评价并采取相应措施。参考文献:略译注：本篇论文介绍了日本高速公路近年来的发展方向和以下重要科研成果：1. 排水式（高性能）面层在日本高速公路中的发展和应用；2. 用马歇尔试件进行混合料透水试验的方法；3. SMA和AC混合料密水性的比较；4. 面层厚度和压实效果、