沥青路面结构的制作方法

本发明涉及交通工程领域，尤其涉及一种沥青路面结构。

背景技术：

沥青路面暴露于自然环境中，路面内的温度和湿度随着自然环境变化而变化，沥青路面的各项性能受自然环境变化的影响较大。长期以来，我国公路普遍采用三层密实沥青混合料作为面层的半刚性基层沥青路面，如图1所示，一般采用40mm厚的上面层，50mm或60mm厚的中面层，70mm或80mm厚的下面层。密实级配沥青混合料理想的结构是骨架密实结构但由于粗集料骨架结构受细集料干涉影响，粗集料往往悬浮在细集料之间，如图2所示，或由于缺乏足够的细集料填充粗集料之间的空隙而形成骨架空隙结构；因此密实级配沥青混合料实际上或者在车轮荷载引起的剪切应力作用下易产生失稳发生流动变形，或者不能完全将雨水封堵在路面外部。

实际上铺筑的沥青面层由于沥青混合料级配离析、压实不足和裂缝扩展等原因，沥青层总是存在渗水的区域。水进入沥青路面结构后在车轮荷载作用下形成所谓的“动水压力”，但由于对沥青路面孔隙水压力作用规律缺乏认识，现有技术中并未有科学的沥青路面结构内部排水方案。中国专利申请号为201610176684公开了一种小粒径大孔隙多层排水沥青路面结构，组成面层的三层沥青混凝土均为排水沥青混凝土，建设成本较高且渗入路面的雨水会沿基层收缩裂缝渗入路基。中国专利申请号CN201610147804公开了一种含级配碎石复合层的除尘排水大孔隙沥青路面的施工方法利用表面层进行排水，对路面温度控制效果有限。欧洲国家采用在路表铺筑排水性沥青混凝土PAC（Porous Asphalt Concrete）、日本则采用和发展了起源于美国的开级配沥青磨耗层OGFC（Open Graded Friction Course），两者的空隙率都达到18%以上，都具有较好的路表排水和降噪效果，我国公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006）和一些路面工程借鉴了这一技术。然而采用这种排水方式由于排水层以下的沥青层总是存在局部渗水，路面结构不可避免地受孔隙水压力的影响，且PAC、OGFC的大孔隙易堵塞、难以清孔，而PAC、OGFC需要采用高粘度沥青，又沥青用量较大，建设成本高，故这类路面在我国的应用较少。针对PAC孔隙堵塞严重的问题，欧洲有的国家减少使用PAC，或花费更大的成本铺筑双层PAC以抵抗堵孔。现有技术中有的沥青路面结构仅采用多孔隙的沥青混合料作为上基层材料进行排水，如开级配沥青稳定碎石ATPB（Asphalt Treated Porous Base），没有对沥青层实行尽早排水，也不能杜绝沥青面层中滞水，因为沥青层内不是所有的孔隙都是与上基层相连通的。

半刚性基层沥青路面各层的温度在高温季节往往高到超过沥青的软化点，车轮荷载重复作用不仅在中面层产生了较大的车辙变形，下面层同样车辙变形较大。现有沥青路面工程控温措施都是在路表设置隔热层或热反射涂层，即昂贵的热阻层直接承受车轮荷载的作用，随着热阻层的磨耗失效，其下的层次失去隔热保护，许多路段没有经济条件再修建热阻层。为主动降低沥青路面温度，减少车辙，国内外开展了低吸热路面研究，如陶粒沥青混凝土路面、陶瓷沥青混凝土路面，但这类低吸热集料存在与沥青的粘附性差、自然破碎颗粒形状差或集料压碎值偏低等问题。保水式路面由于能够保持一定的水分而具有恒温效果，但在路面开敞通风的环境条件下其保水时间较短。路面的相变控温则难以解决相变材料与沥青材料的共存问题，影响沥青混合料的性能。与此同时，有的工程通过修建刚性基层沥青路面、复合式路面以减缓车辙。尽管如此，沥青路面主动控温提高路面使用性能技术仍处于起步阶段，所采用的隔热层沥青混合料的综合性能并不理想，隔热涂层易磨耗损失，这些都影响了路面的耐久性。此外，现有技术中都未针对各地区的气候特点进行设计相应的沥青路面结构。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种能减少沥青路面车辙和水损害并兼具排水与控温功能的沥青路面结构。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种沥青路面结构，包括沥青面层，所述沥青面层包括自下而上依次设置的下面层、中面层、排水隔热层和上面层，所述排水隔热层为空隙率8%～20%的沥青混合料层。

作为对上述技术方案的进一步改进：

所述上面层和所述下面层均为空隙率不超过6%的沥青混合料层，所述上面层的厚度为T1，所述下面层的厚度为T4，其中，25mm＜T1≤50mm，50mm≤T4≤80mm。

