2021-12-31
 
公路隧道沥青路面结构与材料发展现状
2021年12月31日   阅读量:112501

公路隧道特殊的运营环境限制了具有优良路用性能的沥青混凝土路面在隧道路面铺装中的应用。隧道路面大多采用水泥混凝土路面,由此产生的噪音大、平整度低、抗滑性能差等问题严重影响了隧道的使用性能与服务水平。随着沥青阻燃技术的发展,将沥青混凝土路面应用于公路隧道路面铺装逐步成为可能沥青网sinoasphalt.com

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针对隧道内外环境与使用条件特性,国内科研工作者对公路隧道沥青混凝土路面进行了大量研究,主要集中于隧道沥青路面铺装结构、阻燃沥青及阻燃沥青混合料的阻燃性能以及路用性能研究等,以提高隧道路面的行车安全性与舒适性,有效延长隧道路面铺装层的使用寿命,节约养护维修资金。


陆学元依托安徽省沿江高速公路隧道路面工程实践,对添加阻燃剂的AC-13改性沥青混合料的路用性能进行了室内和现场试验。结果表明阻燃剂的加入会对密级配AC-13混合料的马歇尔体积指标产生影响,并对混合料的水稳定性带来不利影响[1]。


余剑英等研究了采用氢氧化铝作为阻燃剂对SBS改性沥青及SMA混合料路用性能的影响,试验结果表明氢氧化铝掺量不大于40%时,阻燃沥青混合料路用性能可满足现行规范要求[2]。


氢氧化物阻燃剂


丛培良研究了阻燃剂及掺量对沥青路用性能的影响,设计了SMA阻燃沥青混合料并对其路用性能进行了试验分析[3]。


王民等利用Superpave沥青混合料的设计方法,采用阻燃沥青设计了阻燃沥青Superpave隧道路面:4cm阻燃沥青Sup-13上面层、6cm改性沥青Sup-20下面层、高粘橡胶沥青碎石粘层和25cm水泥混凝土路面,并成功应用于天津莲花岭、大岭后隧道实体工程[4]。


基于混合料的角度设计阻燃沥青混合料,应考虑纤维的影响,SMA混合料中采用的木质素纤维或聚合物纤维并不满足阻燃的要求。秦先涛采用具有阻燃作用的MiberⅢ矿物纤维及复合阻燃剂设计了矿物纤维SMA阻燃沥青混合料[5]。对MiberⅢ矿物纤维沥青胶浆级混合料的阻燃特性进行了研究。路用性能试验结果表明该混合料与掺木质素纤维普通SMA混合料的路用性能相当,可满足路用性能要求。


对于将阻燃沥青应用于AC、SMA等常用沥青混合料路面的研究很多,主要集中于沥青混合料的阻燃特性,以及添加阻燃剂后对混合料路用性能的影响方面,思路大体相同,有许多文献,这里仅简单列举。但以上研究并没有考虑隧道独特的运营环境对路面铺装防滑、排水、降噪等特殊要求,仅仅立足于阻燃防火。


针对隧道内通风条件差的特殊施工环境,开发兼具阻燃和温拌特性的沥青混合料逐渐成为隧道路面材料的一个发展趋势。俞文生等利用温拌剂与APFR 阻燃剂配制了密级配AC阻燃温拌沥青混合料并应用于江西省武吉高速九岭山隧道[6];王春对添加阻燃剂后采用不同温拌剂的混合料的路用性能进行了研究[7];方晓睿等通过添加沥青高温降粘剂、高粘度改性沥青与无机阻燃剂制备了具有阻燃、降噪、抗滑功能的高连通孔隙温拌隧道路面铺装混合料,施工温度可以降低20℃[8]。


将温拌技术与阻燃技术相结合,首先要保证温拌剂、阻燃剂以及改性剂等外加剂不会对相互的使用性能产生影响,也应保证不会对混合料的路用性能产生不利影响。


近些年,由于OGFC开级配抗滑磨耗层优良的抗滑、排水、降噪性能与隧道路面特殊的使用要求极其吻合,针对阻燃OGFC混合料的研究也越来越多,以期能将这一新型路面结构应用于隧道路面铺装中,解决隧道路面对阻燃、抗滑、降噪等性能的要求。


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大空隙沥青混合料


同济大学杨群、郭忠印将阻燃沥青应用于开级配抗滑磨耗层(OGFC),通过添加0.1%有机纤维设计了隧道路面阻燃多孔沥青混凝土并对其性能进行了研究[9]。室内试验研究表明由于采用开级配大空隙结构,阻燃多孔沥青混凝土具有良好的降噪、排水、抗滑以及高温稳定性。燃烧试验结果表明OGFC试件的汽油逃逸量为76%,防火性能优于抗滑表层(AK) 和沥青玛蹄脂碎石(SMA),更适合于隧道路面使用要求。但马歇尔残留稳定度并未达到现行公路沥青路面设计规范要求,对于水稳定性与耐久性应重点关注。


