大粒径透水性沥青混合料

⼤粒径透⽔性沥青混合料

1、绪论

⼤粒径透⽔性沥青混合料（L arge S tone P orous asphalt M ixes，以下简称LSPM）是指混合料最⼤公称粒径⼤于26.5mm，

具有⼀定空隙率能够将⽔分⾃由排出路⾯结构的沥青混合料，LSPM通常⽤作路⾯结构中的基层。这种混合料的提出是来⾃美

国⼀些州的经验，美国中西部的⼀些州对应⽤了三⼗多年以上⽽运营状况相对良好的⼀些典型路⾯进⾏了相关的调查，发现许

多成功的路⾯其基层采⽤的是较⼤粒径的单粒径嵌挤型沥青混合料如灌⼊式沥青基层。因此提出以单粒径形成嵌挤为条件进⾏

混合料的设计，从⽽形成开级配⼤粒径透⽔性沥青混合料(LSPM)。美国NCHRP联合攻关项⽬对⼤粒径沥青混合料也进⾏了

相关研究，最终得到了研究报告NCHRP Report 386，但是研究报告主要是针对于⼤量实体⼯程的调查⽽且偏重于密级配⼤粒

径沥青混合料，⽽且NCHRP Report 386对LSPM材料与结构设计并没有进⾏系统的研究。我们在国外研究的基础上从2001年

开始进⾏了⼤量的研究和应⽤，并对其级配与各项技术指标进⾏研究，使其更符合我国具体实际情况，根据研究结果与使⽤状

况提出了本设计与施⼯指南，更好地指导⼯程实践。

LSPM的设计采⽤了新的理念，从级配设计⾓度考虑，LSPM应当是⼀种新型的沥青混合料，通常由较⼤粒径（25mm-

62mm）的单粒径集料形成⾻架由⼀定量的细集料形成填充⽽组成的⾻架型沥青混合料。LSPM设计为半开级配或者开级配。

由于LSPM有着良好的排⽔效果，通常为半开级配（空隙率为13-18%）。它不同于⼀般的沥青处治碎⽯混合料（ATPB）基

层，也不同于密级配沥青稳定碎⽯混合料（ATB）。沥青处治碎⽯(ATPB) 粗集料形成了⾻架嵌挤，其基本上没有细集料填

充，因此空隙率很⼤，⼀般⼤于18%，具有⾮常好的透⽔效果，但由于没有细集料填充空隙率过⼤其模量较低⽽且耐久性较

差。密级配沥青稳定碎⽯混合料（ATB）也具有良好的⾻架结构，空隙率⼀般在3-6%，因此其不具有排⽔性能。LSPM级配

经过严格设计，其形成了单⼀粒径⾻架嵌挤，并且采⽤少量细集料进⾏填充，提⾼混合料模量与耐久性，在满⾜排⽔要求的前

提下降低混合料的空隙率，其空隙率⼀般为13-18%，因此其既具有良好的排⽔性能⼜具较⾼模量与耐久性。

研究和应⽤表明LSPM具有以下优点：

（1）级配良好的LSPM可以抵抗较⼤的塑性和剪切变形，承受重载交通的作⽤，具有较好的抗车辙能⼒，提⾼了沥青路⾯的

⾼温稳定性；特别是对于低速、重车路段，需

要的持荷时间较长时，设计良好的LSPM与传统的沥青混凝⼟相⽐，显⽰出⼗分明显的抗永久变形能⼒；

（2）LSPM有着良好的排⽔功能，可以兼有路⾯排⽔层的功能。

（3）由于LSPM有着较⼤的粒径和较⼤的空隙，它可以有效地减少反射裂缝。

（4）⼤粒径集料的增多和矿粉⽤量的减少，减少⽐表⾯积，减少了沥青总⽤量，从⽽降低⼯程造价。

（5）与通常的半刚性基层相⽐，提⾼了⼯程施⼯速度，减少了设备投⼊。

（6）在⼤修改建⼯程中，可⼤⼤缩短封闭交通时间，社会经济效益显著。

2、LSPM性能

2.1 ⾼温稳定性

LSPM为单⼀粒径⾻架嵌挤型混合料，9.5mm以上粗集料⽐例在70%左右，形成了完整的⾻架嵌挤，因此具有良好的⾼温稳定

性，研究表明设计更合理的LSPM是解决重载交通下⾼温车辙问题最经济有效的途径之⼀。

