高速公路瀝青面層結(jié)構(gòu)組合設(shè)計

李昊，廖玲玲

（江西省天馳高速科技發(fā)展有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

大量工程實踐表明，傳統(tǒng)的4cm厚上面層+6cm厚中面層組合結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定且技術(shù)較為成熟。但在瀝青路面維修養(yǎng)護過程中，必須將上面層銑刨后加鋪罩面，必定增大維修養(yǎng)護成本。近年來出現(xiàn)的超薄磨耗層新型罩面技術(shù)抗滑、抗車轍及抗磨耗性能均較為優(yōu)越，且設(shè)計厚度較薄，通過其替代傳統(tǒng)厚度瀝青面層，既能提升路面路用性能，又能降低銑刨厚度，節(jié)省維修養(yǎng)護成本。為此，本文主要結(jié)合具體工程從材料性能、施工及經(jīng)濟性等角度將2.5cm厚超薄磨耗層+7.5cm厚中面層的新型面層組合結(jié)構(gòu)與4cm厚上面層+6cm厚中面層的傳統(tǒng)瀝青面層組合結(jié)構(gòu)進行比較。

1 工程概況

某高速公路改擴建工程起訖樁號K210+110—K265+378，全長55.268km，雙向四車道，路基寬28.5m，原路面結(jié)構(gòu)為瀝青混凝土路面，此次改建主要進行原路面局部病害處理及復(fù)合式罩面結(jié)構(gòu)的加鋪。該高速公路改擴建路段自2001年建成后運行，主要擔(dān)負(fù)著繁重的交通運輸任務(wù)，并為地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展做出了巨大貢獻。隨著交通規(guī)模的持續(xù)增大，重載車輛日益增多，導(dǎo)致道路病害趨于嚴(yán)重，路面平整度大幅降低，通行能力下降。

該改擴建路段自投運以來，先后進行過6次小范圍病害修補，且每年投入的維修養(yǎng)護費用逐年增加，根據(jù)相關(guān)部門得出的調(diào)查結(jié)果，該路段已經(jīng)達到大修及翻新改建的標(biāo)準(zhǔn)。

2 施工原材料

本公路工程面層結(jié)構(gòu)組合中超薄磨耗層和中面層設(shè)計厚度分別為2.5cm和7.5cm，根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004），熱拌熱鋪密級配瀝青混合料中，瀝青層壓實厚度應(yīng)不小于集料最大粒徑的2.5～3.0倍[1]，因此本公路中面層和超薄磨耗層應(yīng)分別采用AC-20、SUP-20以及SMA-10、AC-10混合料。結(jié)合工程實際，新型面層結(jié)構(gòu)采用SMA-10和AC-20混合料，而傳統(tǒng)面層結(jié)構(gòu)采用SMA-13和AC-20混合料。為保證抗車轍性能，均使用SBS改性瀝青，且SMA混合料以粒徑3～5mm、5～10mm、10～15mm輝綠巖碎石料為集料，以粒徑0～3mm石灰?guī)r為礦粉料，并采用密度0.45±0.05g/cm3且路用性能良好的木質(zhì)素纖維；集料磨耗值和壓碎值分別為13.1%和10.7%。AC-20混合料則采用石灰?guī)r集料。材料性能均滿足規(guī)范要求。

2.1 配合比設(shè)計

傳統(tǒng)面層結(jié)構(gòu)所采用的SMA-13和AC-20混合料配合比設(shè)計較為成熟，根據(jù)規(guī)范所確定的SMA-13和AC-20混合料最佳油石比分別為6.2%和4.4%。與其余粒徑混合料不同，SMA-10關(guān)鍵篩孔為2.36mm，目前國內(nèi)SMA-10混合料級配范圍內(nèi)，粒徑2.36～4.75mm的集料含量在40%以內(nèi)，較為寬泛的含量使該混合料設(shè)計難度增大[2]。結(jié)合相關(guān)研究成果，當(dāng)粒徑2.36～4.75mm的集料含量在8%以內(nèi)以及20%～28%范圍內(nèi)時集料體積參數(shù)更加滿足混合料性能要求，為此，本文結(jié)合集料篩分結(jié)果將SMA-10混合料中粒徑2.36～4.75mm的集料含量控制在20%～28%范圍內(nèi)；同時將馬歇爾擊實次數(shù)增大至75次，并根據(jù)馬歇爾試驗得到超薄磨耗層SMA-10混合料各項性能指標(biāo)，結(jié)果詳見表1。

表1 SMA-10混合料性能指標(biāo)

