北京路面的“延年益壽”方案

文

我國(guó)的長(zhǎng)壽命瀝青路面相關(guān)應(yīng)用及研究起步較晚，落后歐美發(fā)達(dá)國(guó)家50年，且我國(guó)幅員遼闊、氣候差異較大，各省市的交通特點(diǎn)亦有所不同，因此，根據(jù)各自的特點(diǎn)，確定長(zhǎng)壽命瀝青路面的相關(guān)參數(shù)顯得尤為重要。為了研發(fā)出適合北京市交通和氣候條件的長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)，2010年，北京市交通委啟動(dòng)重大科技攻關(guān)項(xiàng)目“長(zhǎng)壽命瀝青路面關(guān)鍵技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)研究”（以下簡(jiǎn)稱“研究”），拉開了長(zhǎng)壽命瀝青路面技術(shù)在北京地區(qū)實(shí)踐的帷幕。

北京市長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)與材料研究

北京對(duì)長(zhǎng)壽命瀝青路面的定義

國(guó)外一些長(zhǎng)壽命瀝青路面的定義，基本上設(shè)定了路面的結(jié)構(gòu)性壽命和功能性壽命。各國(guó)根據(jù)其道路路面的發(fā)展水平和各自的特點(diǎn)，定義長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)壽命基本在20～60年范圍內(nèi)，較多采用30～40年。結(jié)合北京市的交通和氣候特點(diǎn)，研究細(xì)化了北京市長(zhǎng)壽命瀝青路面的定義：路面設(shè)計(jì)使用年限為35年，平均罩面時(shí)間不小于12年，即表面功能層壽命達(dá)到12年，主要承重層壽命達(dá)到35年。這一定義主要考慮了目前我國(guó)瀝青路面設(shè)計(jì)年限為15年，延長(zhǎng)約一倍到35年，符合我國(guó)瀝青路面發(fā)展技術(shù)水平，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)研究。

北京市長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)推薦

目前，北京地區(qū)城市道路接地壓強(qiáng)達(dá)到1兆帕，公路接地壓強(qiáng)達(dá)到1.8兆帕，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了法定的0.7兆帕，路面表面極端溫度已經(jīng)達(dá)到70攝氏度?？紤]到北京地區(qū)的交通和氣候特點(diǎn)和道路建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性，不能像歐美發(fā)達(dá)國(guó)家一樣完全放棄半剛性基層，因此，研究推薦采用半剛性+柔性聯(lián)結(jié)層復(fù)合基層結(jié)構(gòu)。

北京市長(zhǎng)壽命瀝青路面材料研究

研究針對(duì)各種不同功能的半剛性基層、柔性基層和瀝青層材料進(jìn)行詳細(xì)的材料設(shè)計(jì)，提出了基于結(jié)構(gòu)功能的材料設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與材料相輔相成。按照長(zhǎng)壽命瀝青路面的思想，承重層應(yīng)采用模量較高的抗車轍瀝青混合料，表面磨耗層可以采用多種類型的瀝青混合料。研究采用的高模量抗車轍瀝青混合料有硬質(zhì)瀝青混合料、添加劑改性抗車轍瀝青混合料、類天然瀝青高模量混合料等，擬采用的抗疲勞瀝青混合料有大粒徑排水式瀝青混合料、改性瀝青細(xì)粒式混合料、應(yīng)力吸收層瀝青混合料等作為聯(lián)結(jié)層，表面磨耗層瀝青采用SMA混合料、超薄磨耗層瀝青混合料等，通過對(duì)各結(jié)構(gòu)層瀝青混合料全面系統(tǒng)的研究，使結(jié)構(gòu)功能與材料性能有機(jī)統(tǒng)一。

鄭思 攝北京市因地制宜的長(zhǎng)壽命路面設(shè)計(jì)方法，有效避免了瀝青路面“開膛破肚式”維修，不僅節(jié)約了資源和成本，還減少了交通延誤，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益顯著。

抗疲勞瀝青混合料的應(yīng)用

一般可以通過適當(dāng)提高油石比、增加膠漿、細(xì)集料用量等手段來(lái)提高材料抗疲勞性能，研究采用穩(wěn)定橡膠改性瀝青，并對(duì)其與普通橡膠瀝青ARAC-16混合料的路用性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

