PAC,排水沥青路面在沈海高速公路泉厦段养护工程中的应用

■黄汉东

（福建泉厦高速公路管理有限公司，厦门 361021）

泉州市地处福建东南沿海，雨量充沛，雨季长，瞬时降雨强度大，年平均降雨量达1400 mm，特别是每年的5—8 月份降雨量居多，雨水天气在密级配沥青路面表面易形成水膜。

泉厦高速公路于2010 年扩建成双向八车道路面，原路面表面层结构为SMA-13 型，扩建后局部路面宽度增大，地表水径流出行车道范围的距离也就增加，在强降雨期间容易产生道路表面瞬间滞水，车辆高速通过这些路段时，路面表层将会产生一层水膜，对道路交通安全主要会产生2 方面影响：一是减少了行车轮胎与原路面的磨阻力，容易发生车辆失控而造成事故问题；
二是路表面水膜在行车轮胎胎纹作用下而形成水雾，影响雨水天气行车视认效果。

为此，针对多车道高速公路超高缓和段，路表水径流距离长、汇水面积大的特殊路段，暴雨天气路面排水不及时的情况，在养护工程中采用排水沥青路面罩面技术，以提高雨天路面的排水性能和道路的行车安全水平。

排水沥青路面（Porous asphalt pavement）是空隙率高达18%以上的沥青混合料路面，该路面的空隙率远大于AC 类或SMA 类沥青路面3%～6%的空隙率，功能优势主要表现为：一是路表水通过其多空隙率结构层实现快速渗入路面内部并向坡度较低一侧排出路外；

二是行车轮胎胎纹内的水膜，在轮胎压力作用下瞬间挤入多空隙结构层，大幅减少轮胎吸附后产生的行车水雾；
三是多空隙能够有效吸收并释放行车轮胎产生的噪音，从而有效降低行车噪音，提高行车舒适度[1]。

沈海高速公路泉州至厦门段（以下简称“泉厦高速公路”）于2010 年扩建为双向八车道，路面全宽42 m，自扩建以来交通量与日俱增，2018—2020 年平均日交通量达到5.61 万辆。扩建后的成洲特大桥起始段落（BK2241+819～BK2241+210）形成了多车道、缓纵坡与超渐变段重叠段、设超高的左转弯道路段， 雨水通过路面径流方式无法及时排出路外，在路表积聚形成水膜， 对道路行车安全造成影响，形成交通事故隐患点。在路面养护工程中采用4 cm的PAC-13 排水沥青路面进行加铺罩面，利用表面层内的较大空隙率排水，提高了路面的排水和抗滑性能，降低了行车轮胎噪声，消除了雨天行车安全隐患。

在实施过程中通过材料的选择、配合比的设计和施工前后场的质量管控等措施，克服了骨架—空隙结构抗永久变形能力低、易剥落、对水敏感等缺陷问题， 有效提高排水沥青路面的路用性能，延长路面服务寿命。

PAC 沥青混合料的特点是以粗骨料为主形成沥青混合料嵌挤骨架结构，含有少量细集料、具有较大空隙，与通常AC 类混合料级配相比，其粗集料占比增加了大约46%，形成骨架—空隙结构，从而达到快速排水、行车安全（抗滑）、减小噪音污染等路用性能。

简单采用提高沥青含量的方式来提高PAC 路面抗永久变形能力、抗剥落、对水敏感性、耐候性及抗疲劳等性能，容易导致施工中出现混合料“析漏”现象，经试验数据对比证实，解决该问题的关键是提升沥青胶结料及混合料的性能。

沈海高速泉厦段地处亚热带气候区域，夏季高温多雨，特别是桥梁弯道处，受力状况严苛、复杂，这对PAC 沥青混合料的综合性能提出了更高要求。为了实现预期效果，避免早期病害发生，就骨料、细集料的选择，级配、黏结料技术指标的确定做了试验与验证。