2.2 室內(nèi)試驗

為保證本公路瀝青面層結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，必須保證超薄磨耗層SMA-10替代原上面層后具備與原上面層SMA-13瀝青混合料同樣的力學(xué)及路用性能。本文通過凍融劈裂試驗、低溫彎曲試驗、擺值試驗、構(gòu)造深度試驗、單軸貫入試驗分別進行SMA-10和SMA-13混合料水穩(wěn)性、低溫抗裂性、抗滑性能、高溫穩(wěn)定性能等檢驗。根據(jù)試驗結(jié)果，SMA-10混合料構(gòu)造深度1.02mm、擺值61BPN、低溫彎曲破壞應(yīng)變4 080με、凍融劈裂強度比89.7%、單軸貫入抗剪切強度1.02MPa；SMA-13混合料構(gòu)造深度1.07mm、擺值64BNP、低溫彎曲破壞應(yīng)變3 342με、凍融劈裂強度比87.8%、單軸貫入抗剪切強度0.96MPa均滿足規(guī)范要求，且超薄磨耗層SMA-10混合料路用性能不亞于原上面層SMA-13混合料。

3 面層結(jié)構(gòu)組合性能

瀝青路面性能既受原材料及配合比設(shè)計影響，也與路面結(jié)構(gòu)設(shè)計有關(guān)。根據(jù)相關(guān)試驗結(jié)果，面層結(jié)構(gòu)從上至下3～8cm范圍內(nèi)剪應(yīng)力最大，發(fā)生車轍的可能性也最大，因此中上面層結(jié)構(gòu)整體性能的提升對于路面抗車轍能力的提高十分關(guān)鍵。

3.1 車轍試驗

利用混合料輪碾振動成型機進行面層結(jié)構(gòu)車轍試驗，各結(jié)構(gòu)層混合料實際質(zhì)量根據(jù)馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)密度與體積的乘積計算，并依次成型中面層和上面層?？紤]到材料用量大、成型工藝復(fù)雜，故僅成型厚度分別為2.5cm和7.5cm的SMA-10+AC-20新面層組合試件以及厚度4cm和6cm的SMA-10+AC-20傳統(tǒng)面層組合試件各1塊。將所成型試件均切割成長×寬×高為30cm×30cm×10cm的試塊進行車轍試驗，根據(jù)試驗結(jié)果，新型面層組合試塊動穩(wěn)定度3 600次/mm、最終變形量為2.384mm；傳統(tǒng)面層組合試塊動穩(wěn)定度3 299次/mm、最終變形量為2.799mm。

3.2 抗剪強度試驗

通過單軸貫入試驗進行不同面層組合結(jié)構(gòu)抗剪性能評價，試驗加載速率1mm/min、壓頭直徑28.5mm、試驗溫度60℃；還應(yīng)同時展開無側(cè)限抗壓強度試驗，通過比較兩組試驗結(jié)果，得出內(nèi)摩擦角和黏聚力值。應(yīng)用相同方式成型兩種結(jié)構(gòu)試塊，并通過鉆芯法鉆出直徑10cm、高10cm的圓柱體試件，1組5個試件展開單軸壓縮和單軸貫入平行試驗，所得到的新型面層組合試件上、中面層空隙率為3.5%和3.9%、抗剪強度0.853MPa、黏聚力0.163MPa、內(nèi)摩擦角42.3°；傳統(tǒng)面層組合試件上、中面層空隙率為3.8%和3.9%、抗剪強度0.760MPa、黏聚力0.154MPa、內(nèi)摩擦角42.5°。由以上結(jié)果發(fā)現(xiàn)，新型面層組合結(jié)構(gòu)抗剪強度、內(nèi)摩擦角及黏聚力均比傳統(tǒng)面層組合結(jié)構(gòu)高，故新型面層組合結(jié)構(gòu)抗剪性能更優(yōu)，這與車轍試驗結(jié)構(gòu)基本一致。

4 試驗段試鋪

在該高速公路改擴建工程中選取起訖樁號K210+110—K211+610段（左幅）為試驗段試鋪2.5cm厚超薄磨耗層SMA-10混合料+7.5cm厚AC-20混合料中面層。

4.1 配合比設(shè)計

對SMA-10和AC-20所用瀝青、集料等性能展開現(xiàn)場試驗，在優(yōu)選原則下確定出不同粒徑集料比和最佳瀝青用量。SMA-10混合料中粒徑0～3mm、3～5mm及5～10mm集料和礦粉比為10%∶19%∶3%∶68%，最佳油石比6.6%；AC-20混合料中粒徑0～3mm、3～5mm、5～10mm、10～20mm集料和礦粉比為2%∶28%∶8%∶21%∶41%，最佳油石比4.5%。

結(jié)合目標(biāo)配合比，還進行了各熱料倉材料級配、密度等的取樣檢測，通過室內(nèi)試驗和拌和機取樣試驗結(jié)果確定最佳瀝青用量。該試驗路段瀝青面層組合結(jié)構(gòu)混合料生產(chǎn)配合比技術(shù)指標(biāo)詳見表2。

表2 生產(chǎn)配合比技術(shù)指標(biāo)

4.2 鋪筑要求

與傳統(tǒng)瀝青面層組合結(jié)構(gòu)相比，新型瀝青面層組合結(jié)構(gòu)的施工難點主要在超薄磨耗層施工方面，為此，在進行超薄磨耗層施工過程中必須加強瀝青混合料生產(chǎn)、運輸、攤鋪及碾壓環(huán)節(jié)的溫度控制，壓實度及平整度控制，面層厚度控制。

