公路隧道反光沥青路面.docx
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公路隧道反光沥青路面
公路隧道反光沥青路面
史小丽，王选仓，昆
（长安大学公路学院，710064）
摘要：
为了提高隧道沥青路面亮度，利用玻璃珠的回复反光特性，在开级配沥青磨耗层（OGFC中掺加高强度玻璃珠；分析了不同掺加比例及不同粒径玻璃珠的5种组合方案对OGFC混合料路用性能的影响，并给出了最佳的掺加方案。
结果表明：
在OGFC中掺入玻璃珠会使马歇尔稳定度略有下降，沥青混合料的抗车辙能力、抗滑、降噪和反光性能与玻璃珠在沥青混合料表面的覆盖率有关；在OGFC-13混合料面层中掺加10％～15％、粒径为2～3mm的玻璃珠可以满足路用性能各项技术指标的要求。
关键词：
道路工程；开级配沥青磨耗层；玻璃珠；反光强度；隧道路面
中图分类号：
U454.1文献标志码：
A
Glisteningasphaltpavementstructureofhighwaytunnel
SHIXiao-li，WANGXuan-cang，LIUKun
（SchoolofHighway，Chang’anUniversity，Xi’an710064，Shanxi，China）
Abstract：
Inordertoincreasetheilluminationoftunnelpavement，throughappendingglassbeadintoOGFCmixesowingtotheretro-reflectiveperformanceofglassbead，thispaperanalyzedtheinfluenceonpavementperformancewhendifferentratesanddiameterglassbeadappendedintoOGFCmixes，andputforwardtheoptimalappendingproportionanddiameterofglassbeadintoOGFC.ThetestresultsshowthatMarshallstabilityisslightlylowerthanthosewithoutglassbead，andtheperformancesofresistanceofrutting，anti-skidding，noise-reductionandretro-reflectiveperformancerelatetothecoveragerateofglassbead；thespecificationsofpavementperformancecouldbemeetby10%～15%quantityand2～3mmdiameterofglassbeadmixedtoOGFC-13.4tabs，９figs，11refs.
Keywords：
roadengineering；open-gradedfrictioncourse（OGFC）；glassbead；retro-reflectiveintensity；tunnelpavement
0引言
文献[1]指出：
对隧道路面高反光特性的要从照明方面提出的；国际照明委员会（CIE）也提出了R1～R5共5级基于照明的路面分类。
国外有一种称为“glassphalt”的路面，是将废玻璃破碎后掺入混合料铺在城市道路中，其路用性能与普通沥青路面相比并未降低，而且在夜晚还表现出良好的景观效果，被认为是一种会闪闪发光（glitteRing）的路面。
研究认为，废玻璃颗粒用于沥青路面的最大粒径为4.75mm、掺入比例为10％～15％时能获得最佳的路用性能【2】。
试验表明，在OGFC-13混合料中掺入高折射率的玻璃珠以提高隧道沥青路面的反光特性，不仅能达到节约电能、降低隧道运营成本的目的，而且也兼顾了隧道工作环境对路面结构的抗滑、降噪和阻燃等性能【3】，是一种很有发展前景的隧道路面结构形式，本文对此进行了分析研究。
1基本原理
1.1玻璃珠的回复反射原理
由光的反射和折射原理可知，当一束光线照射到玻璃珠表面时，将产生表面反射光、部反射光和透射光。
其中，部反射光具有聚光性和回归性，将入射光线集中在一个狭小的光锥角反射回光源处，这就是玻璃珠的回复反射原理【4】。
对于单个的玻璃珠，在同一光源照射下，反射光的强度与玻璃珠直径的平方成正比。
1.2路面亮度的评价
路面反射可看成均匀漫反射【5】，漫反射材料的反射系数ρ为
ρ＝πL/E