所述排水隔热层的厚度为T2，其中，30mm≤T2≤40mm。

所述排水隔热层为空隙率15%～20%的细粒式沥青混合料层，所述中面层为空隙率8%～15%的中粒式沥青混合料层，所述中面层的厚度为T3，其中， 50mm≤T3≤70mm。

所述排水隔热层内含有保水性材料。

所述保水性材料为沸石粉。

所述沥青路面结构还包括位于所述沥青面层下方的土基，所述土基与所述沥青面层之间设有基层。

所述基层与沥青面层之间设有上基层，所述上基层为开级配沥青稳定碎石ATPB层。

所述排水隔热层两侧设有通风层，所述通风层底部设有边坡绿化用土层，所述边坡绿化用土层设有集中式排水设施。

所述通风层设计为单一粒径碎石层或铺设有排水通风管，所述集中式排水设施为拱形骨架护坡或菱形骨架护坡。

本发明的工作原理是：其一是根据重复车轮荷载作用下的沥青路面孔隙水压力响应规律，尽早排走路面表层渗入水，使得车轮荷载引起的外部水压力仅在上面层内引起孔隙水压力；其二是利用排水隔热层的通风、隔热作用降低沥青面层内的温度，或延缓热量向沥青面层深处传导；其三是利用排水隔热层中骨架型沥青混合料相比悬浮密实型沥青混合料更好的抗车辙变形能力，减小整个沥青层的车辙。

与现有技术相比，本发明的沥青路面结构兼具排水与控温的功能，具体优点如下：

1、本发明的沥青路面结构，在沥青面层的上面层与中面层之间设置排水隔热层，相比在路表设置排水性沥青混凝土PAC或开级配沥青磨耗层OGFC，既在沥青面层受外部水压力影响最大的层位排水消减孔隙水压力，又解决了路表排水隔热层孔隙易堵塞的问题；相比仅设置路面基层排水，本发明的沥青路面结构可实现尽早排水，减少了沥青面层渗水。采用的空隙率8%～20%的沥青混合料为多孔隙的沥青混合料，可主动控温。

2、本发明的沥青路面结构，利用排水隔热层的自然通风、排水或保水功能，可降低沥青面层内的温度，并延缓沥青面层的温度热量向沥青面层深处传导，增加沥青胶浆的粘度，从而增强沥青面层的抗水损害性，控温还有利于减小车辙。由于排水隔热层的沥青混合料为骨架型沥青混合料，相比中面层悬浮密实型沥青混合料具有更好的抗车辙变形能力，有利于减小整个沥青面层的车辙，这也就减少了车辙处积水。

3、考虑到许多地区雨热同期的特点而设计的中面层也充当排水隔热层，即采用双层排水，这样路面内空隙更多，有利于自然通风散热、阻止热量向下传导，渗入路面的水在排水隔热层内的渗流时间更长，带走的热量更多；排水隔热层为空隙率15%～20%的细粒式沥青混合料，中面层为空隙率8%～15%的中粒式沥青混合料，排水隔热层比中面层的粒径更小，形成的孔隙的孔径越小，可以更好地防止铺筑或翻修上面层时堵塞排水隔热层。排水隔热层和中面层的厚度更大，其扩散荷载的能力也更大，车轮荷载经排水隔热层传递到下面层的荷载越小，对控制下面层的车辙越有效。

4、本发明的沥青路面结构，针对年平均气温高于15℃的地区，排水隔热层内含有保水性材料，其控温能力更强，且保水性材料不充满排水隔热层内的空隙，能避免车轮荷载作用下产生孔隙水压力。

附图说明

图1为现有技术中常规的三层式沥青面层。

图2为现有技术中常规三层式沥青面层的受力稳定性示意图。

图3为本发明本实施例1中试验结果的边界条件示意图。

图4为本发明本实施例1中试验中沥青试件的外部水压力示意图。

图5为本发明实施例1中试验中0～0.4s时沥青试件内不同深处的空隙水压力示意图。

图6为本发明实施例1中试验中0.4～0.7s时沥青试件内不同深处的空隙水压力示意图。

图7为本发明实施例1中试验中0.8～1.1s时沥青试件内不同深处的空隙水压力示意图。

图8为本发明实施例1中试验中1.2～1.5s时沥青试件内不同深处的空隙水压力示意图。

图9为本发明实施例1的沥青面层。

图10为本发明实施例1的沥青面层的受力稳定性示意图。

图11为本发明实施例1的沥青路面结构示意图。

图例说明：

1、土基；2、基层；3、沥青面层；31、下面层；32、中面层；33、排水隔热层；34、上面层；341、行车道上面层；342、硬路肩上面层；4、边坡绿化用土层；5、通风层；6、硬路肩水泥混凝土层。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步阐述。

