高等級(jí)公路路面結(jié)構(gòu)差異化應(yīng)用研究

丁君明 唐國(guó)奇 張小剛 鐘軍民

(1.江西省路橋工程集團(tuán)有限公司 南昌 330038； 2.國(guó)路高科(北京)工程技術(shù)研究院有限公司 北京 100083)

由于交通荷載在多車(chē)道路面分布的不均衡性，使得瀝青路面病害在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中呈現(xiàn)差異化分布現(xiàn)象。據(jù)大量調(diào)查可知，行車(chē)道的路面病害較多，特別是貨車(chē)較多的行車(chē)道車(chē)轍病害尤為嚴(yán)重，而超車(chē)道病害較少，緊急停車(chē)道幾乎沒(méi)有路面病害問(wèn)題。由于大部分高速公路的路面面層采用相同的路面結(jié)構(gòu)，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)中瀝青面層大、中修壽命差異較大，有必要進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)差異化設(shè)計(jì)探討[1]。

湖北省高速公路普遍存在貨車(chē)道過(guò)早損壞、頻繁維修的問(wèn)題，為提高湖北老谷高速路面的整體耐久性和使用壽命，考慮針對(duì)車(chē)道交通量的“路面結(jié)構(gòu)與材料差異化設(shè)計(jì)”。

1 工程概況

老河口至宜昌高速公路老河口至谷城段起始于豫鄂省界，終點(diǎn)與谷城至?？刀胃咚俟酚诠瘸俏鳂屑~互通相接，路線(xiàn)全長(zhǎng)39.3 km。JTG D50-2017 《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》提出，當(dāng)上、下行交通荷載有明顯差異時(shí)，可按上、下行交通特點(diǎn)分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)與厚度設(shè)計(jì)[2]。多車(chē)道瀝青路面不同車(chē)道的交通荷載有較大差異，考慮在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中進(jìn)行不同車(chē)道的材料性能差異化設(shè)計(jì)。

橡膠瀝青混合料具有優(yōu)良的高溫、低溫性能和抗疲勞性能，其降噪功能顯著。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為對(duì)于超重軸載的使用環(huán)境，橡膠粉瀝青混凝土尤為有利，如果以橡膠瀝青代替?zhèn)鹘y(tǒng)的瀝青，路面結(jié)構(gòu)層厚度至少可減少一半，并仍可以獲得相同的抗疲勞性能。

貨車(chē)較多的行車(chē)道應(yīng)充分考慮其抗車(chē)轍、抗疲勞開(kāi)裂能力，其他行車(chē)道對(duì)抗車(chē)轍要求不高。大量的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，路面結(jié)構(gòu)的中面層是抗車(chē)轍的主要層，有必要根據(jù)車(chē)道不同進(jìn)行路面抗車(chē)轍性能的調(diào)整，加強(qiáng)瀝青路面中面層瀝青混合料的抗車(chē)轍性能。

瀝青路面的上面層應(yīng)具有良好的抗滑、小噪聲、高平整度等特點(diǎn)，整個(gè)路面外觀也應(yīng)統(tǒng)一，故本工程路面上面層擬統(tǒng)一采用排水性瀝青混合料，中面層進(jìn)行瀝青混合料差異設(shè)計(jì)，對(duì)貨車(chē)道進(jìn)行材料性能增強(qiáng)設(shè)計(jì)。

采用橡膠瀝青混合料提升路面的路用性能指標(biāo)，基于性能差異化設(shè)計(jì)理念，本工程瀝青路面中面層超車(chē)道和貨車(chē)道采用不同性能混合料，具體設(shè)計(jì)方案見(jiàn)表1。

表1 主線(xiàn)不同車(chē)道性能差異化設(shè)計(jì)

2 中面層瀝青混合料性能

2.1 原材料性能

中面層粗集料應(yīng)采用堅(jiān)硬、耐磨、潔凈的石灰?guī)r加工，集料加工設(shè)備必須采用不少于二級(jí)聯(lián)合破碎的大型碎石機(jī)，保證軋制成的碎石形狀接近立方體，同時(shí)碎石機(jī)必須配置除渣、除塵設(shè)備，嚴(yán)格控制集料中的粉塵含量。

細(xì)集料應(yīng)采用石灰石機(jī)制砂或者與面層粗集料同母巖經(jīng)二級(jí)破碎且除塵合格的細(xì)集料[3]。

瀝青混合料的填料必須采用石灰?guī)r或巖漿巖中的強(qiáng)基性巖石等憎水性石料經(jīng)磨細(xì)得到的礦粉，原石料中的泥土雜質(zhì)應(yīng)除凈，礦粉應(yīng)干燥、潔凈，能自由地從礦粉倉(cāng)流出。