高溫穩(wěn)定性能

在60攝氏度條件下，進(jìn)行車轍試驗(yàn)得出動(dòng)穩(wěn)定度來(lái)評(píng)價(jià)改性瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，兩種材料的馬歇爾穩(wěn)定度、流值及車轍試驗(yàn)的動(dòng)穩(wěn)定度，均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）要求。

再進(jìn)行漢堡車轍試驗(yàn)即2萬(wàn)次荷載作用，測(cè)得兩種材料車轍深度分別為2.97毫米、6.49毫米，均小于10毫米，穩(wěn)定橡膠改性瀝青車轍深度略小一些。

水穩(wěn)定性能

采用浸水馬歇爾試驗(yàn)殘留穩(wěn)定度和凍融前后的劈裂強(qiáng)度比來(lái)評(píng)價(jià)水穩(wěn)定性能，兩種瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度比均大于90%、劈裂強(qiáng)度比大于80%，符合要求。

低溫抗裂性能

采用低溫彎曲試驗(yàn)的破壞應(yīng)變指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗低溫開裂性能，試驗(yàn)結(jié)果顯示，兩種材料在零下10攝氏度的極限應(yīng)變均在3000με以上，符合北京地區(qū)瀝青路面自然區(qū)劃1-3-2區(qū)大于等于2500μ ε的要求。

混合料回彈模量性能研究

在20攝氏度條件下，進(jìn)行抗壓回彈模量試驗(yàn)測(cè)定材料的彈性模量，同時(shí)測(cè)定劈裂強(qiáng)度和極限強(qiáng)度，為多層彈性體系設(shè)計(jì)理論下計(jì)算路面結(jié)構(gòu)厚度提供一定的參考。

從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下的穩(wěn)定橡膠改性瀝青混合料的抗壓回彈模量在1500～2000兆帕，普通橡膠瀝青混合料的抗壓回彈模量在1000～1500兆帕。

混合料抗疲勞耐久性能研究

以瀝青路面結(jié)構(gòu)所受應(yīng)變狀態(tài)接近的應(yīng)變水平600με、800με、1000μ ε為標(biāo)準(zhǔn)，采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)儀測(cè)定兩種材料的抗疲勞性能，由試驗(yàn)結(jié)果可知，兩種瀝青混合料抗疲勞性能較好，600μ ε應(yīng)變水平下疲勞壽命均達(dá)10萬(wàn)次以上，穩(wěn)定橡膠改性瀝青混合料性能略高一些。

高模量瀝青混合料的應(yīng)用

高模量瀝青混凝土基本的原理是設(shè)計(jì)一種具有高含量硬結(jié)合料的混合料，以得到優(yōu)良的抗疲勞性能，但不降低抗流動(dòng)車轍能力。為了達(dá)到此目的，結(jié)合劑常由總量為6.4～8%，豐度系數(shù)為4～5的硬瀝青和聚烯烴組成，并將這種新型的混合料表示為HMAC混合料。

高模量瀝青混合料技術(shù)措施

1.采用25攝氏度下，針入度為10～20(0.1毫米)，軟化點(diǎn)為65～80攝氏度，160攝氏度下粘度為400～600MPa·s的硬質(zhì)瀝青作為結(jié)合料。

2.添加高熔點(diǎn)天然瀝青，得到的結(jié)合料應(yīng)具備25攝氏度下，針入度在8～18之間(0.1毫米)，軟化點(diǎn)在65～80攝氏度的條件。

3.選取聚烯烴類物質(zhì)直接加入到熱拌混合料中。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外已有的經(jīng)驗(yàn)，可以采用較硬的道路石油瀝青、天然瀝青和較粗級(jí)配的集料配制高模量瀝青混合料，本研究中針對(duì)15#、30#、TLA湖瀝青等硬質(zhì)瀝青進(jìn)行了高模量瀝青混合料的性能研究。