实施例1

本实施例中的沥青路面结构适用于年平均气温10℃以下地区。

如图9至11所示，本实施例的一种沥青路面结构，包括沥青面层3，沥青面层3包括自下而上依次设置的下面层31、中面层32、排水隔热层33和上面层34，排水隔热层33为空隙率8%～20%的沥青混合料层。本实施例的沥青路面结构兼具排水与控温功能，在沥青面层3的上面层34与中面层32之间设置排水隔热层33，相比在路表设置排水性沥青混凝土PAC或开级配沥青磨耗层OGFC，既在沥青面层3受外部水压力影响最大的层位排水消减孔隙水压力，又解决了路表排水隔热层33孔隙易堵塞的问题；相比仅设置路面基层排水，本发明的沥青路面结构可实现尽早排水，减少了沥青面层3渗水。采用的空隙率8%～20%的沥青混合料为多孔隙的沥青混合料，可主动控温。利用排水隔热层33的自然通风、排水或保水功能，可降低沥青面层3内的温度，并延缓沥青面层3的温度热量向沥青面层3深处传导，增加沥青胶浆的粘度，从而增强沥青面层3的抗水损害性，控温还有利于减小车辙。由于排水隔热层33的沥青混合料为骨架型沥青混合料，相比中面层32悬浮密实型沥青混合料具有更好的抗车辙变形能力，有利于减小整个沥青面层3的车辙，这也就减少了车辙处积水。

上面层34为空隙率不超过6%的沥青混合料层，上面层34的厚度为T1，下面层31设计为空隙率不超过6%的沥青混合料层，0mm＜T1≤50mm。上面层34作为路面的磨耗层，采用密实沥青混合料，保护排水隔热层33孔隙免遭堵塞，下面层31为不透水的沥青混合料，防止雨水下渗，保护土基1和基层2。下面层31的厚度T4范围值为50mm～80mm。

排水隔热层33的厚度为T2，其中，30mm≤T2≤40mm。中面层32的厚度T3范围值为30mm～60mm。

在上述范围内选定T1、T2、T3、T4的具体值后，按我国公路沥青路面设计规范方法确定沥青路面结构其余各层的厚度。本实施例中，T1=40mm，T2=30mm，T3=50mm，T4=70mm。

图9为本实施例的沥青面层3，排水隔热层33为多孔隙沥青混合料，由于细集料比例很少，粗集料骨架结构形成的较好，如图10所示，扩散荷载能力相对更好。因此，本实施例中的沥青面层3相比图1中现有技术的常规三层式沥青面层抗车辙能力更好。

为防排水隔热层33的多孔隙结构被上面层34摊铺的松散沥青混合料堵塞，排水隔热层33的沥青混合料的最大粒径受到限制，最大粒径为16mm。

排水隔热层33两侧设有通风层5，通风层5底部设有边坡绿化用土层4，边坡绿化用土层4设有集中式排水设施。

本实施例的沥青路面结构还包括位于沥青面层3下方的土基1，土基与沥青面层3之间设有基层2，土基1和基层2的两侧设有边坡绿化用土层4，下面层31、中面层32和排水隔热层33的两侧设有通风层5，上面层34的两侧设有硬路肩水泥混凝土层6。其中，通风层5为单一粒径碎石层或排水通风管。

本实施例中，通风层5设计为单一粒径碎石层或铺设有排水通风管，集中式排水设施为拱形骨架护坡，在其他实施例中，通风层5铺设有排水通风管，集中式排水设施为或菱形骨架护坡。

本实施例中沥青路面结构铺筑的先后顺序依次是：土基1、基层2、下面层31、中面层32、排水隔热层33、行车道上面层341、边坡绿化用土层4、通风层5、硬路肩上面层342、硬路肩水泥混凝土层6，上述各部分铺筑完成后，在边坡绿化用土层4上砌筑集中式排水设施，确保雨水不会流入通风层5。

在铺筑边坡绿化用土层4时，注意对下面层31、中面层32和上面层34的外表面进行覆盖。边坡绿化用土层4铺完后，对其顶面采用轻型压路机进行碾压平整。

本实施例中，施工过程中边坡绿化用土层4倾倒时对通风层5表面进行覆盖以防堵孔。

本实施例中，半刚性基层2上三层式沥青面层3的车辙变形主要产生在中面层32，这不仅因为各层之间存在的温度梯度，还因为路面各层在车辆荷载作用下所引起的应力水平不同。路面各层的应力水平不仅与各层的深度有关，也与各层的荷载扩散能力有关。将控温与增强沥青面层3的荷载扩散能力结合起来，则沥青路面的车辙将大大减少。