根據(jù)瀝青路面使用性能氣候分區(qū)，本工程的橡膠改性瀝青采用70號(hào)瀝青A級(jí)基質(zhì)瀝青與橡膠粉按適當(dāng)比例調(diào)配，其性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 基質(zhì)瀝青及橡膠改性瀝青的性能指標(biāo)

由表2可見(jiàn)，從高溫穩(wěn)定性、低溫延展性角度來(lái)看，橡膠瀝青的延度、軟化點(diǎn)、針入度等指標(biāo)均優(yōu)于基質(zhì)瀝青，且老化后的性能也明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青，能夠滿(mǎn)足規(guī)范的相關(guān)要求。

2.2 瀝青混合料性能

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本工程瀝青路面中面層超車(chē)道和貨車(chē)道采用不同性能混合料。超車(chē)道的中面層采用6 cm AC-20C橡膠瀝青混合料(方案一)，而貨車(chē)道為提高抗車(chē)轍性能，在超車(chē)道橡膠瀝青混合料的基礎(chǔ)上，摻加0.2%抗車(chē)轍劑(方案二)。

為對(duì)比2種瀝青混合料的性能差異，室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)2種混合料的空隙率、穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度、殘留穩(wěn)定度強(qiáng)度比、凍融劈裂強(qiáng)度、凍融劈裂強(qiáng)度比和動(dòng)穩(wěn)定度等性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3和表4。

表3 馬歇爾穩(wěn)定度指標(biāo)

表4 劈裂強(qiáng)度和動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)

由表3和表4可見(jiàn)，方案二的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性?xún)?yōu)于方案一，低溫抗裂性能也較優(yōu)，且動(dòng)穩(wěn)定度有顯著提升，表明摻加0.2%抗車(chē)轍劑的橡膠瀝青混合料具有良好的路用性能，能夠滿(mǎn)足貨車(chē)道的行車(chē)要求。

3 橡膠瀝青混合料施工技術(shù)

由于主線(xiàn)中面層需用到2種不同材料，同時(shí)硬路肩中、下面層都采用級(jí)配碎石，混合料的生產(chǎn)、運(yùn)輸、攤鋪及碾壓等一系列施工組織都需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

3.1 橡膠瀝青混合料的拌和

瀝青混合料生產(chǎn)方案同時(shí)考慮了抗車(chē)轍劑和橡膠瀝青的技術(shù)要求，同時(shí)制定了不同性能混合料(是否添加抗車(chē)轍劑)的生產(chǎn)方案。充分考慮抗車(chē)轍劑和橡膠瀝青的生產(chǎn)溫度，瀝青加熱溫度控制在170～180 ℃，集料加熱溫度為190～195 ℃，橡膠瀝青混合料出料溫度185～190 ℃。橡膠瀝青混合料干拌時(shí)間為10 s，濕拌時(shí)間35 s，而外加劑管道較長(zhǎng)，因此建議摻抗車(chē)轍劑的橡膠瀝青混合料干拌時(shí)間為10 s，濕拌時(shí)間40 s。

拌和樓需在一個(gè)大的生產(chǎn)周期內(nèi)不斷切換添加外加劑，即生產(chǎn)2種不同性能的混合料并鋪筑在不同車(chē)道，生產(chǎn)過(guò)程中需結(jié)合拌和站的硬件設(shè)施條件，優(yōu)化生產(chǎn)流程。經(jīng)考察，拌和樓配置了多個(gè)成品倉(cāng)，初步提出“分階段生產(chǎn)、2成品倉(cāng)存儲(chǔ)2種不同性能混合料”的建議。生產(chǎn)過(guò)程中通過(guò)設(shè)置在控制室的投料機(jī)控制盒控制是否添加外加劑，然后混合料拌和完畢后分別存儲(chǔ)在2個(gè)成品倉(cāng)中，并運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)，其中切換頻率(或每種料連續(xù)生產(chǎn)噸數(shù))需與實(shí)際工程相結(jié)合并與拌和站協(xié)商決定。

從混合料種類(lèi)分析，超車(chē)道寬度為4.55 m(3.75 m+0.75 m)、貨車(chē)道為4.05 m(3.75 m+0.3 m)，由于2個(gè)車(chē)道進(jìn)行攤鋪時(shí)攤鋪機(jī)的距離應(yīng)保持不變，因此，需要對(duì)2種混合料的生產(chǎn)效率進(jìn)行匹配。按照設(shè)計(jì)方案，貨車(chē)道用料大約為超車(chē)道用料的1.12倍，即在生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程中應(yīng)按照該比例進(jìn)行2種混合料的生產(chǎn)。

3.2 橡膠瀝青混合料的運(yùn)輸

本工程由于要同時(shí)生產(chǎn)、攤鋪2種混合料，因此，需對(duì)混合料的運(yùn)輸進(jìn)行更加細(xì)致化管理，以保證將混合料運(yùn)至對(duì)應(yīng)車(chē)道。