SMA-10混合料降溫速度較快，故在其拌和過程中應(yīng)使混合料出料溫度接近規(guī)范上限；運輸時盡量縮短運距，并在運料車頂部進行覆蓋保溫；攤鋪施工過程中，在確保AC-20中面層混合料厚度、壓實度、平整度等均符合規(guī)范要求的基礎(chǔ)上均勻灑布黏層油。SMA-10混合料層攤鋪厚度較薄，下臥層的混合料受溫度影響較大，故其攤鋪溫度應(yīng)控制在170℃及以上，且路表溫度應(yīng)不低于15℃。碾壓施工應(yīng)遵循緊跟、慢壓、高頻、低幅的原則，壓路機必須緊跟攤鋪機施工，采用10t以上鋼輪壓路機初壓1遍、12t以上鋼輪壓路機以靜壓方式及5.0km/h以下的速度復(fù)壓3～4遍，最后終壓1～2遍。該試驗路段在高溫碾壓下混合料無推移，則可以初步判斷SMA-10混合料骨架密實級配已經(jīng)形成。

4.3 施工檢測

施工過程中，應(yīng)將檢測重點放在超薄磨耗層各施工階段溫度方面，所測得的環(huán)境溫度、路表溫度、混合料出廠溫度、攤鋪溫度、初壓、復(fù)壓及終壓溫度分別為32℃、45℃、180℃、176℃、172℃、165℃及143℃，均滿足規(guī)范要求。隨機抽取混合料進行燃燒試驗，試驗結(jié)果所得到的級配和油石比十分接近生產(chǎn)配合比，成型試件馬歇爾空隙率也較為接近目標(biāo)空隙率。

完成試驗路段施工后進行現(xiàn)場取芯試驗，所得芯樣空隙率均值為5.9%，壓實度均值為97.9%，滲水系數(shù)為98.4mL/min， 厚 度 均 值 為2.5cm， 構(gòu) 造 深 度 為0.94mm，抗滑摩擦系數(shù)為69BPN，平整度為0.67mm。各項施工參數(shù)均符合規(guī)范要求，試驗段施工效果良好。

4.4 抗剪強度

為進一步分析試驗路段新型瀝青面層組合結(jié)構(gòu)抗剪強度，從不同位置取出8個新型面層芯樣和4個傳統(tǒng)面層芯樣，按照試驗要求切割成高度和直徑均為10cm的圓柱體試塊進行單軸貫入試驗，并比較兩種瀝青面層結(jié)構(gòu)抗剪強度。根據(jù)試驗結(jié)果，在60℃的試驗溫度下，不同位置芯樣抗剪強度差異較大，通過分析發(fā)現(xiàn)，施工質(zhì)量差異應(yīng)為主要原因。而且，試驗路段新型面層組合結(jié)構(gòu)芯樣的抗剪強度普遍比傳統(tǒng)面層組合結(jié)構(gòu)芯樣高，這與室內(nèi)試驗結(jié)果基本一致?？梢姡ㄟ^施工溫度及施工條件控制，新型瀝青面層組合結(jié)構(gòu)抗車轍性能更加優(yōu)異，能有效提升瀝青路面結(jié)構(gòu)耐久性，避免早期病害的發(fā)生。

4.5 經(jīng)濟性

根據(jù)該高速公路工程建設(shè)期間各類原材料價格、人工費用、機械價格、租賃價格來看，超薄磨耗層SMA-10混合料、上面層SMA-13混合料及中面層AC-20混合料單位造價分別為1 780元/m3、1 600元/m3和1 195元/m3，雖然超薄磨耗層單位造價比傳統(tǒng)上面層高，但超薄磨耗層設(shè)計厚度較??；在路面運行過程中若發(fā)生淺層裂縫、車轍、擁包等病害且中下面層和基層狀況良好的情況下，銑刨、填補、加鋪過程中所消耗的材料也更少；超薄磨耗層結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)上面層使用壽命更長[3]。

5 結(jié)語

本文通過對2.5cm厚超薄磨耗層+7.5cm厚中面層的新型面層組合結(jié)構(gòu)和4cm厚上面層+6cm厚中面層的傳統(tǒng)瀝青面層組合結(jié)構(gòu)路用性能的室內(nèi)試驗分析和試驗段性能比較發(fā)現(xiàn)，最大公稱粒徑較小的瀝青混凝土也具備較好的路用性能，并能替代傳統(tǒng)意義上的上面層；新型瀝青路面組合結(jié)構(gòu)抗剪強度更高，抵抗車轍等病害的性能也更加優(yōu)越。然而，超薄磨耗層因厚度較薄，瀝青混合料失溫較快，碾壓難度大，故其施工難度比傳統(tǒng)意義上的上面層更大，必須通過加強溫度控制及優(yōu)選碾壓工藝等方式來保證超薄磨耗層施工質(zhì)量?？偠灾∧ズ膶有滦兔鎸咏M合結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)的瀝青面層結(jié)構(gòu)性能更為優(yōu)越，具有更廣闊的應(yīng)用前景。