桂柳高速水泥路面改造應(yīng)力吸收層設(shè)計與應(yīng)用

林開勝

(廣西桂通工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530028)

0 引言

桂柳高速公路作為廣西區(qū)內(nèi)第一條高速公路，運營十幾年來，隨著交通量和車輛荷載的日益增長，舊水泥路面已經(jīng)逐漸出現(xiàn)了多種病害，急需對路面進(jìn)行改造，以改善行車安全性和舒適性。舊路加鋪瀝青面層是一種常用的水泥路面改造方案，但國內(nèi)外一直沒有統(tǒng)一的設(shè)計方法。從區(qū)內(nèi)已完成水泥路面加鋪的柳南高速和南北高速的使用情況來看，目前路面狀況十分良好，尚未出現(xiàn)大面積損壞，這說明兩條路所采取的改造方案是較為成功的，可供桂柳高速水泥路面改造參考使用。

經(jīng)過對比論證，桂柳高速瀝青加鋪層最終確定為：2 cm應(yīng)力吸收層AC10+10 cm中面層AC25C+4 cm表面層SMA13。其中，應(yīng)力吸收層AC10主要用作水泥路面的應(yīng)力消散和吸收使用，其設(shè)計方法、技術(shù)指標(biāo)和性能要求有別于現(xiàn)行規(guī)范中密級配AC10瀝青混凝土，因此在設(shè)計和應(yīng)用時，需要綜合考慮應(yīng)力吸收層的防反射裂縫、應(yīng)力消散效果、防水封水效果及結(jié)構(gòu)性能等要求。本文主要借鑒柳南高速路面改造中所使用的應(yīng)力吸收層設(shè)計方法，結(jié)合桂柳高速沿線的地方性材料，針對性地開展應(yīng)力吸收層混合料在桂柳高速路面改造工程(簡稱本工程)中的應(yīng)用研究，用于指導(dǎo)實體工程的設(shè)計、施工和質(zhì)量控制。

1 應(yīng)力吸收層設(shè)計方法及設(shè)計參數(shù)

本文應(yīng)力吸收層設(shè)計方法主要參考柳南高速公路路面改造工程中所使用的設(shè)計方法，并根據(jù)桂柳高速公路的實際情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，最終得到適合本工程使用的設(shè)計級配、最佳油石比確定方法和設(shè)計參數(shù)。

1.1 設(shè)計級配

為了保證其具有較好的防反射裂縫效果，同時兼顧部分高溫性能、保證施工和易性，設(shè)計級配在現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)上對礦料級配進(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整，采用粗集料斷級配來構(gòu)成設(shè)計級配，如表1所示。

表1 應(yīng)力吸收層AC10設(shè)計級配表

1.2 最佳油石比確定方法

借鑒柳南高速公路路面改造工程中使用的“基于路用性能均衡的應(yīng)力吸收層材料四控制點設(shè)計方法”來確定應(yīng)力吸收層的最佳油石比，即：

(1)確定油石比第一控制點ωA——協(xié)調(diào)抗變形能力和抗車轍能力關(guān)鍵的控制點。試驗研究表明，最緊密嵌擠狀態(tài)下油石比是協(xié)調(diào)抗變形能力和抗車轍能力的關(guān)鍵控制點，因此選取該值作為油石比的第一控制點，以協(xié)調(diào)抗變形能力和抗車轍能力。

(2)確定油石比第二控制點ωB——保證施工和易性的關(guān)鍵控制點。通過控制最大油石比保證混合料的施工和易性。以往研究表明，一定油石比范圍內(nèi)謝倫堡析漏試驗析漏損失率與油石比之間的關(guān)系曲線具有明顯的“拐點”，當(dāng)油石比超過該點時析漏損失率急劇上升，因此提出采用該“拐點”作為第二控制點，據(jù)此控制應(yīng)力吸收層瀝青混合料的最大油石比。

(3)開展ωA與ωB之間瀝青混合料0 ℃低溫小梁彎曲試驗，確定滿足彎曲應(yīng)變要求所對應(yīng)的油石比為第三控制點ωC。

(4)開展ωA與ωB之間瀝青混合料車轍試驗，根據(jù)混合料高溫穩(wěn)定性最佳狀態(tài)確定第四控制點ωD。

(5)綜合混合料的體積指標(biāo)、緊密狀態(tài)、變形適應(yīng)性、高溫穩(wěn)定性以及施工和易性，最終確定應(yīng)力吸收層用最佳油石比，并據(jù)此開展路用性能驗證。

1.3 設(shè)計參數(shù)

由于本工程使用的應(yīng)力吸收層AC10不同于密級配AC10，設(shè)計參數(shù)也做了相應(yīng)調(diào)整，如表2所示。

表2 應(yīng)力吸收層AC10設(shè)計參數(shù)表

2 桂柳高速應(yīng)力吸收層目標(biāo)配合比設(shè)計

2.1 原材料

本工程應(yīng)力吸收層采用廈門華特SBS改性瀝青(I-D)，臨桂四塘石場0～3 mm石灰?guī)r機(jī)制砂、臨桂萬福石場5～10 mm石灰?guī)r碎石，蘇橋產(chǎn)礦粉，原材料的各項性能指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，試驗結(jié)果見表3～6。

表3 SBS改性瀝青檢測結(jié)果表

表4 粗集料5～10 mm檢測結(jié)果表

表5 細(xì)集料0～3 mm檢測結(jié)果表

表6 礦粉檢測結(jié)果表

2.2 級配設(shè)計

采用水洗法對各礦料進(jìn)行篩分，根據(jù)表1的設(shè)計級配合成目標(biāo)配合比設(shè)計級配曲線，如圖1所示。所確定的目標(biāo)配合比各礦料比例為5～10 mm碎石∶0～3 mm機(jī)制砂∶礦粉=69∶26∶5。