结合路段设计交通量和气候条件进行沥青胶结料与矿料选择，分析混合料的体积性质是否满足当前路面使用的性能。

关于胶结料性能的提升，高粘度改性沥青的评价指标尤为重要，需特别考虑抗变形能力、抗疲劳及高粘度性能等。

对比分析采用普通符合排水性路面规范用高粘度改性沥青及高性能改进型高粘度改性沥青的2 种混合料方案，提出最终的实施方案。

2.1 材料

2.1.1 粗、细集料

PAC 沥青混合料优选的碎石集料与沥青粘附性等级高，软石含量少，并具有高耐磨耗性、高耐破碎性。结合PAC-13 混合料的最大公称粒径（13.2 mm）对应的关键性筛孔尺寸为2.36 mm 的情况，为进一步提高粗集料骨架的相互嵌挤，增强混合料的高温稳定性，对关键性筛孔以上的粗集料碎石提出了更高的针片状含量控制指标；
本项目PAC-13 混合料集料选用漳平浩元碎石场生产的优质玄武岩，其粗、细集料试验检测指标见表1、2。

表1 粗集料试验检测结果

2.1.2 填料

排水沥青混合料采用石灰岩和岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料磨细的矿粉作为填料，填料应保持干燥无风化、 洁净无杂质。

该工程PAC-13选用的矿粉试验检测指标见表3。

表2 细集料试验检测结果

表3 填料试验检测结果

2.1.3 沥青黏结料

普通型沥青黏结料是指满足现行排水沥青路面规范的高粘度改性沥青，高性能改性沥青胶结料则指一种工厂化生产的成品改性沥青，采用大比例的高聚物经复合改性而来。

为了更有效的评价沥青黏结料的路用性能，项目根据气候条件、路面载荷、运行速度等数据收集，采用SHAP 胶结料性能指标进行基准计算，以基础数据为依据，采用MSCR 的测试方法，对黏结料路用疲劳性能进行评估。

研究中增加88℃车辙因子G*/sinδ 以评价高温抗变形能力；
增加高64℃多级蠕变恢复实验MSCR 测试不可恢复蠕变柔量Jnr 及蠕变弹性恢复Rec 以评价沥青材料延迟弹性状态下的高温抗变形及恢复能力；
增加PAV 压力老化模拟沥青摊铺到路面的长期老化并测试老化后的改性沥青25℃疲劳因子，以评价材料的疲劳性能；
在高粘度技术指标60℃动力粘度的基础上，增加60℃复数模量G*保障胶结料在石料表面有较大的油膜厚度从而提高路抗疲劳性能。

在现行标准的基础上同时采用了与项目所在地气候特征有关的基于性能的抗车辙与抗疲劳指标，2 种沥青胶结料的技术性能见表4。

表4 沥青胶结料技术性能指标

2.2 排水沥青混合料级配设计

2.2.1 目标空隙率的选择

研究表明[2]，沥青混合料空隙率大于15%时，混合料内部方可形成连通的空隙网络，路面雨水可以在混合料的内部无碍流动，因此透水沥青混合料的空隙率要大于15%，多数情况下在18%～25%范围内选取，而空隙率过大则对“骨架—空隙”结构的稳定性十分不利。

该工程处于多雨的南方地区，为了能够兼顾排水功能和结构稳定， 因此该工程PAC-13 选取20%的空隙率为目标空隙率。

2.2.2 级配选取

通过对各档矿料进行筛分试验得出各档矿料的级配数据，经过计算合成目标矿料级配，掺配比例为10～15 mm∶5～10 mm∶3～5 mm∶0～3 mm∶矿粉=50∶31∶5∶11∶3，筛分试验结果见表5，合成级配见表6、图1。

图1 PAC-13 目标级配曲线图

表5 PAC-13 矿料筛分试验结果

表6 PAC-13 目标级配通过率

2.2.3 沥青用量的确定

先通过膜厚法预估（沥青膜厚度选取为14 μm）排水沥青混合料PAC-13 的沥青用量，再以预估的沥青用量基于马歇尔试验、谢伦堡析漏试验和肯塔堡飞散试验，确定最佳沥青用量为5.4%。

