高速公路大修工程路面結(jié)構(gòu)及材料設計研究

鄧斌

（廣東華路交通科技有限公司，廣東 廣州 510420）

0 引言

隨著中國國民經(jīng)濟跨越式發(fā)展，高速公路交通保有量急劇增加，導致高速公路面臨各種不同形式的損害，嚴重影響車輛運行的安全與舒適。為有效改善公路的運營品質(zhì)，在實施養(yǎng)護時，施工單位應將工作重心放到改善高速公路的性能和對廢棄材料的處置上。因此，對高速公路大修工程路面結(jié)構(gòu)改建及材料設計進行研究，具有較大的現(xiàn)實意義。

我國高速公路網(wǎng)逐步完善，對高速公路的投資逐漸由建設轉(zhuǎn)向養(yǎng)護。早期建設的高速公路已達到設計維護期限，20 世紀90 年代末修建的老路面及瀝青路面已經(jīng)超出設計使用期限，損毀較為嚴重。因此，對高速公路的特征、損傷特性、保護狀況、建設項目的交通因素等進行統(tǒng)計分析，對水泥混凝土路面和瀝青路面進行修復改建，增加路用特性和行車的舒適程度，是當前高速公路修復改建工作中亟待解決的問題[1]。對高速公路的修復改建，不僅要兼顧提高老路面的結(jié)構(gòu)特性，還要提高行車的舒適性。同時，還須對廢棄材料進行管理及再利用，特別是對廢棄瀝青路面中的耐久性材料的處置。廢棄材料含有大量有毒化合物，降解速度慢，還會嚴重污染土壤和水體；因此在舊路面養(yǎng)護施工中，對瀝青路面廢棄材料的管理與使用至關(guān)重要。

1 工程概況

某高速公路建于2008 年，隨著車流量的不斷增加，路基損壞嚴重，已難以滿足汽車負載的需要。瀝青混合料的抗壓能力對瀝青用量極為敏感，尤其是在瀝青用量較大時，一旦瀝青混合料內(nèi)部的自由瀝青量不足，則會導致瀝青層偏厚，集料顆粒內(nèi)部的黏聚性和附著力降低，在受到車輛荷載時，軌轍能力會偏大。目前，該高速公路已開通多年，承載著該區(qū)域內(nèi)重要的交通流量。然而，汽車數(shù)量已明顯超標，特別是高速大貨車比重較高且超載情況較突出。隨著汽車數(shù)量和軸載的增長，原高速公路的損壞情況越來越嚴重，導致服務質(zhì)量不斷降低，事故越來越多，已無法滿足日益增長的汽車負載要求。該高速公路的交通組成狀況如圖1 所示，水泥混凝土承載能力相關(guān)指標檢測結(jié)果見表1。從2022 年開始，該高速公路啟動了改造項目，經(jīng)過實地考察和分析，確定了該高速公路的路面結(jié)構(gòu)改建方法。

表1 某高速公路水泥混凝土承載能力相關(guān)指標檢測結(jié)果

圖1 某高速公路交通組成狀況

2 高速公路路面結(jié)構(gòu)改建方法選擇

2.1 水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)改建方法

水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)的改建方法通常包括兩種。一是“白改黑”的路面結(jié)構(gòu)改建方法。這種路面改建方法首先將原有的水泥混凝土路面全部鏟除，再鋪設一層瀝青混合物，使之重新形成高速公路路面，原來的水泥混凝土路面便從剛性轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝詾r青路面[2]。二是“白加黑”的路面結(jié)構(gòu)改建方法。這種路面改建方法主要是以原來的水泥混凝土路面為基底，并對舊的水泥混凝土板塊進行灌漿處理，確保水泥路面厚度一致，再直接攤鋪瀝青面層。相比于全面拆除原有路面重新鋪設的方法，這種改建方法可以大幅度節(jié)約時間和成本，并對原有路面的破壞程度較小，適合于在車流量較大、維護工期較短的情況下進行道路改建。

該高速公路的瀝青路面破損嚴重，原因有幾個方面。首先，由于目前交通量較大，且重載車輛較多，導致舊瀝青路面損壞嚴重，尤其是寬域瀝青段。其次，原有公路的瀝青路面結(jié)構(gòu)保護層厚度偏薄，瀝青面層總厚度僅為10cm，路基結(jié)構(gòu)總厚度為60cm。最后，大部分公路使用普通的石油瀝青，抗疲勞性和抗車轍能力不足，部分公路的整體承載能力嚴重欠缺，且彎沉值較大。針對該高速公路的交通量負荷狀況和原有公路的實際狀況，通過比較新舊瀝青路面的應用要求和結(jié)構(gòu)性能特點，選擇不同的病害處治方法。

