程 伟 王 博 虞将苗 罗传熙

(安徽省交通控股集团有限公司1) 合肥 230000) (华南理工大学土木与交通学院2) 广州 512000)

0 引 言

现阶段我国桥面铺装结构理念均是通过设计密实的沥青混凝土让雨水无法下渗，从而使雨水通过路面表面进行排除[1-2]，但这种设计理念未考虑因施工离析或后期裂缝而渗入的雨水的排除.目前暂未发现有不同于该设计理念的桥面铺装结构的应用.此外，桥面铺装结构所承受的温度特性加剧了其早期破坏的现象，传统桥面铺装层的温度在中午至前半夜会高于路面铺装层的温度，两者差值最高可达8 ℃[3].这是由于桥面铺装结构受到“双面加热”的原因，并且桥面铺装结构无法像路基路面结构一样可将热量传递到路基内，因此，桥面铺装结构极易在行车荷载、雨水和温度的耦合作用下导致沥青铺装层出现坑槽、推移、车辙等病害现象.

本文通过设计含有大孔隙排水调温层的铺装结构以此来解决渗入路面结构的雨水与其承受的高温问题，见图1.由于其大孔隙的原因，可将渗入雨水从其连通的空隙迅速排出路面结构，同时可降低桥面铺装结构的工作温度，减小承受高温的时长.本文通过在济祁高速利辛至淮南段铺筑含有大孔隙排水调温层的桥面铺装结构实体工程，并设置温度和湿度传感器监测其渗入雨水的情况与其承受高温的情况.

图1 桥面铺装结构示意图

1 室内实验

为了实现排水调温层的大孔隙特性，采用CAVF法进行级配设计[4]，目标空隙率设定为25%，级配情况见图2.沥青采用广东鑫大高黏高弹双指标SBS改性沥青，指标见表1；碎石采用东海安峰山石料厂玄武岩.在依据文献[3]进行沥青混合料配合比设计后，针对疲劳性能进行了比较实验，对比大孔隙排水调温混合料、普通SBS改性沥青SMA-13(油石比6.2%)和普通SBS改性沥青AC-13C混合料(油石比5.1%)的四点弯曲疲劳试验结果见表2(标准试验条件：800微应变，15 ℃测试环境温度).可见大孔隙排水调温混合料疲劳寿命远高于SMA-13与AC-3C的疲劳寿命.

图2 目标级配与生产级配

表1 高黏高弹双指标SBS改性沥青检测结果

表2 疲劳试验结果

2 实体工程

2.1 桥面铺装

大孔隙排水调温层混合料由于其沥青与级配和普通沥青混合料不同，其施工方法也有不同，主要体现在温度与碾压的控制上.高粘高弹沥青加热温度控制在180～190 ℃，石料加热温度控制在190～210 ℃，混合料出料温度控制在180～210 ℃.由于大孔隙排水调温层混合料采用断级配形式，且厚度较薄，其依靠摊铺机熨平板振动夯实基本可达到90%的压实度，因此在碾压方面只需采用11～13 t双钢轮压路机进行前静后振三遍即可.为避免出现堵塞孔隙的情况，在完成大孔隙排水调温层混合料施工后，应尽快进行上面层施工.

2.2 传感器布设

数据采集系统采用某公司的dataTaker系列数据采集主机DT80，DTU无线模块、PT100型温度传感器和FDS-100水分传感器，传感器性能参数见表3.

表3 传感器参数

传感器分别埋设在紧急停车道中心位置(距路面边缘1.7 m)与重车道中心位置(距路面边缘5.3 m).数据采集系统一共布设八支温度传感器和四支湿度传感器(每二个温度传感器与一个湿度传感器为一组)，其中温度传感器布设在大孔隙排水调温层顶面与底面，湿度传感器布设在大孔隙排水调温层底面，断面布设示意图见图3，传感器布置方案见表4.

图3 传感器布设断面图

表4 温度传感器布设方案

3 数据分析

3.1 调温功能

本文采集了2016年11月20—2017年8月9日的大孔隙排水调温层的温度与湿度数据，其中数据采集频率为10 min采集一次.查阅历史温度记录可知：2017年2月9日出现最低气温(当天最高温度为5 ℃，最低温度为-3 ℃)，2017年7月24日出现最高气温(当天最高温度为39 ℃，最低温度为30 ℃)，2017年2月9日传感器温度变化见图4所示，2017年7月24日传感器温度变化见图5.

图4 2017年2月9日温度数据

由图4可知排水调温层顶面位置于2017年2月9日07：30出现最低温度-3.00 ℃，排水调温层底面位置于2017年2月9日08：00出现最低温度为-1.56 ℃.在00：00-09：00与18：00-00：00期间排水调温层顶面位置温度较排水调温层底面位置温度低，09：00-18：00期间排水调温层顶面位置温度较排水调温层底面位置温度高.太阳辐射是造成路面结构内部温度交替变换的主要原因之一，当存在太阳辐射时，沥青路面表面温度快速上升，由于热量传播的关系，路面结构整体温度整体上升，排水调温层顶面最高温度达到10.02 ℃，而同一时间排水调温层底面位置温度只有6.42 ℃，两者温度相差3.6 ℃，可见热量的传播随着深度的增加而递减.当太阳辐射消失时，路面结构内部热量将进行由内至外的反向传播.由于热量传播方向的转变形成了路面结构内部不同深度位置温度交替变化的现象.

