行业知识包 | 双层多孔沥青路面在城市特长隧道中的应用

特长地下道路所处环境特殊，声波在封闭空间内难以扩散，反射和混响导致噪声较大，危害司乘人员身心健康[1]。大空隙沥青混凝土具有排水、降噪等优点[2-4]，但空隙一旦被尘土堵塞，排水、降噪功能均会大幅度衰减[5]。为了改善单层多孔沥青混凝土风沙堵孔及降噪效果衰减过快的问题，欧洲国家率先开发了双层多孔沥青混凝土结构。20世纪90年代，荷兰首先采用了双层多孔路面结构，随后法国、英国等国家也相继采用了这种路面结构[6-8]。我国从21世纪初也开展了相关研究，并在京沪高速、广吉高速和遂宁高速等路段修筑了试验路[7-9]。双层多孔路面结构上层一般为小粒径多孔沥青混凝土，下层为较大粒径的多孔沥青混凝土。小粒径多孔沥青混凝土孔隙小，可过滤路面大颗粒杂物，避免降噪路面整体空隙率下降过快，同时小粒径多孔沥青混凝土均匀细密的纹理使行车噪声进一步降低。国内外双层多孔路面结构信息统计见表1。

由表1可以看出，双层多孔路面结构通常由薄的多孔上面层与厚的多孔下面层组成，其中铺设厚度较大的下面层多孔沥青混合料可采用OGFC-20混合料。该种混合料通常用于排水路面结构层铺装，且属于常见混合料类型，因此不做深入探讨。上面层多孔沥青混合料直接承受车辆荷载，碎石间主要为点接触，易发生集料剥离、松散甚至坑槽等病害[10-11]，从而严重影响降噪效果，同时隧道内养护施工难度大，应尽量保证路面耐久性。基于此，笔者对表层小粒径多孔沥青混合料开展设计研究，增加6.7mm筛孔进行混合料级配优化，综合考虑隧道内降噪需求及耐久性要求，将其应用于城市特长隧道工程中。

试验方法主要依据JTG E20-2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》。为使小粒径多孔沥青混合料具有足够的强度和较高的质量可控度，对级配进行了优化，使粗集料骨架间隙率最小。其中，粗集料骨架间隙率的测试方法见2.1。为评价多孔沥青混合料抗堵塞性能，用黏土模拟路面粉尘对车辙试件进行侵蚀，测试渗水系数的变化，测试方法见2.2。

将不同配合比的粗集料装入圆柱形试桶中，分3次装填，每次捣实25次后用直尺刮平，平行试验3次取均值，测得捣实状态下粗集料的自然堆积密度和毛体积密度后，可根据公式VCA=1－ρ捣实/ρ毛体积计算得到粗集料骨架间隙率[12-14]。

为满足道路通行需求，小粒径多孔沥青混合料作为路面功能层时需具有良好的强度、稳定性和抗滑性能，因此在粒径选择上须进行多方面考虑。根据国内外相关经验，一般选择粒径为5～10mm的玄武岩或辉绿岩碎石作为粗集料，既能满足强度要求，又能形成多孔结构。多孔降噪沥青混合料是典型的骨架-空隙结构，对于小粒径多孔沥青混合料，必须形成良好的骨架才能获得足够稳定的强度，这就需要精细控制粗集料骨架间隙率，形成骨架嵌挤结构，从而达到吸声降噪性能和路用性能俱佳的设计目的。我国现行粗集料粒径(2.36～16mm)范围内相邻筛孔直径差值集中在2.39～3.7mm，而细粒式沥青混合料中作为主要骨架结构的4.75～9.5mm集料筛孔差值达到4.75mm，见表4。

由表4可以看出，4.75～9.5mm粒径范围过宽，集料在满足要求的前提下，可能存在偏粗或偏细现象。集料偏粗会导致集料间接触点位少，混合料强度不足，容易出现集料剥落病害；集料偏细可能无法形成有效数量的骨架，排水降噪能力不足。因此在4.75mm和9.5mm之间增加6.7mm筛孔，以便进一步控制粒径分布，满足路用性能的同时，确保有效数量的骨架形成。6.7mm筛孔将4.75～9.5mm粗集料分为4.75～6.7mm和6.7～9.5mm两档，由于多孔沥青混合料需要具有足够数量的骨架空隙及抵抗变形能力，因此须控制6.7mm通过率高于4.75mm。粗集料骨架间隙率反映了粗集料间骨架支撑的稳定程度，骨架间隙率越小，稳定度越高。改变4.75mm与6.7mm粗集料间的比例，测试粗集料的骨架间隙率，结果见表5。

4.75～9.5mm档粗集料骨架间隙率随着4.75mm与6.7mm筛余集料比例的降低表现出先减小后增大的趋势，4.75mm与6.7mm筛余集料比例为1∶2时，粗集料骨架间隙率为最小值，骨架嵌挤作用最强，后续试验以此为依据进行。

考虑路面排水需求与降噪效果，多孔沥青混合料空隙率一般要求达到18%～25%。该项目位于隧道内，施工难度大，施工对交通影响大，综合考虑空隙率对降噪和耐久效果的影响，将空隙率设定为15%～20%。参考JTG/T3350-03-2020《排水沥青路面设计与施工技术规范》中PA-10级配进行级配设计，取空隙率下限级配(见表6)，以经验油石比5.0%为中值，以±0.5%、±1%的油石比范围确定最佳油石比，并通过调整油石比得到目标空隙率15%、18%和20%。多孔沥青混合料的性能见表7。

由表7可以看出，表征沥青混合料高温性能的动稳定度随空隙率变化较小，且均高于现行排水路面要求的5000次/mm，表明在最小骨架间隙率条件下，沥青混合料抗高温变形能力非常高；但随空隙率增大，沥青混合料的冻融劈裂残留比、低温弯曲应变与飞散损失均变差。

由图2可以看出，塑性指数高的黏土对多孔沥青混合料的堵塞能力更强，而双层多孔路面结构在经历黏土侵蚀后，抗堵塞性能显著优于单层多孔路面结构，可有效延长多孔路面结构的降噪功能有效时间。北京地区2019年平均降尘量为每月5.8t/k㎡，以图2中车辙板2000g堵塞物撒布量来计算，约为实际道路使用26年。单层多孔路面结构抗堵塞性能降低约41%～52%，而双层多孔路面结构抗堵塞性能仅降低约9%～32%，即双层多孔路面结构的抗堵塞能力远高于单层多孔路面结构。

2020年12月，双层多孔路面结构在北京特长隧道广渠路东延隧道进行了工程应用，路面下层为6cm厚的OGFC-20，上层为2cm厚的PA-10，路面结构见图3。

根据室内沥青混合料设计级配结果，取小粒径多孔沥青混合料空隙率为18%，调整各热料仓比例，合成2种沥青混合料生产级配，见表8。

根据各类型沥青混合料设计中最佳油石比5.0开展生产配合比验证，并测定各类型沥青混合料的路用性能，测试结果汇总于表9，双层多孔沥青混合料各项指标均满足要求。

多孔沥青混合料使用高黏度改性沥青，对温度要求较高。该项目上、下两层沥青混合料出厂温度均为180～190℃，下层摊铺温度高于160℃，上层摊铺温度高于170℃。初压与复压采用13t钢轮压路机进行，终压采用26t胶轮压路机压实并用13t胶轮压路机收光。待下层施工24h后进行上层施工，上层施工前撒布改性乳化沥青黏层油，撒布量为0.3kg/㎡。试验路的铺设见图4。

试验路铺设完成后对路面性能进行检验，测试结果见表10。