2.2 瀝青路面結(jié)構(gòu)改建方法

2.2.1 瀝青路面結(jié)構(gòu)改建方法分類

目前，瀝青路面結(jié)構(gòu)的改建方法通常分為兩類。

一是保留老舊的水泥混凝土路面，并進行病害處治后再進行補鋪的方法，稱為復合式路面結(jié)構(gòu)改建方法。

二是對原有瀝青路面結(jié)構(gòu)破損處治之后，再直接加鋪混凝土路面或半剛性補強層+瀝青層，形成半剛性基層混凝土路面或混合地基水泥瀝青路面的結(jié)構(gòu)形式；該改建方法包括多錘頭碎石化、共振瓦礫、新門板粉碎、舊混凝土面破碎復原等方法，并根據(jù)路面的不同情況進行選擇和應用，以達到最佳的改建效果。這些方法在改善路面的承載能力、提高路面的平整度和耐久性等方面都有著顯著的效果。

2.2.2 瀝青路面結(jié)構(gòu)改建方法選擇

通過對該高速公路的交通規(guī)模、公路組成情況、新舊混凝土路面的磨損狀況、處治方案、交通要求、沿途筑路條件、水文地質(zhì)情況等因素的綜合評估，最終選定了合理、實用、符合大修后使用年限、性價比最高的新舊混凝土路面處治及混凝土加鋪面大修的改建方法。

2.2.3 實際改建情況

在實際改建瀝青路面結(jié)構(gòu)時，需根據(jù)高速公路原有水泥混凝土的實測路況以及高速公路水泥混凝土路面層的測量數(shù)據(jù)，制定有效的改建方案。在方案設計時，需從壽命周期價值進行綜合考量，確保高速公路至少15 年的使用壽命，以作出更具性價比的選擇。該項目應用了廠拌冷再造技術(shù)，在進行廠拌冷再造處理之后，加鋪混凝土層罩面。廠拌冷再造主要是將水泥瀝青路面的銑刨廢棄物運至拌制廠，經(jīng)過粉碎、篩分后，根據(jù)規(guī)定的配比和新集料、高活性填充料等進行混用[3]。這項技術(shù)主要應用在公路改建項目的基層和底基層部分，能夠高效處理舊料、廢氣和環(huán)境污染問題。該改建方法特別適用于混凝土面層損壞嚴重、承載能力不足的地段。在改建過程中，施工人員需將原有的混凝土面層分離，鋪上新面層，并進行病害處治。通過適當配比設計，可以得到優(yōu)良的熱再生瀝青混凝土產(chǎn)品，以提高路面的承載能力和耐久性。

3 高速公路大修的路面結(jié)構(gòu)工程

3.1 粗細集料的選擇

在該項目中，粗集料的選用非常重要，須具備組織牢固、硬度大、耐磨性高的特性；為此，可以選用相應的瓦礫材質(zhì)和玄武巖作為粗集料。此外，還可采用硬度大、黏著力強的石灰?guī)r碎石作為中基層的改性瀝青材料，同時也可將部分老舊的瀝青混合料摻入中基層的集料顆粒中。在使用廠拌冷再生技術(shù)時，需對原料進行準確配比，并經(jīng)攪拌均勻后，以確保再生后的混凝土材料質(zhì)量符合要求。

在粗集料的選用上，需選用由石灰石加熱后磨成的石灰石或機制砂，優(yōu)質(zhì)的機制砂可直接應用于改性瀝青的上面層，而中下面層則可采用巖屑料。在粗集料的選擇中，還需確保天然砂石、人工砂、石灰石等成分的含量，同時粗集料粒度中的天然有機質(zhì)含量不得超過5%，塑性指標宜小于5%，液限宜小于33%。在連續(xù)配筋混凝土細集料中可使用河砂，在粗集料中則可采用經(jīng)舊混凝土板粉碎后的再生粗集料。粗集料粒度的最大碾碎值不得超過1/3，單個顆粒的最大粒徑不得超過33mm。在選擇粗細集料后，還需對礦粉石進行過濾。在該路面施工項目中，所使用的礦粉石需由4.8mm 以上的石灰石磨制而成，在磨制的過程中還需保證礦粉的新鮮度。

3.2 廢舊材料的處置

在高速公路的維修工程中，不可避免會產(chǎn)生一些廢舊材料。對于廢舊材料的處置，必須遵循一定的處置原則，選擇適當?shù)奶幹梅椒āＴ谔幹迷瓌t方面，應確保高速公路大修工程中大部分廢舊材料可用于路面改建，如廢舊瀝青、砂石廢料等。在處置方法方面，若采用直接添加的方法，則需根據(jù)路面具體的要求，添加少于1/3 的廢舊材料，其余廢舊材料則可作為路面下層或地基材料。同時，需要限制施工人員亂扔垃圾，并配備灑水車，以防止施工過程中對周邊環(huán)境的破壞。從效果來看，利用廢舊材料可以節(jié)省運輸費用，充分利用再生資源。廢舊材料利用技術(shù)主要包括就地冷再生技術(shù)、就地熱再生表面翻修技術(shù)以及場拌再生技術(shù)。在廢舊材料“變廢為寶”的過程中，需制定符合現(xiàn)階段實施要求的技術(shù)標準，并進行反復驗證。