式中：
L为漫反射面的亮度（cd/m²）；E为漫反射面的照度（lx）。
文献[1]推荐采用L＝E/13（水泥路面）、L＝E/22（沥青路面），由此可以反算出水泥路面的反射系数ρ＝0.24，沥青路面的反射系数ρ＝0.14，即水泥路面比沥青路面亮度高。
一般道路照明效果根据亮度系数评价，由L＝ρE/π可知，在相同照度的情况下，因路面材料不同，相应的亮度也不同。
当沥青混合料中加入玻璃珠后，ρ由0.14提高到0.65～0.80（玻璃珠的反射率），路面亮度提高了3.6～4.7倍。
2OGFC混合料配合比的确定
2.1混合料的最佳级配
根据玄武岩集料筛分结果，初拟3个级配，按沥青油膜法粗估沥青用量，制作马歇尔试件（双面击实50次），测定混合料试件密度，并计算其空隙率；根据2.36mm通过率与空隙率的关系，得出20％目标空隙率所对应的通过率，调整确定的最终级配为：
10～15mm粒径、5～10mm粒径、机制砂、矿粉的比例为30:
54:
12:
4，最终级配配合比计算结果见表1。
表1最终级配配合比计算结果
合成级配
下列筛孔（mm）的通过率/%
16
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
最终级配
100
94.03
71.66
23.51
13.59
8.79
7.58
6.28
5.41
4.64
级配上限
100
100.00
80.00
30.00
22.00
18.00
15.00
12.00
8.00
6.00
级配中值
100
95.00
70.00
21.00
16.00
12.00
9.50
7.50
5.50
4.00
级配下限
100
90.00
60.00
12.00
10.00
6.00
4.00
3.00
3.00
2.00
2.2最佳沥青用量的确定
试验采用高粘度的MAC改性沥青，在油膜法粗估的沥青含量（质量分数）基础上，再拟定4组沥青含量进行析漏和分散试验，绘出沥青含量与分散损失和析漏损失的关系（图1、图2）。
由图1、图2可知，当最佳沥青含量为4.7％、分散损失为13％和析漏损失为0.2％时，可满足《公路沥青路面设计规》（以下简称规）的要求。
图1沥青含量与 图2沥青含量与
分散损失的关系 析漏损失的关系
2.3玻璃珠的掺加
本项研究采用的是一种硼硅酸盐玻璃珠，具有耐酸碱、耐磨耗和硬度高等特点。
试验在最佳级配各级筛孔筛余质量分数（见下页表2）的基础上，共设计了5个方案，进行混合料路用性能的验证。
方案1：
采用6％的玻璃珠（直径为1.18mm+0.06mm）替代对应部分细集料。
方案2：
用9.92％的玻璃珠（直径为2.36mm）替代对应部分细集料。
方案3：
用10％的玻璃珠（直径为4.75mm）替代对应部分细集料。
方案4：
用14.72％的玻璃珠（直径为2.36mm和1.18mm）替代对应部分细集料。
方案5：
用20％的玻璃珠（直径为4.75mm）替代对应部分细集料。
由于玻璃珠表面光滑，与沥青粘附性差，试验在采用高粘度沥青的同时，添加2％消石灰粉来提高玻璃珠与沥青的粘附性。
试验发现，方案1成型试件中玻璃珠陷入集料之间的空隙中，起不到反光效果，所以后期试验没有再考虑这种方案。
但为了不掺加玻璃珠的混合料路用性能进行对比，下文中将方案1设定为不掺加玻璃珠的情况。
表2最终级配各级筛孔筛余质量分数
筛孔尺寸/mm
13.2
9.5
4.75
2.36
1.18
0.6
0.3
0.15
0.075
筛余质量分数/%
5.97
22.37
48.15
9.92
4.80
1.21
1.30
0.87
0.77
3试验容
3.1掺加玻璃珠对空隙率的影响
由图3可见，掺加玻璃珠后混合料的空隙率（目标空隙率为20％）变小，原因是玻璃珠的密度为2.5G/m3左右，小于集料的密度；比较掺加量相同而直径不同的玻璃珠，直径为2.36mm玻璃珠对混合料空隙率的影响小于直径为4.75mm玻璃珠对混合料空隙率的影响；同一直径（4.75mm）玻璃珠的掺加量越大（质量分数），混合料空隙率越小。
图3玻璃珠的掺加量对混合料空隙率的影响
3.2掺加玻璃珠对混合料路用性能的影响
主要测定掺加玻璃珠后对混合料的高温稳定性、水稳定性、表面抗滑性和降噪性能等的影响，试验结果如图4～图9所示。
图4玻璃珠的掺加量与 图5玻璃珠的掺加量与
马歇尔稳定度的关系 马歇尔残留稳定度的关系
（1）由图4、图5可见，随着玻璃珠掺加量的增加，马歇尔稳定度及其残留稳定度呈下降趋势；当玻璃珠掺加量超过15％时，下降幅度比较迅速，但都满足规对马歇尔稳定度值的要求。