评价混合料⾼温稳定性的试验⽅法有多种，通常我们采⽤的⽅法是动稳定度试验，即车辙试验。沥青混合料车辙试验是试件在

规定温度及荷载条件下，测定试验轮往返⾏⾛所形成的车辙变形速率，以变形稳定期内每产⽣1mm变形的⾏⾛次数即动稳定

度表⽰。车辙试验最⼤的特点是能够充分模拟沥青路⾯上车轮⾏驶的实际情况，在⽤于试验研究时，还可以改变温度、荷载、

试件尺⼨、成型条件等因素，以较好的模拟路⾯的实际情况。

由于LSPM粒径较⼤，⼀般情况下最⼤粒径可达到37.5mm，因此传统的5cm车辙试件厚度已不适⽤。对于LSPM应有最⼩压实

厚度，当车辙试件厚度⼩于该厚度时粗集料之间不能形成良好的⾻架结构，集料之间不能互相嵌挤，此时的试验数据不能反映

真实情况。根据混合料压实厚度应为最⼤公称粒径的3

4倍原则，通过⼤量的试验验证，表明

~

对于LSPM车辙试验最⼩应采⽤8cm厚度，试验温度采⽤现⾏规范中规定的60℃。

2.2 ⽔稳定性

沥青混合料在浸⽔条件下，由于沥青与矿料的粘附⼒降低，表现为混合料的整体⼒学强度降低。尤其对于LSPM，由于孔隙较

⼤，沥青⽤量少，矿料之间的接触点⽐普通沥青混合料少，更应该考虑⽔稳定性。为了更好的保证混合料的⽔稳定性，对于LSPM的胶结料宜采⽤较⾼粘度的改性沥青（如MAC、SBS改性沥青），能够形成较厚的沥青膜，可使沥青膜的厚度⼤于

12µm。⼤量试验研究表明，LSPM具有良好的⽔稳定性。

⽬前各国研究⽔稳定性的⽅法各不相同，并没有统⼀的标准，我国通常采⽤的试验⽅法是残留稳定度与冻融劈裂强度⽐。对于LSPM结构由于其颗粒间的接触点明显减少，

结构密实度较低，因此其马歇尔稳定度较低，甚⾄不容易测出，劈裂强度也明显低于密实结构的沥青混合料。⽬前，针对⼤马

歇尔试件的试验⽅法还不完善，难以保证试验的准确性，因此，对于LSPM的⽔稳定性主要从保证沥青膜厚度即沥青含量来进

⾏检验与控制。

2.3 疲劳性能

沥青路⾯的疲劳开裂也是沥青路⾯最主要的破坏模式之⼀，因⽽沥青混合料的疲劳性能⼀直受到研究⼈员的⼴泛关注。沥青路

⾯使⽤期间，经受车轮荷载的反复作⽤，其应⼒或应变长期处于交迭变化状态，致使路⾯结构强度逐渐下降。当荷载重复作⽤

超过⼀定的次数以后，在荷载作⽤下路⾯内产⽣的应⼒就会超过路⾯结构强度下降后的结构抗⼒，在路⾯处治层底部产⽣疲劳

开裂，在荷载继续作⽤下，裂缝扩展⾄路表⾯形成疲劳裂缝。

LSPM为嵌挤型混合料，粗集料⽐例很⼤、沥青⽤量较低、空隙率较⼤，因此其疲劳性能要较密级配、密实型沥青混合料低，

但与密级配沥青稳定碎⽯基层（ATB）疲劳性能相当。经验算LSPM层出现较⼤拉应⼒时，可采⽤以下两种⽅法改善结构抗疲

劳性能：（1）精⼼进⾏路⾯结构组合设计，让LSPM层处于受压区域，基本上不出现拉应⼒；

（2）在LSPM层下增设细粒式沥青混合料抗疲劳层。

2.4 渗透性能

LSPM的主要功能之⼀是能迅速将渗⼊路⾯中的⽔迅速排出，因此，渗透性能是评价透⽔性沥青混合料最为关键的指标之⼀。

透⽔性能常⽤渗透系数表⽰，但⽬前我国尚没有标准试验⽅法测定透⽔性沥青混合料的渗透系数。

根据课题研究对于LSPM当空隙率达到13%时，混合料的渗透系数发⽣突变，⽽空隙率达到18%以后渗透系数变化不明显，⼀

般渗透系数为从0.01cm/s到1.0cm/s之间，此时能够满⾜混合料排⽔性能的要求，⽽对于密级配沥青混合料即使空隙率达到10%，其渗透系数的数量级⼀般为10-5，这也就是说混合料的渗透性能不仅与空隙率有关，更重要是与混合料的连通空隙有

