淺談提高瀝青路面使用性能的措施

童姝娟 吳國有

【摘要】通過分析瀝青路面出現(xiàn)早期損壞的原因和使用性能降低的影響因素，從路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和施工作業(yè)控制等方面探討改善路面使用性能。還提出了使用高性能瀝青混合料（如SMA、橡膠瀝青）等改善瀝青路面使用性能的技術(shù)措施及理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】瀝青路面；使用性能；途徑與方法

中圖分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

Discussion on Improving Asphalt Pavement Performance Measures

Tong ShujuanWu Guoyou

(Wen zhou Municipal Engineering Development and Construction Corporation325000)

Abstract: By analyzing reasons for?initial failure as well as?influential factors of degradation of performance of asphalt pavement, this artical explores methods to improve the performance of pavement in multiaspects as pavement structure design、material selection and construction control. Furthermore, technical measures with theoretical basis to enhance asphalt pavement performance like using high-performance asphalt mixture (such as SMA, rubber asphalt) are also proposed here.

Key words：Asphalt Pavement;The use of performance;Ways and means

瀝青路面技術(shù)發(fā)展

到2012年底，中國機(jī)動車保有量已達(dá)2.4億輛，其中汽車1.2億輛，汽車駕駛?cè)送黄?億人，公路通車?yán)锍?23.8萬公里，其中高速公路里程居世界第一。與此同時，我國瀝青路面技術(shù)有了很大發(fā)展，瀝青路面也有了極大地提高。

在設(shè)計(jì)方面，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，有限元理論也引入了路面結(jié)構(gòu)計(jì)算，同時還引入了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠度的分析，極大的提高了路面設(shè)計(jì)的效率和可靠性。

在施工方面，拌和設(shè)備有大型化的趨勢。高等級瀝青路面還大量使用了改性瀝青。隨著路面技術(shù)的發(fā)展，我國路面施工工藝水平普遍提高，有許多竣工路面工程的平整度能達(dá)到0.6以內(nèi)。但是我們也注意到，有許多高速公路路面在通車1年后平整度衰減很快，有的通車時間不長就出現(xiàn)了橋頭跳車和路面早期破壞，有的通車幾年就不得不進(jìn)行翻修罩面，使用性能也大大降低，達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求，因此，結(jié)合路面技術(shù)的最新發(fā)展?fàn)顩r，研究如何提高路面使用性能是非常重要的。

1、瀝青路面使用性能改善的途徑與方法

瀝青路面的使用性能是指路面所能提供的行車條件。路面使用性能可以由路面使用者的綜合感受來進(jìn)行評價。路面使用性能好，行駛舒適，路面使用者對路面的評價就高。

要提高路面的使用性能，主要應(yīng)從改善平整度，減少路面裂縫和車轍等方面著手，而瀝青混合料作為瀝青工程最重要的一個環(huán)節(jié)，直接影響到所鋪筑瀝青路面的質(zhì)量。而要達(dá)到這些目的，我們必須從路面設(shè)計(jì)(包括結(jié)構(gòu)體系和面層設(shè)計(jì))、材料設(shè)計(jì)和施工作業(yè)等方面去考慮，而這三個方面的因素又是相互影響和關(guān)聯(lián)的（見圖1）。

圖1 影響路面使用性能的因素

因此，筆者認(rèn)為，改善路面的使用性能，要從優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)體系、提高表面層的品質(zhì)、合理使用材料和提高施工作業(yè)水平等幾個方面尋求解決辦法。