（2）由图6可见，随着玻璃珠掺加量的增加，流值逐渐升高；在掺加量为10％～15％时基本保持平稳，掺加量大于15％时，流值增加得更快些，但仍小于40（0.1mm）的规值要求。
（3）由图7可知，玻璃珠掺加量与动稳定度的关系似乎规律性不强。
当玻璃珠掺加量由0增至10％时，动稳定度呈下降趋势；但掺加量为10％而玻璃珠直径不同时，直径大的玻璃珠其动稳定度值更大一些，原因是相同质量的玻璃珠，直径越大其颗粒数会更少些，与混合料的接触面积越小，混合料的抗车辙能力更强些；相同粒径的玻璃珠，随掺加量的增加，抗车辙能力呈下降趋势。
图6玻璃珠的掺加量 图7玻璃珠的掺加量与
与流值的关系 动稳定度的关系
（4）由图8可见，由于玻璃珠的掺加，使混合料的抗滑能力下降，但其变化趋势与玻璃珠在混合料表面的覆盖率有关。
玻璃珠覆盖率是其直径与粒数共同作用的结果：
当粒数一定时，直径越小，覆盖率越小；直径越大，覆盖率越高。
方案4与方案2相比，方案4混合料试件表面不仅有2.36mm玻璃珠，而且还有1.18mm的玻璃珠，其覆盖率更大些，抗滑能力自然会下降。
（5）路面噪声源于轮胎与路面的接触、轮胎变形和轮胎与空气的相互作用。
OGFC路面结构由于存在许多连通的小孔，当轮胎滚动时，被压缩的气体能够通畅的钻入路面孔隙，而不是向周围排射，因而在噪声的辐射过程中吸收了大量声能。
图9中噪声值是通过轮胎下落法【6】测定的，其与玻璃珠掺加量的关系与空隙率的变化趋势是一致的：
随着玻璃珠掺量的增加，混合料空隙率下降，所测噪声值增大。
图8玻璃珠的掺加量 图9玻璃珠的掺加量
与摩擦因数的关系 与噪声值的关系
3.3掺加玻璃珠的反光效果
公路隧道照明设计【7】中，通过布设灯具提高路面亮度总均匀度和纵向均匀度。
通过在混合料中掺加玻璃珠，可以利用玻璃珠的回复反射原理，提高照度上升的系数，不仅节约电能，同时也增加了隧道行车的安全性。
在混合料中掺加玻璃珠的反光效果，可以采用手电筒照射方式目测；对其反光效果的定量评价可通过测逆反射系数来实现，如表3中数据所示。
表3中数据是在车辙板上测定的，由于玻璃珠的掺加是拌和方式，玻璃珠表面裹覆了一层沥青，其逆反射系数值较小；在实际使用后，随着道路表面的逐步磨耗，其反光性能还会进一步提高。
表3掺加玻璃珠后的反光强度测定值
方案编号
1
2
3
4
5
逆反射系数/
（mcd·（lx·m²）ˉ¹）
12
24
19
17
20
4试验路铺筑
试验路段于2008年9月21日至22日在—高速公路东渝河隧道铺筑。
东渝河隧道全长488m，试验路在该隧道中间300m处共铺筑3段，分别是100m密级配沥青混合料（AC-13）上面层、100m开级配沥青混合料（OGFC-13）磨耗层和100m掺加玻璃珠（方案2）的开级配沥青混合料（OGFC-13）磨耗层，摊铺厚度都是4cm。
试验路段性能指标检测结果如表4所示。
表4试验路性能指标测定结果
沥青混合料类别
稳定度/
kN
流值/
mm
构造深度/
mm
渗水性/
（mL·min-1）
压实度/
%
AC-13
17.8
2.48
0.7
15.0
99.3
OGFC-13
掺加玻璃珠
6.5
2.17
0.8
157.0
99.0
OGFC-13
6.8
2.07
1.64
857.3
98.8
表4数据均是现场测定的结果，渗水性能可从侧面反映铺筑层的空隙率，进一步也可以体现各段的降噪效果。
表4数据表明，从抗滑、降噪的角度来看，OGFC-13最好，OGFC-13掺加玻璃珠其次，AC-13最差；3者的施工压实度差别不大【8-11】。
5结语
（1）隧道铺设反光路面，不仅能达到节约电能目的，而且还提高了行车安全性。
（2）隧道中铺筑掺加玻璃珠的OGFC路面结构，能同时达到抗滑、降噪、阻燃和反光等目的，是一种很有发展前景的多功能性隧道路面结构形式。
（3）5种方案分析结果表明：
在OGFC-13面层中掺加10%～15%、直径为2～3mm的玻璃珠时，可以满足路用性能各项技术指标的要求；玻璃珠直径过小，会使玻璃珠陷入集料空隙之间而达不到反光的效果；直径过大，则会使路用性能下降过多，而且会因玻璃珠覆盖率减小影响反光效果。
（4）玻璃珠不仅可掺入OGFC混合料中，而且可加入密级配的沥青混合料中，但其最佳掺加量及直径的选择，还需通过试验验证来确定。
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