取如图1所示的三层式沥青面层制作成沥青试件，按水击理论方法对外部水压力作用下沥青路面孔隙水进行受力分析，列出运动方程和连续性方程，建立孔隙水压力波动方程。以发明专利申请CN201610022605X说明书附图10的试验结果（即侧壁密封的沥青混凝土试件在周期性重复的瞬间外部水压力作用下的孔隙水压力实时响应）作为边界条件，如图3所示，求解孔隙水压力波动方程，得到图4所示的外部水压力作用下，沥青试件内不同深度处在不同时间下的孔隙水压力如图5～图8所示。

在外部水压力峰值或其后0.1s内沥青试件孔隙内无负压，且在沥青试件顶部附近引起最大孔隙水压力，或在沥青试件顶部和中下部引起最大孔隙水压力；而在外部水压力卸载至零时，沥青试件内出现负的孔隙水压力。另外，任一时刻沥青试件某深度处总有这样相邻的两点，其孔隙水压力差始终保持在0.2MPa左右，且下一点处压力更大，有时表现为正负交变的孔压。压力差出现的部位先由试件底部向顶部移动，再反向向底部移动，随外部水压力重复作用而依此循环。出现压力差的两点一般表现为两个明显的压力拐点，而两拐点相距与试件高相比很小。由下向上移动，则对孔壁上的突出物不利，例如沥青胶浆表面的颗粒物会被它剥离；由上向下移动，则对沥青膜的粘附不利，因集料孔隙内的空气会先压缩后膨胀。最重要的是，沿沥青试件深度方向，近沥青试件顶部处所经历的孔隙水压力差最大。因此，本实施例的沥青路面结构，在近路面面层顶部处设置排水隔热层33，既可以避免该处出现很大的孔隙水压力压降，又可以尽早排出渗入的水。

实施例2

本实施例的沥青路面结构适用于年平均气温10℃～15℃的地区。

本实施例中，沥青路面结构与实施例1大致相同，不同之处在于：中面层32也充当排水隔热层33，排水隔热层33为空隙率15%～20%的细粒式沥青混合料层（本实施例为开级配沥青磨耗层OGFC-13），中面层32为空隙率8%～15%的中粒式沥青混合料层（本实施例为开级配沥青磨耗层OGFC-16），中面层32的厚度为T3，其中，50mm≤T3≤70mm。

在上述范围内选定T1、T2、T3、T4的具体值后，按我国公路沥青路面设计规范方法确定沥青路面结构其余各层的厚度。本实施例中，T1=40mm，T2=30mm，T3=50mm。

本实施例中，采用双层排水，路面内空隙更多，有利于自然通风散热、阻止热量向下传导。渗入路面的水在排水隔热层33内的渗流时间更长，带走的热量更多，这是考虑到许多地区雨热同期的特点而设计的。排水隔热层33比中面层32的粒径更小，形成的孔隙的孔径越小，可以更好地防止铺筑或翻修上面层32时堵塞排水隔热层33。排水隔热层33和中面层32厚度越大，其扩散荷载的能力越大，车轮荷载经排水隔热层33和中面层32传递到下面层31的荷载越小，对控制下面层31的车辙越有效。在其他实施例中，中面层32可采用更大的粒径，更重要的是整个排水隔热层33的孔隙更多，自然通风降温效果更好。

实施例3

本实施例中的沥青路面结构适用于平均气温15℃以上的地区以及在自然通风与排水的降温效果有限的地区。

本实施例沥青路面结构与实施例2大致相同，不同之处在于：排水隔热层33内含有保水性材料，在排水隔热层33铺筑完成后灌入保水性材料。

排水隔热层33实行部分保水以改善降温效果，使排水隔热层33部分孔隙被保水性材料充填，其控温能力更强，以防车轮荷载作用下排水隔热层33内形成孔隙水压力，可进一步主动控湿，有助于减小沥青面层3的孔隙水压力与减少矿粉的冲刷流失，进而保持沥青胶浆的粘度与保持沥青混合料的高温稳定性，可进一步减少水损害与车辙，提高沥青路面的使用性能。

本实施例中的保水性材料为沸石粉。

实施例4

本实施例的沥青路面结构与实施例1大致相同，不同之处在于：基层2与沥青面层3之间设有开级配沥青稳定碎石ATPB层，作为上基层（开级配沥青稳定碎石ATPB层的厚度一般为80mm～120mm，本实施例中，厚度为90mm）。

ATPB为不透水的沥青混合料，可防排水隔热层33下的下面层31渗水、排水，阻止雨水下渗，以保护基层不被冲刷。

实施例5

本实施例的沥青路面结构与实施例2大致相同，不同之处在于：基层2与沥青面层3之间设有开级配沥青稳定碎石ATPB层，作为上基层。

实施例6

本实施例的沥青路面结构与实施例3大致相同，不同之处在于：基层2与沥青面层3之间设有开级配沥青稳定碎石ATPB层，作为上基层。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。