长安大学丛卓红等通过采用大空隙型沥青混合料结构,使用高粘沥青以提高耐久性能并在沥青中掺加阻燃剂,开发了抗滑降噪型隧道沥青混合料[10]。虽然大空隙率有利于抗滑、降噪、排水,但空隙率过大亦会对其路用性能产生影响,为此设计了7种不同大空隙率混合料,对其降噪性能、抗剪性能、水稳定性能、渗水性能、抗滑性能等与空隙率的关系进行研究,综合确定目标空隙率为19%。试验路铺筑表明其比普通隧道沥青路面噪音降低约6dB,抗滑性能提高20%。


刘新权等选用经过阻燃处理的高粘度改性沥青、聚酯纤维配置了多孔结构(OGFC)隧道沥青混凝土并对其防火性能进行了试验研究[11]。结果表明18%~20%为阻燃性能最优的空隙率范围;多孔结构的防火机理主要是由于存在大量的连通空隙;其阻燃性能远优于SMA混合料,多孔嵌挤结构和高粘改性沥青的使用为其路用性能提供了保证。


OGFC大空隙沥青混合料路面


与AC、SMA等混合料相比,OGFC空隙率较大,在隧道内发生交通事故时泼洒在路面上的燃油或其他易燃液体可以通过路面空隙迅速排走,大大降低了事故中可燃物的有效燃烧量,从而可以减小火势,这是OGFC在阻燃防火方面的一大独特优势,若再结合阻燃沥青技术,双管齐下,可获得较好的阻燃效果。


但若使用OGFC材料,势必要考虑这种材料的耐久性及水稳定性,根据已有的研究,采用高粘沥青以及纤维是目前解决OGFC耐久性能的主要手段。对于纤维,目前已找到的文献均是产用聚酯纤维等聚合物有机纤维,但这种纤维并不是阻燃材料。纤维应满足难燃的要求,即在火灾发生时至少纤维本身不会燃烧。如果在此基础之上若该难燃纤维能具有阻燃作用,则是阻燃沥青混合料设计在理念与材料上的一大创新之处。玄武岩纤维具有优良耐热性能,可以作为一个创新点,研究应用于OGFC阻燃沥青混合料中。


隧道特殊的运营环境,决定了隧道路面不但要有高的行驶品质,更要有足够的耐久性,尽量减少隧道路面在寿命期内的维修次数,保证道路的长时间畅通运营。而兼具路面使用品质与耐久性的复合式长寿命路面成为隧道路面铺装结构发展趋势之一。李英涛比较分析了水泥混凝土路面与沥青混凝土路面在隧道内使用性能的差异,针对老山隧道路面建设实际,提出采用“连续配筋混凝土+AC”的隧道复合路面结构形式[12]。但没有考虑隧道路面对沥青混合料面层使用功能与阻燃的特殊要求。赵志斌等在长江隧道路面结构设计时采用了复合路面结构,沥青上面层采用抗滑、阻燃AFNA沥青混合料,下面层采用AC-20,刚性基层采用钢筋混凝土板,AFNA本质仍然为大孔隙沥青混合料[13]。江凯提出了4cm阻燃沥青OGFC+6cmAC-20+20cm连续配筋混凝土的长隧道阻燃复合路面结构[14]。


参考文献:

1.陆学元, 张素云, 孙立军. 隧道阻燃改性沥青上面层 (AC-13C) 路用性能研究[J]. 中外公路, 2008, 28(2): 180-185.

2. 余剑英, 程松波, 吴冬生,等. ATH阻燃改性沥青SMA路用性能研究[J].公路,2008

3. 丛培良. 阻燃沥青混凝土制备与路用性能研究[D]. 武汉: 武汉理工大学, 2006.

4. 王民, 甘林坤, 夏志国, 等. 隧道路面铺装及阻燃沥青 Superpave 设计与应用[J]. 中外公路, 2012, 32(006): 250-253.

5. 秦先涛. 矿物纤维阻燃沥青混合料材料组成及路用性能研究[D]. 长安大学, 2012.

6.俞文生, 李昶. 阻燃温拌沥青混合料性能及其应用[J]. 公路, 2010, 1: 034.

7.王春. 隧道温拌阻燃沥青混合料技术性能研究[D]. 长安大学, 2010.

8.方晓睿, 沈峰, 沈凡, 等. 温拌多功能隧道路面结构与功能一体化研究[J]. 武汉理工大学学报, 2010 (4): 162-168.

9.杨群, 郭忠印, 蔺习雄. 隧道路面阻燃多孔沥青混凝土性能研究[J]. 同济大学学报: 自然科学版, 2005, 33(3): 316-320.

10.丛卓红, 王莎, 郑南翔, 等. 抗滑降噪型隧道沥青混合料设计[J]. 中国公路学报, 2012, 25(004): 36-41.

11.刘新权, 丁庆军, 黄绍龙, 等. 隧道多孔结构沥青混凝土面层防火性能的试验研究[J]. 公路, 2008, 12: 9-12.

12.李英涛. 老山隧道路面型式选择及结构设计研究[D]. 东南大学, 2006.

13.赵志斌, 刘沐宇, 阮艳彬, 等. 长江隧道沥青路面结构与材料功能一体化研究[J]. 武汉理工大学学报,2010.

14.江凯, 葛折圣, 于斌. 一种公路长隧道铺装结构与材料组合的技术分析[J]. 市政技术, 2009, 27(6): 646-647.


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