4 材料設計比選優(yōu)化

4.1 填充物以及添加劑使用

用于高速公路大修工程的瀝青混合料，通常由瀝青、礦粉、骨料等混合而成，為保證路面質(zhì)量，碎石材料的直徑應在5.34mm 以上。瀝青的黏度對路面質(zhì)量也至關(guān)重要，因此混凝土面層的混合料應具有高黏度和良好的高溫性能。若不添加外摻劑，則必須全面調(diào)整改性瀝青工藝條件，確保最低溫度不低于70℃，彈性恢復不低于85%。若下面層繼續(xù)使用混凝土，則應符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）中的a 級—90 號混凝土的標準要求，并將針入度限制在80～90 之間。

瀝青混合料通常由瀝青、礦粉、骨料和其他添加劑混合而成，其強度與瀝青層的厚度有直接關(guān)系。若瀝青層過厚，則會形成自由瀝青層，影響集料顆粒內(nèi)部的相互嵌擠，并降低瀝青混合料的抗剪強度，在城市重載交通的作用下，極易產(chǎn)生車轍[4]。因此，針對高速公路的重載通行路段要求，在孔隙率符合要求的范圍內(nèi)，建議比對中、下面層的最佳瀝青用量減少0.1%左右，作為合理的瀝青設計用量。

隨著國外公路工程科技的發(fā)展，越來越多的新型添加劑被應用到公路工程中[5]。為應對公路中存在的車轍等特殊情況，研制出了較多新型制品，如抗車轍劑。在橫向坡度超過5%以上的大橫向坡度公路或者高重載公路的中基層和上層瀝青混合料中，應添加抗車轍劑，以改善瀝青路面的耐久性、抗車轍特性，同時不會降低施工和易性。例如，添加抗車轍劑時，要求改性瀝青的軟化點不低于65℃，彈性恢復不低于80%。為改善路面攤鋪的施工效果，要求在路面下面層攤鋪時添加聚酯纖維，以增強耐受性。

研究人員需針對該工程的預測交通量、公路結(jié)構(gòu)狀況和工程所在區(qū)域的自然氣象特征等，在規(guī)范推薦的基礎(chǔ)上，完善級配標準，從而使瀝青混合料技術(shù)指標適應該區(qū)域的自然特性。

4.2 廢舊材料的綜合利用策略與方法

目前，在我國高速公路大修工程中，“綠色環(huán)?！焙汀把h(huán)低碳”已成為主旋律，因此“變廢為寶”備受關(guān)注。為實現(xiàn)有效處理建筑垃圾、減少石灰使用量、避免揚塵污染等目的，多個省市在對高速公路進行大修時，均采用廢舊材料。高速公路大修工程產(chǎn)生的廢舊材料較多，包括廢舊水泥混凝土板、破損的廢料和銑刨的廢舊瀝青混凝土料。在實際大修過程中，合理的建議是對廢舊材料實施統(tǒng)一處治，對采用的廢舊材料進行篩選、破碎、再加工等處理。處置的主要方法和標準是：對90%以上的工業(yè)廢棄物進行科學、綜合利用。采用此方法可大幅度降低高速公路工程大修的成本，且符合我國現(xiàn)階段倡導的綠色環(huán)保理念。廢舊材料利用主要包括以下幾點：

首先，對廢舊瀝青材料的利用。廢舊瀝青材料可被再加工成冷拌再生瀝青和廠拌熱再生瀝青，具有抗壓反射裂縫的功能，且可重復利用。再生材料可達到100%的循環(huán)再生利用效果，從而減少自然污染。

其次，對廢棄水泥混凝土板的利用。廢棄水泥混凝土板可通過以下處理方式得到綜合利用：先采用移動式粉碎設備對廢棄水泥混凝土板進行粉碎，再根據(jù)等級進行篩分。5.56mm 以上的粗集料可用于水泥穩(wěn)定碎石下基層結(jié)構(gòu)，5.56mm 以下的粗集料可用于中央隔斷的封面以及其他防護砌體結(jié)構(gòu)。通過這種方法，可實現(xiàn)對廢棄水泥混凝土板的有效利用。

5 結(jié)語

綜上所述，隨著交通工具的發(fā)展和道路運輸?shù)娜找娣泵?，高速公路路面不可避免出現(xiàn)破損問題，嚴重影響交通安全，迫切需要對高速公路進行大修改造?；诖?，立足工作實踐，通過對高速公路大修工程路面結(jié)構(gòu)及材料進行了深入研究，并提出了高速公路改建過程中廢舊材料的再利用，為今后我國高速公路大修工程積累了寶貴經(jīng)驗，同時促進新工藝、新材料的引進和使用，對我國高速公路工程的現(xiàn)代化建設具有一定指導意義。