图5 2017年7月24日温度数据

由图5可知，排水调温层顶面位置于2017年7月24日14：30出现最高温度61.56 ℃，排水调温层底面位置于2017年7月24日15：30出现最高温度为54.89 ℃.在高温时期，沥青路面受太阳的辐射的影响同样存在路面结构内部不同深度位置温度交替变化的现象.当存在太阳辐射时，排水调温层顶面位置温度开始急速上升，且最高温度达到61.56 ℃，而排水调温层底面位置温度上升速率明显较缓慢，且同一时刻温度只有54.2 ℃，两者温度相差7.36 ℃.

经验表明在一般桥面铺装的中面层顶面与底面温度差只有1 ℃左右[5](中面层顶面最高温度为39 ℃).2017年7月7日最高气温为30 ℃且大孔隙排水调温层顶面最高温度为39.15 ℃(见表5)，但大孔隙排水调温层顶面与底面温度差为4.94 ℃，可见大孔隙排水调温层可明显降低桥面铺装结构温度.另一方面，在低温时期，大孔隙排水调温层顶面与底面的温度差为3.6 ℃，而在高温时期大孔隙排水调温层顶面与底面的温度差为7.36 ℃，可见随着温度的上升，大孔隙排水调温层顶面与底面的温度差在逐渐变大，说明大孔隙排水调温层的调温作用随着温度的升高进而充分的体现出来.

在太阳辐射的作用下，2017年7月24日排水调温层顶面位置温度高于50 ℃的时长为500 min，而排水调温层底面位置温度高于50 ℃的时长为400 min，两者时长相差100 min；排水调温层顶面位置温度高于60 ℃的时长为160 min，而排水调温层底面高于60 ℃的时长为0 min，两者时长相差160 min(具体数据见表6).可见通过大孔隙排水调温层的调温作用后，沥青层所承受的高温时间将大大减少.综上而言，大孔隙排水调温层可明显降低铺装结构温度，进而提高路面抗车辙能力与路面抗疲劳能力，从而有效延长桥面铺装结构使用寿命.

表5 2017年7月7日温度数据

注：上述顶面与底面均为大孔隙排水调温层顶面与底面

表6 2017年7月24日温度数据

3.2 排水功能

传统桥面铺装结构设计理念是通过设计密实的沥青混凝土进而使雨水通过路面表面排除，而不渗入路面结构内部.研究可知密实型沥青路面在密度的情况下水分传递的滞后时间超过4 h，且湿度逐渐缓慢变化[6-8]，见图6.由图6可知，3月份存在5次路面结构内部湿度迅速提升的现象，因此，可知现实中桥面铺装结构无法实现完全的封水，当雨水降落至沥青路面时，往往会从沥青路面的边界、微裂缝与局部空隙率偏大的区域(摊铺离析)渗入路面结构，从而造成沥青路面早期水损害的现象.

图6 2017年3月的湿度数据

排水调温层由于采用了大孔隙沥青混合料铺筑，渗入路面结构的雨水可通过其连通孔隙直接排出路面结构，见图7.13：20时大孔隙排水调温功能层湿度传感器3位置的含水率迅速提升，在10 min内湿度从2.33%上升到30.55%；00：10时大孔隙排水调温功能层的含水率迅速下降，在50 min内湿度30.13%降至8.96%.说明大孔隙排水调温功能层能快速的排除渗入路面结构的雨水.

图7 降雨期间湿度数据

由图7可知，湿度传感器1含水率上升的时间较湿度传感器2，3有50 min的延迟，分析其主要原因有两个方面：①大部分降雨已沿着路面流入急流槽，只有部分雨水渗入路面结构，因而无法同时使不同位置的含水率快速上升；②该桥面铺装为新建项目，路面结构并未存在裂缝等病害，且未见明显离析现象，因此路面渗水的主要途径为沥青路面与新泽西护栏的接触面，而湿度传感器1与湿度传感器2、3布设位置分别是距边缘1.7 m与5.3 m，再者渗入的雨水需要通过大孔隙排水调温层的连通孔隙流动，所以渗入水需要较长的时间才可以影响到湿度传感器1.同时湿度传感器1含水率降低的时间较传感器2含水率降低的时间晚也可以充分的证明这一分析.

此外，可以看到在含水率迅速下降后传感器1的含水率高于传感器2的含水率，雨水最后汇集到边部，所以靠近边部的路面结构含水率偏高.同时经过降雨后每一个传感器的所监测到的含水率都较之前的高，而且后期含水率下降速度非常缓慢，这是因为当最后少量的渗入水无法形成流动水时，这些渗入水只能通过缓慢的蒸发来排除，因此无法形成动水冲刷.

综上所述，桥面铺装结构是无法完全封水的，即使在新建项目上，路面结构也会渗入雨水，雨水主要通过沥青面层与边部混凝土接触面渗入，虽然渗入的量较小，但已足够形成流动水，这也意味着将形成动水冲刷.随着路面使用年限的增加，从路面病害处(如裂缝)渗入的雨水将会逐渐增加，从而加速路面的破坏.本文所设计的大孔隙排水调温层可迅速排除渗入路面结构的雨水，避免形成动水冲刷等危害路面结构的情况.

4 结 束 语

与过往设计思路不同，本文设计的桥面铺装结构主要以排水降温为主.研究发现大孔隙排水调温层可明显降低沥青层的温度，减少沥青层经受高温的时间；通过湿度传感器的监测证明即使是新建桥面铺装结构也会有雨水下渗并形成流动水，即可能形成动水冲刷的情况；通过研究沥青层的含水率变化情况证明大孔隙沥青混合料可将渗入的雨水快速排出沥青层，避免形成动水冲刷.通过本文研究证明大孔隙排水调温层可降低沥青层温度并有效排出渗入的雨水，避免形成沥青路面早期病害，有效提升沥青路面使用寿命.