設(shè)置專(zhuān)人管理車(chē)輛，并使用對(duì)講機(jī)與控制室溝通，由控制室決定需要運(yùn)輸哪種混合料，車(chē)輛管理專(zhuān)員負(fù)責(zé)實(shí)施。

在成品倉(cāng)上貼上“超車(chē)道”、“貨車(chē)道”等字樣，并且保證車(chē)輛管理專(zhuān)員和司機(jī)可以清楚、及時(shí)地看到。打印卡牌，上面標(biāo)明“超車(chē)道”、“貨車(chē)道”等字樣，由車(chē)輛管理專(zhuān)員在引導(dǎo)車(chē)輛進(jìn)入指定成品倉(cāng)下候車(chē)并裝料，交給司機(jī)對(duì)應(yīng)的卡牌，并將卡牌放置前擋風(fēng)玻璃易見(jiàn)處。

運(yùn)輸車(chē)過(guò)磅時(shí)，榜單上應(yīng)注明“超車(chē)道”或“貨車(chē)道”。在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置接料員，并設(shè)置區(qū)分超車(chē)道和貨車(chē)道的標(biāo)志，接料員通過(guò)查看卡牌，引導(dǎo)運(yùn)輸車(chē)進(jìn)入正確的車(chē)道。

運(yùn)輸管理方案需要提前與拌和站、運(yùn)輸隊(duì)等相關(guān)人員進(jìn)行詳細(xì)技術(shù)交底，保證方案的順利實(shí)施。

3.3 橡膠瀝青混合料的攤鋪及碾壓

由于本工程采用差異化設(shè)計(jì)，中面層有2種性能混合料，同一層位不同車(chē)道所需壓實(shí)功可能會(huì)有一定差異，且2.7 m硬路肩中面層采用級(jí)配碎石，與行車(chē)道的材料不同，需要分別施工，其施工順序及工藝需要進(jìn)行確定和調(diào)整，推薦先進(jìn)行瀝青面層的鋪筑然后再鋪筑低劑量水穩(wěn)碎石，以避免水穩(wěn)碎石施工污染瀝青面層工作面。由于橡膠瀝青混合料與普通瀝青混合的壓實(shí)特性不同，需通過(guò)試驗(yàn)路確定最終碾壓工藝，特別是添加抗車(chē)轍劑后，需要確定貨車(chē)道所需的碾壓功是否需要增加，原則上貨車(chē)道復(fù)壓多一遍[4]。

硬路肩中、下面層硬路肩設(shè)計(jì)為級(jí)配碎石，鋪筑瀝青面層后，中、下面層會(huì)存在一個(gè)臺(tái)階，且有一定的松散料。由于硬路肩為級(jí)配碎石，因此瀝青面層的臺(tái)階和松散料不會(huì)影響接縫處的性能，不需要切割處理。

考慮到主線(xiàn)中面層寬度比橋梁鋪裝小3 m，因此中面層施工至橋梁時(shí)，理論上需要增加一臺(tái)攤鋪機(jī)。但由于老谷高速全線(xiàn)中存在一定量的中型橋，對(duì)于較小的中型橋施工，專(zhuān)門(mén)準(zhǔn)備1臺(tái)攤鋪機(jī)存在一定的資源浪費(fèi)，可以考慮通過(guò)使用2臺(tái)液壓伸縮攤鋪機(jī)完成全幅橋面鋪筑。

3.4 橡膠粉改性瀝青中面層質(zhì)量控制

橡膠粉改性瀝青行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)較低，且性能不穩(wěn)定，離析現(xiàn)象和降解(性能衰減)明顯，易造成混合料性能不穩(wěn)定、管道堵塞等問(wèn)題，而且其粘度大，對(duì)混合料的生產(chǎn)、碾壓均提出了更高的要求。

本工程采用的橡膠粉改性瀝青指標(biāo)需要高于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，需要有供應(yīng)商根據(jù)自己產(chǎn)品的特性提出相應(yīng)的技術(shù)控制指標(biāo)，但不應(yīng)盲目追求膠粉瀝青性能。若性能過(guò)高，粘度和軟化點(diǎn)過(guò)高，會(huì)導(dǎo)致混合料生產(chǎn)難度增加和混合料攤鋪碾壓的和易性降低，因此，建議在保證充分保證路面性能的前提下，根據(jù)拌和樓的具體工況，結(jié)合性能檢測(cè)、生產(chǎn)效率、碾壓效果的數(shù)據(jù)，尋求性能與施工的平衡點(diǎn)[5]。