2.2.4 混合料性能

为形成有效对比，排除干扰因素，2 种对比方案采用了上述选定的矿料级配，在相同沥青用量下，2 种混合料压实试件的空隙率略有差异。

为排除差异，改进型混合料的沥青用量在普通型的基础上略有调整，最终2 种方案下压实沥青混合料的空隙率处于基本相同的水平。

在此基础上进行沥青混合料的综合性能对比，结果见表7。

表7 PAC 混合料路用性能检测结果

由实验数据可以看到：（1）黏结料的高温复数剪切模量G*较普通型提高了约2.7 倍，中等温度的疲劳因子降低了34%；
（2）软化点高达98℃，较普通型提高了12℃；
（3）更高的韧性与延度，沥青膜在中低温下具有较好的柔韧性与延展性；
（4）更高的粘度，减小了析漏，沥青膜的涂敷更为均匀。

分析可知， 在级配不变且空隙率维持在相同水平的情况下，采取改进措施后PAC 混合料的综合性能均有不同程度的提高， 高性能改性沥青在多方面实现了PAC 混合料性能的提升，主要体现在：（1）88℃车辙因子G*/sinδ、60℃复数模量、64℃MSCR 较普通型高出较多， 材料的高温抗变形能力及恢复能力提高，进一步确保了沥青的高温粘度，保障胶结料在石料表面有较大的油膜厚度；
（2）PAV 老化后的25℃疲劳因子确保材料疲劳性能；
（3）170℃粘度较普通型更高，在满足混合料流动性的前提下，保障施工时沥青在油石比较高的情况下不发生析漏，保障沥青膜的均匀性。

因此，采用高性能改性沥青这种均质化工厂改性的方案，使沥青胶结料的性能显著提高，并且高聚物弹性体复合改性赋予了沥青胶结料更高的弹性比例，混合料的高低温及疲劳性能改善尤为突出，因而本项目PAC 混合料最终采用改进Ⅰ型混合料。

排水沥青混合料仍然属于热拌沥青混合料，其施工工艺与普通的热拌沥青混合料相似， 由于材料、级配等不同，排水沥青混合料有着自身独特的施工特点，作为高速公路养护用的排水沥青混合料又具有其特殊性，本文结合该工程就排水沥青混合料PAC-13 在高速养护中的施工进行探讨。

3.1 温度要求

排水沥青混合料拌和设备采用间隙式沥青混合料拌和机， 温度对排水沥青混合料至关重要，应严格加以控制，其施工温度见表8。

表8 排水沥青混合料PAC-13 施工温度范围要求

3.2 桥面钢筋混凝土铺装层防水要求

由于该工程中排水沥青混合料PAC-13 属于排水功能层，雨水从路表进入结构层间连通的空隙由综合排水坡度方向自由流出路面层，为防止雨水顺着该层向下进入中面层及以下层次，对以下层次及路基造成损坏，同时，为增强排水沥青结构层与桥梁水泥混凝土铺装层间的黏结效果，本项目在摊铺排水沥青层前，采用热沥青碎石封层技术做好黏结防水封层。

3.3 排水沥青混合料拌合、运输、摊铺、碾压要求

（1）混合料拌和采用间歇式拌和机，由于PAC-13 混合料所采用的高性能改性沥青黏度较高，为保证拌和均匀、所有矿料颗粒应全部裹覆沥青结合料为度，无花白料、无结团成块或严重的粗细集团分离现象，通过拌和楼测算确定每盘排水沥青混合料的生产周期不少于60 s，其中干拌时间不应少于10 s。

（2）由于排水沥青混合料的空隙较大，相应混合料的温度也较密实型沥青混合料损失较快，因此，应加强混合料在运输过程的保温措施，摊铺机必须缓慢、均匀、连续不间断摊铺，钢轮压路机及时抵近摊铺机做好初压工作，复压紧接着初压进行，宜静压2～4 遍；

待混合料表面温度降低至80℃～100℃时采用胶轮压路机终压1～2 遍，但要注意防止发生温度过高产生推挤等形变。

3.4 交通控制要求

排水沥青路面施工结束后，待到表面温度自然冷却至50℃以内方可开放交通。

4.1 压实度及空隙率检测情况

PAC-13 排水沥青路面摊铺完成后，随即开展路面的压实度及空隙率检测，各项数据表明本次PAC-13 排水沥青路面的性能指标均能满足规范及预期效果，达到较好的施工质量控制效果，路面压实度、现场空隙率检测平均值结果见表9。