关。正是基于上⾯的原因LSPM的设计空隙率可以定为13～18%，混合料渗透系数要求为⼤于0.01cm/s。

⽬前我国没有渗透系数的标准测试⽅法，混合料渗透系数的测试可以借鉴美国ASTM 标准，ASTM PS129-01规定了沥青混合

料渗透系数的测试⽅法。ASTM 标准为⽆侧向渗⽔仪，⽆侧向渗⽔仪的基本原理是让量筒⾥的⽔渗透饱⽔沥青混合料并记录

达到预先设定⽔头落差位置的时间间隔，然后⽤达西定律计算沥青混合料的渗透系数，设备如图1。

图1 渗⽔仪⽰意图

其做法的主要步骤是⾸先将试件真空保⽔，然后放⼊试模中并充⽓防⽌⽔分从侧壁渗漏，在管中加⽔。记录渗⽔量在上下刻度

线之间的渗⽔时间，当渗⽔量较⼩时取30min 的渗⽔量。渗透系数k 由式（1）计算：

k ＝

)2

1ln(h h At al （1） 式中：

k —渗透系数，cm/s ，

a —量筒内径⾯积，cm 2

l —试件厚，cm

A —试件横截⾯积，cm 2

t —⽔头⾼计时刻度⾄低计时刻度花费时间，s

h1—时间t1⽔头⾼度，cm

h2—时间t1⽔头⾼度，cm

2.5 抵抗反射裂缝能⼒

由于作⽤于路⾯的实际荷载为运动荷载，总会经历对称加载和⾮对称加载过程，在交通荷载作⽤下导致基层或旧路⾯中的裂缝

向沥青⾯层反射的主要原因裂缝尖端剪应⼒的奇异性。⽆论是对称荷载还是⾮对称荷载作⽤，裂缝尖端的应⼒强度因⼦都将随着加铺基层模量的增⼤⽽增⼤。沥青混合料是⼀种温度敏感性材料，其模量随温度的变化⼗分明显，因此冬季出现反射裂缝的

概率远⼤于夏季，⽽且当⽓温下降速度和幅度都很⼤时，加铺层中反射裂缝的发展也很迅速。LSPM由于空隙率较⼤、沥青含

量低，因此其模量也较低，⼀般在400～600MPa之间，远较密级配沥青混合料低。

根据断裂⼒学分析，混合料中没有孔隙或空隙⾮常⼩时⽆论是对称荷载还是⾮对称荷载作⽤，裂缝尖端应⼒状态都有很⼤的奇

异性，当存在较⼤空隙时将极⼤的消减了裂缝尖端的应⼒集中，这就说明在裂缝扩展过程中，⼤空隙的存在能阻碍其进⼀步的

发展。

根据以上分析，LSPM模量较低，⽽且空隙率较⼤，混合料中存在较⼤连通空隙，因此其具有较强的抵抗反射裂缝的能⼒。

综合以上对LSPM性能的分析，可以得到的性能优点：（1）LSPM由于粗集料形成了完整的⾻架嵌挤结构，具有较强的抵抗

车辙变形能⼒；( 2）采⽤了较⾼粘度的改性沥青，沥青膜厚度较⼤，具有较⾼的⽔稳定性；（3）空隙率较⼤，渗⽔系数能够

满⾜结构排⽔要求，能够将渗⼊路⾯的⽔分迅速排⽔结构以外；（4）由于其模量不是⾮常⾼，⽽且存在⼤量的连通空隙，具

有很⾼的抵抗反射裂缝能⼒；

LSPM也具有⼀定的缺点，那就是其疲劳性能较密级配混合料较低，这需要通过良好的混合料设计与结构设计来改善抗疲劳性

能。

3、混合料施⼯与质量控制

3.1 准备⼯作

3.1.1 LSPM应⽤于新建公路

3.1.1.1为了保证下层与LSPM的粘结以及密⽔性，应当对下层顶⾯进⾏处理，保证下层的清洁和平整度满⾜要求。

3.1.1.2同时为了保证层间粘结良好，应在下层撒布乳化沥青，具体撒布量根据下层结构形式参照现⾏《公路沥青路⾯施⼯技术

规范》（JTJ F40-2004）；

3.1.1.3为了保证LSPM渗透的⽔分不继续下渗⽽破坏下⾯结构层，在透层油之上还⽤采⽤单层沥青表处作为封层与密⽔层，具

体做法为使⽤道路⽯油沥青90号或70号热沥青作为粘结料，采⽤专⽤的热沥青撒布机进⾏施⼯，沥青⽤量为1.3-1.5kg/m2，然

后撒布5-10mm碎⽯。在⽯屑洒布完以后采⽤胶轮压路机碾压，以使⽯屑嵌⼊沥青之中。

3.1.2 LSPM应⽤于旧路加铺

3.1.2.1当对沥青路⾯旧路加铺时，应当进⾏对原沥青路⾯表⾯出现的坑槽、松散、沉陷等严重破坏的部分进⾏挖补处理，挖补

处采⽤密级配沥青混凝⼟回填压实。

3.1.2.2当对⽔泥路⾯进⾏补强时，⽔泥混凝⼟路⾯出现的严重破坏现象也必须进⾏相应的处理，裂缝严重出现⾯板破碎、板边

板⾓破碎与坑洞现象应进⾏挖除，然后采⽤⽔泥混凝⼟或密级配沥青混凝⼟进⾏回填压实，对于板底脱空、唧泥与沉陷部分应

采⽤压浆处理。对原路⾯表⾯破损现象进⾏修补以后还需要进⾏承载⼒调查，路⾯结构承载能⼒的测定，可分为破损类和⽆破

损类。破损类主要从路⾯各结构层内钻取试样，试验确定其各项计算参数，通过同设计标准相⽐较，估算其结构承载能⼒。⽆