2、 優(yōu)化瀝青路面結(jié)構(gòu)體系

2.1 目前瀝青路面設(shè)計(jì)中值得商討的幾個問題與改進(jìn)措施

2.1.1 瀝青路面設(shè)計(jì)不宜過于追求理論計(jì)算的精確性

瀝青是一種典型彈—粘性材料。瀝青在低溫（高粘度）及瞬時荷載作用下，彈性形變占主要地位；而在高溫（低粘度）及長時間荷載作用下，瀝青的形變主要是粘性的；而在負(fù)溫（-5℃以下）狀態(tài)下，瀝青又表現(xiàn)出一定的脆性，有試驗(yàn)證明，在這種情況下，用子彈射擊瀝青，瀝青脆裂結(jié)果與玻璃破碎的情況很相似。因?yàn)闉r青具有上述特性，所以瀝青混合料的特性與溫度有很大的關(guān)系，其強(qiáng)度和模量都隨溫度升高而急劇下降，它既不是彈性材料，也不是塑性材料。荷載作用時間和氣候?qū)ζ湫再|(zhì)也有影響。在正溫度狀態(tài)下，瀝青砼表現(xiàn)出一定的粘彈性；在負(fù)溫狀態(tài)下它具有一定的彈性。例如，在50℃時，瀝青混凝土試件的強(qiáng)度為1MPa～3MPa；而在-35℃時，其抗壓強(qiáng)度高達(dá)18MPa～23MPa，此時的強(qiáng)度接近水泥混凝土的強(qiáng)度。而且，溫度變化對瀝青砼的變形性能影響也很大。瀝青砼是最復(fù)雜的建筑材料之一。因此，瀝青砼路面設(shè)計(jì)時，都要進(jìn)行條件假設(shè)，在這種情況下，運(yùn)用任何理論計(jì)算的結(jié)果都只能做參考，過細(xì)的設(shè)計(jì)和過于重視設(shè)計(jì)是不必要的，重要的是通過實(shí)踐檢驗(yàn)。目前歐美等發(fā)達(dá)國家比較流行的也是通過試驗(yàn)路段進(jìn)行半理論力學(xué)設(shè)計(jì)。我國的路面設(shè)計(jì)理念也應(yīng)該朝這個方向發(fā)展。這樣才能使路面技術(shù)的發(fā)展更切合我國的國情和交通運(yùn)輸發(fā)展的需要，避免重復(fù)不良路面結(jié)構(gòu)體系，真正提高路面質(zhì)量。

2.1.2 半剛性路面有不可忽視的蔽病

半剛性路面具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。但是也有不可忽視的蔽病，就是半剛性材料易產(chǎn)生干縮裂縫。半剛性材料還容易產(chǎn)生溫度裂縫。從已建成的高速公路來看，半剛性材料不產(chǎn)生裂縫是不太可能的，國內(nèi)的研究資料證明了干縮裂縫對其承載能力不會產(chǎn)生什么影響，但是由于裂縫的存在，給水浸入路基提供了通道，對路面的外觀和耐久性產(chǎn)生很大的影響，路面的使用性能也大大降低。

柔性路面與半剛性路面相比較，最大的優(yōu)勢在于柔性路面的基層和底基層沒有裂縫產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)層整體水密性好。缺點(diǎn)是造價高。其典型結(jié)構(gòu)為：面層為12～17cm的瀝青砼；基層采用瀝青穩(wěn)定碎石，厚度15～20cm；底基層為30～40cm的級配碎石層，其強(qiáng)度的產(chǎn)生靠粒料之間的嵌鎖原理和密實(shí)原理形成。這種結(jié)構(gòu)我國高速公路還未采用，應(yīng)該在一定范圍內(nèi)先進(jìn)行試用，然后在總結(jié)試驗(yàn)路的基礎(chǔ)上，提出符合我國實(shí)際的柔性路面典型結(jié)構(gòu)體系，為進(jìn)一步提高我國路面技術(shù)探出新的發(fā)展途徑。