硬質(zhì)瀝青AC-20(EME14)性能研究

采用硬質(zhì)瀝青(15#)配制高模量瀝青混凝土，為達(dá)到提高抗車轍性能的目標(biāo)，進(jìn)行了硬質(zhì)瀝青AC-20混合料的性能初步研究，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得知，硬質(zhì)瀝青AC-20混合料性能優(yōu)異，抗車轍能力突出，動(dòng)穩(wěn)定度符合改性瀝青混合料的技術(shù)要求，優(yōu)勢(shì)顯著。

基于多指標(biāo)的高模量瀝青混合料概念的提出

在基本性能完成之后，選擇了北京常用的18種瀝青混合料在20攝氏度、30攝氏度、45攝氏度的條件下，研究各類瀝青的抗壓回彈模量。

研究認(rèn)為，可將20攝氏度下抗壓回彈模量大于2000兆帕的15#瀝青AC-20、30#瀝青ATB-25、GAC-20、PRAC-20、TLAC-20、SBSAC-20和PRAC-25；30攝氏度下抗壓回彈模量大于1500兆帕的15#瀝青AC-20、30#瀝青ATB-25、GAC-20、TLAC-20和PRAC-25；45攝氏度下抗壓回彈模量大于800兆帕的15#瀝青AC-20、30#瀝青ATB-25，SBSAC-20、PRAC-25和PRSBSAC-16定義為高模量瀝青混合料。

采用基于我國(guó)試驗(yàn)方法的多條件定義方法，可以使高模量瀝青混合料在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用更加具體化、明確化。

長(zhǎng)壽命瀝青路面技術(shù)在北京的應(yīng)用

輕交通量：華西路

華西路為二級(jí)公路，設(shè)計(jì)行車時(shí)速60公里。設(shè)計(jì)年限為35年，瀝青面層大修周期12年。

參考國(guó)外長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)及其使用性能，并結(jié)合我國(guó)的靜態(tài)材料參數(shù)、華西路交通狀況與使用環(huán)境，考慮到工程造價(jià)與實(shí)際工程建設(shè)情況，為其擬定了兩種長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)，如表1所示。

表1.輕交通量長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)

重交通量：門頭溝國(guó)道108線

南村至石門營(yíng)公路為國(guó)道108線在北京境內(nèi)的一部分，這條路上客車通行量約為67%，貨車通行量約為33%。貨運(yùn)相對(duì)較發(fā)達(dá)，其車輛軸載譜的分布具有一定的可借鑒性，設(shè)計(jì)壽命為35年，行車時(shí)速為60公里，瀝青面層大修周期12年。

根據(jù)國(guó)道108線的交通狀況與使用環(huán)境，考慮到工程造價(jià)與實(shí)際工程建設(shè)情況，為其擬定了兩種長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)，如表2所示。

表2.重交通量長(zhǎng)壽命路面結(jié)構(gòu)

舒運(yùn)平 攝在現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范體系下，提高路基回彈模量，是我國(guó)發(fā)展長(zhǎng)壽命瀝青路面的基礎(chǔ)。同時(shí)，可適當(dāng)借鑒國(guó)外全厚式或柔性基層的思路，豐富國(guó)內(nèi)長(zhǎng)壽命瀝青路面結(jié)構(gòu)。

2012年，北京在平谷區(qū)和門頭溝區(qū)選擇了輕、重交通的路況鋪筑了強(qiáng)化土基的復(fù)合式瀝青路面結(jié)構(gòu)，使用了抗疲勞瀝青混合料、高模量瀝青混合料等技術(shù)及材料。至今，兩條試驗(yàn)路鋪筑完成已經(jīng)8年的時(shí)間，近期回訪發(fā)現(xiàn)，路面狀態(tài)良好，整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度完好，證明北京長(zhǎng)壽命瀝青路面的發(fā)展方向是正確的，所用的結(jié)構(gòu)與材料具有延長(zhǎng)路面耐久性、提高路面結(jié)構(gòu)壽命的效果。當(dāng)然，8年的工程驗(yàn)證還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，相信隨著科技的進(jìn)步，北京長(zhǎng)壽命瀝青路面技術(shù)將會(huì)走上新的臺(tái)階。