摘要：
针对高速公路沥青路面易积水造成水损害的问题，以某高速公路工程为例，开展PA-13排水沥青混合料配合比设计与性能研究。通过设计矿料级配、预估沥青用量，结合渗透试验确定22%为目标空隙率，利用有限元软件建立计算模型，验算沥青混合料层永久变形量与层底拉应力，结果表明该PA-13排水沥青路面结构变形与层底拉应力均满足规范要求，结构安全可靠。基于路面渗水仪测试路面渗水系数，试验结果表明各测点的渗水系数均>4500mL/min，排水效果良好。
关键词：PA-13；排水沥青路面；配合比；目标空隙率；结构验算；渗水系数
0 引言
沥青路面具有平整性好、施工便利、行车舒适、噪音低等优势，在高速公路中应用广泛。传统的高速公路沥青路面多采用密实级配材料，排水性能差，在连续降雨或暴雨天气下，路面易积水，并侵蚀沥青混凝土，使沥青从集料表面剥落，从而降低路面性能［1］。同时，路面积水段的摩擦力较小，车辆制动易滑移，甚至侧翻，影响行车安全。排水沥青路面凭借大空隙结构具备优良的透水、降噪性能，是解决路面水损害、改善行车环境的有效技术形式。为此，本文依托高速公路实体工程，开展PA-13排水沥青混合料的配合比设计及性能分析，可为排水沥青路面设计提供参考。
1 工程概况
某高速公路设计标准为双向4车道，设计行车速度120km/h，设计洪水频率为 1/100，路基标准横断面宽24.5m，交通荷载等级为重交通，路面采用沥青路面，设计使用年限15年，设计标准轴载取BZZ-100。该高速公路沿线属亚热带季风性气候，降雨量丰富，年平均降雨量在 1000~1200mm，其中 5~8月降雨量集中，且以短时强降雨为主，占全年降雨量的60%以上。为防止路面积水影响路面性能及行车安全，采用PA排水沥青路面结构（如图 1所示）。
以 PA-13排水沥青混合料作为表面层，下方铺防水层，雨水渗入后可通过表面层快速排出。同时，PA-13排水沥青混合料空隙率高，能有效弱化轮胎与路面间的“空气泵效应”，减少行车噪音［2］。
2 PA-13排水沥青混合料配合比设计
2.1 矿料级配设计
2.1.1 集料选择
该公路沿线石灰岩分布较广，且石灰岩与沥青的粘附性好，可将其破碎后用作PA-13排水沥青混合料的粗集料。排水沥青混合料中的粗集料间以点接触受力为主［3］，若软石含量过多，集料在车辆荷载作用下极易破坏，损伤骨架结构，导致沥青路面早期损坏。为解决此问题，应严格控制粗集料中软石含量≤1%。PA-13排水沥青混合料的细集料采用10~20mm的粗集料加工制备，加工期间需进行吸尘或水洗，以保持表面洁净。同时为规避集料粘附性不足问题，细集料严禁采用酸性石料加工的机制砂及石屑。
2.1.2 级配组合
PA-13排水沥青混合料的级配曲线宜采用“S”型，确保空隙连通，形成有效排水通道。同时，应适当减小细集料比例，避免混合料过度密实。基于此，初步拟定4组空隙率不同的级配组合，具体级配组成如表1所示。
2.2 沥青选择及用量预估
2.2.1 沥青选择
PA-13排水沥青混合料的空隙率大，长期暴露在空气与雨水环境中，对沥青的粘附性能、抗剥落性能及耐久性能要求更高。为保障集料粘结强度与结构稳定性，建议PA-13排水沥青混合料统一采用高粘度改性沥青，并采用直投法拌制，基质沥青选择与改性剂配伍性良好的A级90号沥青。
2.2.2 沥青用量预估
PA-13排水沥青混合料的沥青用量直接影响排水沥青路面性能，沥青用量过多，会填充空隙，降低排水性能，且高温环境下路面易软化，抗车辙能力差；沥青用量过少，集料包裹不足，沥青混合料易飞散或剥落，加速路面老化［4］。参照《排水沥青路面设计与施工指导规范》（JTG/T 3350-03-2020），根据集料表面积与沥青膜厚度对沥青用量进行预估，计算公式如下：
2.3 目标空隙率的确定
空隙率是决定PA-13排水沥青混合料渗透系数的关键指标。因此，可通过室内试验得到试件在不同空隙率下的渗透系数，利用函数拟合两者关系，并将理论渗透系数代入拟合函数，即可反算出目标空隙率。基于表 1 的 4 组级配组合制作不同空隙率的 PA-13 排水沥青混合料试件，开展常水头渗透试验，每组设置 3组平行试件，取平均值作为最终测试结果，试验数据如表2所示。
绘制出PA-13排水沥青混合料渗透系数随空隙率的变化曲线，如图2所示。