圖1 目標(biāo)配合比合成級配曲線圖

2.3 最佳油石比確定

應(yīng)力吸收層馬歇爾擊實試驗結(jié)果如表7所示，本工程采用1.2中的方法確定最佳油石比。

2.3.1 確定油石比第一控制點ωA

采用瀝青混合料最緊密嵌擠狀態(tài)(即礦料間隙率VMA達(dá)到最小時)下的油石比作為應(yīng)力吸收層材料油石比的第一控制點。由表7可知，馬歇爾試驗最緊密狀態(tài)(即礦料間隙率VMA最小時)所對應(yīng)的油石比ωA為5.4%，將此值作為目標(biāo)配合比油石比的下限。

表7 應(yīng)力吸收層目標(biāo)配合比馬歇爾擊實試驗結(jié)果表

2.3.2 確定油石比第二控制點ωB

通過控制最大油石比保證混合料的施工和易性，該最大油石比為不同油石比下析漏試驗析漏損失率的陡增拐點。圖2為本工程不同油石比下的析漏試驗結(jié)果。由圖2可知，本工程應(yīng)力吸收層目標(biāo)配合比析漏損失率陡增點對應(yīng)油石比為6.6%，將此作為目標(biāo)配合比設(shè)計油石比第二控制點ωB。

圖2 析漏試驗曲線圖

2.3.3 確定油石比第三控制點ωC

選用第一控制點5.4%、第二控制點6.6%以及油石比上下限區(qū)間內(nèi)5.8%、6.2%進(jìn)行0 ℃小梁彎曲試驗，試驗結(jié)果見圖3。由圖3可知，滿足0 ℃小梁彎曲破壞應(yīng)變要求的最低油石比為5.9%，即油石比第三控制點ωC為5.9%。

圖3 0 ℃小梁彎曲試驗曲線圖

2.3.4 確定油石比第四控制點ωD

表8為不同油石比下應(yīng)力吸收層的車轍試驗。由表8可知，本工程應(yīng)力吸收層在油石比5.4%～6.6%范圍內(nèi)，其高溫穩(wěn)定性能均滿足設(shè)計要求，故第四控制點ωD的范圍為5.4%～6.6%。

表8 應(yīng)力吸收層目標(biāo)配合比車轍試驗結(jié)果表

2.3.5 確定滿足混合料體積指標(biāo)要求的油石比范圍

由表1馬歇爾擊實試驗的空隙率與油石比、瀝青飽和度與油石比的回歸關(guān)系可知，滿足空隙率上限值2.5%對應(yīng)的油石比為6.0%、滿足瀝青飽和度上限值85%所對應(yīng)的油石比為6.4%，則滿足混合料體積指標(biāo)要求的油石比范圍應(yīng)為6.0%～6.4%。

2.3.6 確定最佳油石比

將本節(jié)2.3.1至2.3.5的試驗結(jié)果匯總?cè)缦拢?/p>

(1)第一控制點油石比ωA=5.4%；

(2)第二控制點油石比ωB=6.6%；

(3)第三控制點油石比ωC=5.9%；

(4)第四控制點油石比范圍ωD為5.4%～6.6%；

(5)滿足混合料體積指標(biāo)要求的油石比范圍為6.0%～6.4%。

綜合應(yīng)力吸收層AC10混合料的體積指標(biāo)、緊密狀態(tài)、變形適應(yīng)性、高溫穩(wěn)定性以及施工和易性，最終確定應(yīng)力吸收層用最佳油石比范圍為6.0%～6.4%?？紤]到施工過程中的生產(chǎn)波動，本目標(biāo)配合比設(shè)計取該范圍的中間值油石比6.2%作為最佳油石比。

2.4 路用性能

在最佳油石比6.2%條件下開展應(yīng)力吸收層目標(biāo)配合比的路用性能驗證，結(jié)果見下頁表9。由表9可知，應(yīng)力吸收層的路用性能均滿足相關(guān)設(shè)計要求。

表9 應(yīng)力吸收層目標(biāo)配合比路用性能試驗結(jié)果表

3 工程應(yīng)用

桂柳高速公路(僚田至鹿寨)水泥路面改造工程采用了上述設(shè)計成果，施工中對應(yīng)力吸收層材料的抽檢結(jié)果匯總于表10。

表10 桂柳高速應(yīng)力吸收層施工抽檢結(jié)果表

由表10可知，本工程設(shè)計和選用的應(yīng)力吸收層AC10瀝青混合料具有良好的路用性能和使用效果，主要原因是由于其最佳瀝青含量，能夠提供很好的抗變形能力和抗疲勞能力，保證良好的防止反射裂縫和應(yīng)力耗散的效果。同時，與密級配AC10相比其碎石含量較多，能夠提供更好的抗車轍能力。

4 結(jié)語

本文以柳南高速路面改造中所使用的應(yīng)力吸收層設(shè)計方法為基礎(chǔ)，結(jié)合桂柳高速沿線的地方性材料，針對性地開展了應(yīng)力吸收層混合料在桂柳高速路面改造工程中的設(shè)計和應(yīng)用研究。通過室內(nèi)試驗和工程應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，本文所設(shè)計的應(yīng)力吸收層AC10具有良好的路用性能和使用效果，其最佳瀝青含量設(shè)計能夠提供較好的抗變形能力和抗疲勞能力，同時由于碎石含量較多時能夠提供更好的抗車轍能力，因此是一種性能均衡的應(yīng)力吸收層材料。

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