膠粉的離析和降解會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料的質(zhì)量問(wèn)題，其對(duì)試驗(yàn)檢測(cè)、瀝青罐內(nèi)存儲(chǔ)、出廠(chǎng)性能穩(wěn)定性提出了特殊要求。在取樣時(shí)應(yīng)盡量避免長(zhǎng)時(shí)間的高溫加熱，其加熱時(shí)間應(yīng)盡量與瀝青罐中加熱存儲(chǔ)的時(shí)間一致，以保證試驗(yàn)樣品性能盡量接近實(shí)際使用中的膠粉瀝青性能，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)才具備指導(dǎo)意義。

瀝青罐內(nèi)存儲(chǔ)應(yīng)嚴(yán)格遵循膠粉瀝青供應(yīng)方提出的關(guān)于保溫溫度、保溫時(shí)間、攪拌頻率的規(guī)定，避免加劇膠粉瀝青的離析或者降解。隨著膠粉瀝青的離析和降解，混合料的質(zhì)量也會(huì)隨之波動(dòng)，影響工程質(zhì)量[6-7]。如因特殊原因?qū)е鹿こ掏９ぃ^(guò)規(guī)定的保溫時(shí)間后，應(yīng)對(duì)膠粉瀝青的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)，如指標(biāo)不合格應(yīng)嚴(yán)禁使用，建議在使用過(guò)程中對(duì)膠粉瀝青進(jìn)行檢測(cè)，以確定高溫(180 ℃左右)儲(chǔ)存時(shí)間與性能的關(guān)系，為施工組織安排提供支持。

在整體的施工組織方面力求膠粉瀝青出廠(chǎng)后盡快使用，以盡可能避免離析和脫硫降解，但由于膠粉瀝青的性能指標(biāo)要求范圍較大，不同指標(biāo)的膠粉瀝青對(duì)應(yīng)的混合料配合比設(shè)計(jì)和混合料性能完全不同，因此應(yīng)保證膠粉瀝青在出廠(chǎng)后的性能保持在一個(gè)很小范圍的波動(dòng)，這對(duì)于目前工廠(chǎng)化生產(chǎn)的膠粉改性瀝青技術(shù)來(lái)說(shuō)并不困難，具備可實(shí)施性。

即使在保證性能的前提下，控制粘度的上限，但膠粉瀝青的粘度仍遠(yuǎn)大于SBS改性瀝青，需要嚴(yán)格控制混合料的生產(chǎn)、碾壓溫度，避免出現(xiàn)混合料離析和碾壓不實(shí)的效果。施工過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注并記錄控制過(guò)程溫度，并與試驗(yàn)室內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)和碾壓效果進(jìn)行匹配，建立性能與溫度的關(guān)系，指導(dǎo)施工。另外，需要嚴(yán)格遵循施工交底中制定的碾壓工藝，并根據(jù)試驗(yàn)路碾壓效果及時(shí)優(yōu)化碾壓工藝。

4 結(jié)語(yǔ)

JTG D50-2017提出，當(dāng)上、下行交通荷載有明顯差異時(shí)，可按上、下行交通特點(diǎn)分別進(jìn)行結(jié)構(gòu)與厚度設(shè)計(jì)。參考性能差異化設(shè)計(jì)理念，結(jié)合實(shí)際工程情況，提出在超車(chē)道和貨車(chē)道的瀝青路面中面層采用不同性能混合料。

1) 相比基質(zhì)瀝青，橡膠瀝青的延度、軟化點(diǎn)、針入度及老化的性能指標(biāo)均明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青，可滿(mǎn)足規(guī)范的相關(guān)要求。

2) 行車(chē)道采用的橡膠瀝青混合料性能指標(biāo)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，且貨車(chē)道采用的摻加0.2%抗車(chē)轍劑的橡膠瀝青混合料性能更優(yōu)，可滿(mǎn)足貨車(chē)道的行車(chē)要求。

3) 由于工程施工需要2種混合料，混合料的生產(chǎn)、運(yùn)輸、攤鋪及碾壓等一系列施工組織都需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，包括延長(zhǎng)貨車(chē)道用混合料的濕拌時(shí)間、2個(gè)成品倉(cāng)分別存儲(chǔ)混合料并貼標(biāo)識(shí)、貨車(chē)道復(fù)壓多一遍、路橋不同寬路段采用2臺(tái)液壓伸縮攤鋪機(jī)進(jìn)行全幅鋪筑等。

4) 橡膠粉改性瀝青易造成混合料性能不穩(wěn)定、管道堵塞等問(wèn)題，而且粘度大、生產(chǎn)和碾壓要求高，應(yīng)分別提出處理措施和控制要點(diǎn)。

湖北老谷高速工程項(xiàng)目的應(yīng)用實(shí)踐表明，在超車(chē)道和貨車(chē)道的瀝青路面中面層采用橡膠瀝青混合料可顯著提升瀝青路面的抗車(chē)轍性能，同時(shí)也能有效防止排水性瀝青混合料上面層雨水的下滲，提升瀝青路面整體的抗水損壞性能。

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