由图2可知，PA-13排水沥青混合料的渗透系数随空隙率的增大而增大，两者之间基本呈线性正相关关系。当 PA-13 排水沥青混合料空隙率从 18% 增大至20%，渗透系数增大0.05cm/s，增大幅度为20.0%；当空隙率从20%增大至22%，渗透系数增大0.06cm/s，增大幅度为 20.0%；当空隙率从 22% 增大至 24%，渗透系数增大0.05cm/s，增大幅度为 13.9%。通过线性拟合得到二者关系式为y = 0.027x - 0.237，拟合函数的决定系数R2 =0.998，拟合精度满足工程需求。根据渗流理论及当地降雨强度，可计算出该工程公路路面的理论渗透系数 y=0.3cm/s。代入拟合函数后，反算出空隙率为 21.74%。因此，建议该工程PA-13排水沥青混合料的目标空隙率取22%，矿料级配优选级配组合C。
3 PA-13排水沥青混合料性能验算
3.1 路面结构力学性能验算
3.1.1 有限元模型建立与参数设定
PA-13排水沥青路面建模时假设路面各结构层为均匀、各向同性的弹性体，层间接触面完全连续。为消除边界效应对计算结果的影响，路面模型尺寸不宜过小。在ANSYS有限元软件中，选用SOLID185（6面体、8节 点 单 元）实 体 单 元 划 分 网 格 ，网 格 尺 寸 控 制 在0.1~0.3m，共划分2568个单元、2705个节点，有限元计算模型如图3所示。为保证计算结果与实际一致，对模型进行边界条件设置：模型底部将X、Y、Z方向位移全部约束，模型侧面约束水平位移，模型顶面为自由边界。PA-13排水沥青路面验算时，将交通荷载简化为静力荷载。对于标准轴载BZZ-100，可将交通荷载与路面接触面简化为两个直径 213mm、中心距 319.5mm 的圆形，利用“Pressure”在接触面施加0.7MPa均匀压力。
3.1.2 验算结果与分析
有限元计算结果表明，PA-13排水沥青路面的沥青混合料层最大变形量为10.2mm<15.0mm（规范限值），满足《公路沥青路面设计规范》（JTG D500-2017）变形控制要求。同时，PA-13排水沥青路面沥青混合料层的层底拉应力最大值为0.369MPa<1.0MPa（设计值），说明PA-13排水沥青混合料作为路面表面层，可保障路面在交通荷载作用下的变形与受力指标均满足规范要求。
3.2 现场排水性能评价
3.2.1 试验段布设与测试方法
采用渗水系数作为评价PA-13排水沥青路面实际排水效能的关键指标。以K22+200~K22+800试验段为例，每200m选取1个测试位置，依据《公路路基路面现场测试规程》（JTG 3450-2019）标准，采用路面渗水仪对PA-13排水沥青路面的渗透性能进行现场实测。为确保检测数据的代表性与可靠性，每个测试断面内均匀布设3个测点（A、B、C），计算其算术平均值作为该断面的最终实测结果。
3.2.2 渗水系数测试结果与分析
各测点渗水系数结果如表3所示。由表3可知，测试位置 1~4 的渗水系数平均值分别为 5307.1mL/min、5300.7mL/min、5290.2mL/min、5197.6mL/min，均>4500mL/min，满足《排水沥青路面设计与施工指导规范》（JTG/T 3350-03-2020）要求。由此表明，该PA-13排水沥青混合料在实际路面结构中表现出良好的排水效果。
4 结束语
本文以某高速公路PA-13排水沥青路面为研究对象，通过配合比设计、有限元结构验算、现场试验，对PA-13排水沥青混合料配合比设计要点、PA-13排水沥青路面的力学性能、排水性能进行分析，得到以下结论。
（1）PA-13排水沥青混合料集料宜选择石灰岩，级配曲线采用“S”型，并适当减小细集料比例；沥青材料优先选用高黏度改性沥青，以有效提升集料粘结性能与结构耐久性。
（2）PA-13排水沥青混合料空隙率越大，渗透系数越大，排水性能越好，二者拟合关系式为y=0.027x-0.237。
（3）有限元计算表明PA-13排水沥青路面沥青混合料层的层底拉应力与变形量满足规范要求，表明PA-13排水沥青混合料可保障路面受力稳定、变形可控。
（4）该工程试验段路面渗水系数均>4500mL/min，满足规范标准，证明PA-13排水沥青混合料在实际路面结构中具有良好的排水效果。
参考文献：
［1］王先刚，何敬强.高速公路大空隙排水沥青路面施工技术探讨［J］.广东建材，2025，41（2）：147-149.
［2］窦志伟，范兴家.排水沥青路面力学及排水性能试验［J］.黑龙江交通科技，2025，48（2）：16-20.
［3］吕华庚.大空隙率排水沥青路面级配设计及施工技术研究［J］.交通世界，2025（Z2）：93-95.
［4］顾盛，王鹏飞，韦定兵，等.排水沥青路面空隙特征参数与吸声系数关系研究［J］.公路，2024，69（11）：1-7.
原创作者：赵 翔（江西省天驰高速科技发展有限公司，江西 南昌 330108）。