2.1.3 路面設(shè)計(jì)中幾個重視不夠的問題及其對路面使用性能的影響

(1)路面結(jié)構(gòu)層防水與排水

通常，水是通過面層裂縫、結(jié)構(gòu)層粒料間的孔隙進(jìn)入結(jié)構(gòu)層內(nèi)部的。當(dāng)面層孔隙率大于7%時，結(jié)構(gòu)密水性差，水容易滲入。在施工過程中局部易產(chǎn)生離析，或壓實(shí)度不足，現(xiàn)場實(shí)際空隙大于7%，或開級配設(shè)計(jì)，如傳統(tǒng)的Ⅱ型級配，實(shí)際現(xiàn)場孔隙率在10%以上，雨水可以從上下貫通的孔隙滲入結(jié)構(gòu)層內(nèi)。此外，施工期間趕上雨季或沖刷路面時造成局部積水，無法排出路基外，結(jié)構(gòu)層一直處于水的浸泡狀態(tài)。

要避免水對路面的破壞，主要通過現(xiàn)場探討，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室研究，反復(fù)實(shí)踐，按照“以滿足密水性和均勻性要求為第一目標(biāo)，盡量減少細(xì)集料、增加粗集料，力求形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)”的混合料設(shè)計(jì)原則，總結(jié)出適合我省氣候、交通條件的混合料級配范圍。

通常高速公路路面結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)，表面層設(shè)計(jì)為Ⅰ型（或SAC或SMA），中面層和底面層，采用Ⅱ型或有一層為Ⅰ型，只將雙層體系或三層體系中的一層按不透水層來考慮。筆者認(rèn)為，這種設(shè)計(jì)從排水防水角度來看是不合理的。實(shí)際情況是，不管哪一層空隙率大，水都有可能滲入，那一層就會產(chǎn)生破壞。因此，無論路面是一層、二層還是三層，各層都應(yīng)該選用密實(shí)型瀝青砼。為了保證中面層和底面層足夠的抗車轍能力，可以選擇粗骨架密級配型式，而不可拘泥于傳統(tǒng)的Ⅰ型級和Ⅱ型級配。這樣，結(jié)構(gòu)層既可以有比較好的防水性能，又有很好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與耐久性。

(2)結(jié)構(gòu)層合理厚度

①基層與底基層的合理厚度

結(jié)構(gòu)層厚度的確定，設(shè)計(jì)時考慮最多的是層厚是否滿足路面強(qiáng)度的要求。一般來說，基層與底基層每層厚度習(xí)慣上設(shè)計(jì)為15cm和20cm。 15cm一般施工時壓實(shí)度容易保證。但是，當(dāng)灰土厚度達(dá)到20cm時，采用BOMAG BW 203 AD-4壓實(shí)非常困難。參見表1。

表1 厚度對壓實(shí)度的影響

項(xiàng)目 試驗(yàn)結(jié)果 臨界厚度

壓實(shí)厚度（CM） 19.7 20.3 21.1 23.2 20CM

壓實(shí)度（%） 96.2 94.9 91.1 92.9

路基頂面標(biāo)高，施工時有時稍低于設(shè)計(jì)標(biāo)高。為了防止夾層出現(xiàn)路拌機(jī)往往要超拌1～2cm，加上施工誤差，設(shè)計(jì)層厚為20cm時，壓實(shí)厚度可能達(dá)到21～23cm，個別情況下可能達(dá)到23～25cm，這時壓實(shí)是非常困難的。從現(xiàn)場壓實(shí)度檢測試坑中，我們可以看到，當(dāng)厚度為20cm時，從頂面以下15cm范圍內(nèi)壓實(shí)效果很好，而底面的2～5cm這一部分壓實(shí)效果不理想，呈略為松散狀態(tài)。這種現(xiàn)象無論采用什么碾壓措施都是不可能消除的。因此，設(shè)計(jì)最大厚度以18cm為宜。