表9 路面压实度、现场空隙率检测结果

4.2 路用性能跟踪检测情况

本项目摊铺完成后分别于2020 年7 月、2021年7 月、2022 年7 月对路面的构造深度、渗水系数、平整度、车辙及抗滑性能、行车噪音等路用性能指标进行跟踪检测，做好PAC-13 路面使用性能评价。

4.2.1 路面构造深度

构造深度跟踪检测结果（表10），表明：PAC-13排水沥青路面铺筑投入运营使用2 年以来，路面构造深度仍保持在1.49 mm 且衰减较小，为行车提供较好的安全保障。

表10 构造深度跟踪检测情况（单位：mm）

4.2.2 渗水系数

渗水系数跟踪检测结果（表11），表明：PAC-13路面投入使用2 年来，路面渗水系数仍保持在设计规范值以上，这得益于使用过程中受到行车快速通过时轮胎胎纹吸附作用产生冲刷力来达到PAC 路面层间的自清洁功能，一定程度上减少或抑制了排水沥青路面层间空隙的阻塞，使得PAC 路面排水功能长时间内得到有效维持。

表11 渗水系数跟踪检测情况（单位：mL/min）

4.2.3 路面行驶质量指数、车辙深度指数、抗滑性能指数

表12 的检测结果表明：
铺筑完成后排水沥青路面的路面行驶质量指数、车辙深度指数、抗滑性能指数均能达到优，使用2 年以后各项指标仍保持在优以上， 得益于PAC-13 混合料配合设计合理，路面整体性能指数较为稳定，从侧面也反映出PAC排水沥青路面路用性能指标使用一段时间仍保持在较好水平上。

表12 百米路面行驶质量指数、车辙深度指数、抗滑性能指数跟踪检测情况

4.2.4 噪音效果

本项目检测采用同一部车辆在同等行驶速度下，使用同一台噪音检测仪检测，沿线对其他路面结构的行车胎噪进行比对，具体如下：密实AC 类沥青路面行车胎噪平均为66 dB、SMA 型行车胎噪平均为61 dB、PAC 型路面行车胎噪平均为57 dB，由此可见，PAC 沥青路面行车产生的胎噪明显小于其他路段；
使用1 年的PAC 路面行车行车胎噪平均值为59 dB，使用2 年的PAC 路面行车胎噪平均值为60 dB，整体使用情况仍处于较好的水平。

4.2.5 路面运营安全情况

该区域2018 年7 月—2020 年6 月，平均日交通量5.61 万辆，年平均降雨天数101 d，雨天事故量为23 起。排水沥青路面加铺后，2020 年7 月—2022 年7月，平均日交通量5.58 万辆，降雨天数99 d，雨天仅发生事故1 起。

调查发现，该起事故的主要原因是货车驾驶员疲劳驾驶。

由加铺排水沥青路面前后事故发生情况分析，该段道路行车安全得到有效保障。

通过以上路用性能比较可以看出，相比于普通沥青混凝土路面，PAC-13 路面排水效果良好，通车至今未再出现路面积水状况，有效消除了路面积水导致的交通事故隐患，保障了行车安全，该工程普通沥青路面与排水沥青路面雨天实拍行车对比图见图2。

图2 雨天实拍行车对比图（左侧为普通沥青路面，右侧为排水沥青路面）

本文依托沈海高速公路泉厦段路面提升工程BK2241+819～BK2241+210（成州特大桥），针对超高缓和段内路面综合坡度较小且路面横断面较长，雨天路表面易形成水膜，甚至部分形成积水，影响行车安全的路面问题，开展了排水沥青路面技术研究，内容包括原材料试验、排水沥青混合料组成设计、排水沥青路面施工、路用性能检验等。跟踪检测与实践结果表明， 该工程排水沥青路面具有良好的路表服务特性，设计方案与施工工艺合理，质量可靠，性能优良，解决了路面积水问题，确保道路安全畅通。