②面層厚度與集料粒徑的確定

一般來說，瀝青混合料的最大粒徑與層厚的比值愈大愈容易出現(xiàn)離析，而且愈不容易碾壓密實(shí)。因此，我國《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2006）規(guī)定：各瀝青層的厚度應(yīng)與混合料的公稱最大粒徑相匹配，瀝青混合料的一層壓實(shí)最小厚度不宜小于混合料公稱最大粒徑的2.5~3倍，OGFC或SMA的一層壓實(shí)最小厚度不宜小于混合料最大粒徑的2~2.5倍。

我國瀝青路面表面層一般為4 cm，混合料類型多采用AK-16和AC-16，最大粒徑與層厚之比為16/40=2/5，比值大于1/3，但小于2/3。這是符合規(guī)范要求的。但是，研究表明，當(dāng)最大粒徑與層厚比值超過1/3，容易引起離析，而且不容易壓實(shí)，容易出現(xiàn)路面早期破壞，這也是我國高速公路普遍出現(xiàn)早期損壞現(xiàn)象的原因之一。因此，面層厚應(yīng)設(shè)計(jì)為集料最大尺寸的3倍以上，而不應(yīng)是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的2倍或1.5倍。也就是說表面層為4cm時，混合料的最大粒徑應(yīng)不大于13.2mm。

2.1.4 瀝青路面結(jié)構(gòu)體系優(yōu)化

目前我國高速公路表面層厚度一般都在15cm以上，其出發(fā)點(diǎn)主要基于面層要求足夠的強(qiáng)度與其它結(jié)構(gòu)層一起承受車輛荷載的作用和防止路面裂縫方面考慮。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)，在半剛性路面結(jié)構(gòu)中，半剛性基層和底基層有足夠的強(qiáng)度承受車輛荷載的作用。瀝青面層實(shí)際上只起功能性作用。因此，僅從承載力方面考慮瀝青面層的厚度就沒有必要保持在12～15cm。沙博士在京石試驗(yàn)路上采用了4cm厚的面層，其強(qiáng)度與9～15cm面層厚的路段沒有明顯差異，也證明了這一結(jié)論的可行性。

沙博士在多年觀察西安試驗(yàn)路和長春試驗(yàn)路后發(fā)現(xiàn)，面層厚15cm的路段裂縫甚至還多于9cm路段。國外的資料表明，路面的抗車轍能力與面層厚成反比。特別在高溫季節(jié)，瀝青砼的抗壓摸量急劇下降，可以下降到600MPa，甚至更低。面層太厚就容易產(chǎn)生嚴(yán)重的車轍和擁包，從而降低路面的使用性能。從以上分析和各種研究結(jié)果看，面層厚減至9cm或12cm是可行的，沒有必要將面層厚度設(shè)計(jì)為15cm以上。

另一方面，幾乎所有的高速公路路面都使用不到設(shè)計(jì)年限就需要進(jìn)行中修，日本高等級公路也在使用6～8年后加鋪一層。因此，高速公路路面面層厚設(shè)計(jì)為9cm或12cm ，在使用一段時間后再加鋪一層是既經(jīng)濟(jì)又科學(xué)的。

3、 合理選擇和改善路面建筑材料的性能

3.1 改善瀝青結(jié)合料的性能

瀝青面層的低溫裂縫和溫度疲勞裂縫，以及在高溫條件下的車轍深度、推擠、擁包等永久變形都與瀝青有很大的關(guān)系。不同的瀝青，面層的裂縫率有很大的差別，其差別能達(dá)到10倍以上，最大可相差20倍。改善瀝青的溫度敏感性、低溫穩(wěn)定性和流變性對提高混合料的高溫和低溫力學(xué)性質(zhì)效果非常顯著，瀝青性能改善對提高路面長期使用性能有著非常重要的作用。

改善瀝青性能，首先要控制瀝青的含蠟量。資料顯示，含蠟量愈小，瀝青的路用性質(zhì)就愈好。選用普通瀝青采用傳統(tǒng)措施要同時提高混合料的高溫穩(wěn)定性和低溫抗脆裂性能幾乎是不可能的。這時，就必須開辟其他途徑，如使用改性瀝青來達(dá)到上述目的。

比較各種改性瀝青的性能，SBS改性瀝青無論從高溫、低溫性能，彈性恢復(fù)性能、感溫性哪個方面，都有明顯的優(yōu)勢，是其他改性瀝青如PE和EVA無法相比的。SBS的優(yōu)越性突出表現(xiàn)在使軟化點(diǎn)大幅度提高的同時，又使低溫延度明顯增加，感溫性得到很大改善，不僅高溫穩(wěn)定性大幅度提高，而且低溫性能也同時改善，并且彈性恢復(fù)率特別大，所有指標(biāo)都有明顯提高，這是非常難得的。SBS改性瀝青具有其他改性劑或綜合改性劑無法相比的優(yōu)點(diǎn)，而且在價格上也可以與PE、EVA競爭，所以改性瀝青以選用SBS為佳。目前，世界上使用最多的是SBS，約占改性瀝青總量的40%～44%。

3.2 提高集料的質(zhì)量

在考慮材料對瀝青混合料的影響時，往往比較重視瀝青的影響，而對集料的影響都重視不夠。然而，集料質(zhì)量差，必然結(jié)果是混合料的質(zhì)量也差，要提高瀝青混合料的性能，必要條件是保證集料的質(zhì)量，然后再考慮礦料級配的控制。要提高路面抗車轍的能力，集料要符合下面兩項(xiàng)要求：一是碎石表面微觀粗糙度大，且形狀接近立方體，質(zhì)地堅(jiān)硬；二是使用人工砂，限制使用圓形顆粒的天然砂。

3.3 改善瀝青與集料的粘結(jié)性

前面提到過，路面早期破壞水損害是其中一個重要原因。水損害產(chǎn)生的原因除了施工和配合比設(shè)計(jì)方面的原因以外，瀝青結(jié)合料與集料表面的粘結(jié)力喪失而導(dǎo)致集料松散剝離是其中的主要原因。瀝青混合料的粘附性差（水穩(wěn)性不好），容易導(dǎo)致面層嚴(yán)重轍槽，局部松散和坑洞等水損壞現(xiàn)象。

為解決瀝青與礦料遇水剝落的問題，長期以來國內(nèi)外都采用不同的添加劑來改善瀝青混凝土的水穩(wěn)性。國內(nèi)外道路工程師們常采用兩種方法。一是利用堿性礦料處理酸性礦料的表面，使后者活化，傳統(tǒng)做法是使用石灰或水泥。由于用消石灰水處理礦料工程量較大，也可以直接往拌和室內(nèi)加消石灰或生石灰粉。消石灰粉的用量一般為1%～2%，國內(nèi)外也有用水泥做添加劑的，也取得了預(yù)期效果。摻消石灰粉、生石灰粉或水泥是首選推薦措施。理由是這種方法價格便宜，施工簡單，只要用它代替一部分礦粉就可以了。實(shí)踐證明，使用這幾種抗剝落劑的效果是好的，而且長期使用性能或耐久性好。

另外一種方法是向?yàn)r青中加入少量液體抗剝落劑。這些液體抗剝離劑的初期效果不錯，但其長期性能或耐久性尚待進(jìn)一步研究，工程應(yīng)用時要注意選擇。

3.4 使用纖維瀝青混凝土

我國農(nóng)村很早以前在砌筑土坯墻時在土中加入草（麥或玉米）桔之類的加強(qiáng)筋，對減小墻體裂縫，增強(qiáng)墻體整體性起到了很好的效果。在瀝青混凝土中摻加纖維，以改善瀝青砼的性能，提高瀝青砼的高溫穩(wěn)定性，低溫抗裂性、抗疲勞性、柔韌性、抗剝落性、抗磨耗性和水穩(wěn)性，以及抵抗反射裂縫等方面都有很好的功效。