廣東濕熱重載交通條件下高速公路半柔性無(wú)縫路面技術(shù)研究及應(yīng)用

熊子君，潘春輝

（1、佛山市城市建設(shè)工程有限公司 廣東 佛山 528000；2、上海市政工程設(shè)計(jì)有限公司 上海 200438）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車保有量急劇增加，車輛載重也隨之快速上升，同時(shí)伴隨著全球極端氣候頻繁出現(xiàn)，瀝青混凝土路面由于剛度低，在極端環(huán)境和重載交通作用下，瀝青混凝土路面易出現(xiàn)車轍、擁包、凹坑、水損害等路面病害日益凸顯，因此提高路面穩(wěn)定性成為亟待解決的問題。半柔性路面作為一種新型路面材料，兼具水泥混凝土剛性和瀝青混凝土的柔性，具有優(yōu)良的抗車轍、耐磨、耐油、抗腐蝕等性能。

所謂半柔性路面就是設(shè)計(jì)一種比開級(jí)配排水式瀝青磨耗層（OGFC）更大空隙率的瀝青混合料作為母體瀝青（空隙率20%～30%），先將母體瀝青混合料攤鋪碾壓完成后，再澆筑已配制好的高強(qiáng)、超大流動(dòng)性、微收縮的水泥砂漿，從而形成一種復(fù)合路面結(jié)構(gòu)［1-2］。母體瀝青混合料具有一定的應(yīng)力松弛能力，因此可不設(shè)伸縮縫。同時(shí)因澆筑特定的水泥砂漿，其熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于普通瀝青混凝土路面，故能夠承受較大荷載而不會(huì)發(fā)生車轍、擁包等路面病害［3-4］。

半柔性路面的應(yīng)用最早可追溯到1954 年法國(guó)Cognac Airport 飛機(jī)跑道，日本于1961 年申請(qǐng)名為“半柔性路面及半柔性路面施工法”的施工工法專利，因其具有良好的承載能力、穩(wěn)定性，半柔性路面在日本廣泛使用，并于20 世紀(jì)80 年代制定行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［5-7］。國(guó)內(nèi)對(duì)于半柔性路面的研究起步較晚，1986年同濟(jì)大學(xué)道路研究所的王素勤等人［8］采用參拌法制作半柔性馬歇爾試件，并進(jìn)行物理力學(xué)性能研究。隨后國(guó)內(nèi)多家單位及科研院校對(duì)半柔性路面復(fù)合材料、配制技術(shù)進(jìn)行研究［9-12］。

本文選取廣東某高速K98+410～K98+592 段作為“廣東濕熱重載交通條件下高速公路半柔性無(wú)縫路面”結(jié)構(gòu)層試驗(yàn)段。以礦料主骨料空隙填充法（CAFV）及馬歇爾試驗(yàn)法確定Semiflex-20母體瀝青混合料骨架空隙率及油石比［13-16］，通過馬歇爾、析漏、肯塔堡飛散等試驗(yàn)評(píng)價(jià)其綜合路用性能。

1 工程概況

廣東某高速K84+275～K99+794段自東南向西北共分兩段：第一段為竹子寮至拾荷隧道段，第二段為柚樹下至蓮花山隧道段。高速公路計(jì)算行車速度為80 km/h，路基寬度為整體式路基23.0 m、分離式路基11.75 m（單幅寬），該高速公路是粵東北梅州地區(qū)路網(wǎng)的主骨架，對(duì)梅州地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的作用。

2 加鋪前路面病害調(diào)查

施工前應(yīng)對(duì)主板的病害及強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)查，針對(duì)該高速路段路面病害的實(shí)際情況，為保證加鋪前具有穩(wěn)定的水泥混凝土路面，需采取以下技術(shù)措施：①對(duì)破碎板和裂縫板塊進(jìn)行更換；②對(duì)脫空板塊進(jìn)行淺層壓漿處理；③錯(cuò)臺(tái)板塊進(jìn)行壓漿，后磨平。

3 原材料

3.1 瀝青

Semiflex -20 母體瀝青混合料中使用瀝青為PG-82改性瀝青，改性瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 PG-82改性瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Performance Test Results of PG-82 Modified Asphalt

由表1可知，瀝青性能指標(biāo)均符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程：JTG E20—2019》［15］要求。

3.2 集料

本試驗(yàn)段工程Semiflex-20母體瀝青混合料中所使用粗、細(xì)集料均為白牙山石場(chǎng)生產(chǎn)的凝灰?guī)r，其規(guī)格組成為10～20 mm 碎石、10～15 mm 碎石、5～10 mm 碎石，潔凈、干燥、表面粗糙；細(xì)集料其規(guī)格組成為0～3 mm石屑，潔凈、干燥、無(wú)風(fēng)化、無(wú)雜質(zhì)。石料性能指標(biāo)結(jié)果如表2所示。

表2 白牙山石場(chǎng)石料性能指標(biāo)Tab.2 Test Results Stone in Baiyashan Quarry

由表2 可知，集料及礦粉所測(cè)各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范：JTG F40—2017》［16］瀝青混凝土面層集料技術(shù)要求的規(guī)定。

3.3 專用水泥砂漿

半柔性路面砂漿是按一定比例的水泥、砂和其他摻配料配制成砂漿干粉，經(jīng)專用設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)加水?dāng)嚢瓒纬傻膶Ｓ糜诎肴嵝月访娴母邚?qiáng)、超大流動(dòng)性、微收縮的水泥砂漿。該砂漿檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

表3 半柔性路面砂漿Tab.3 Semi-flexible Pavement Mortar

由表3 可知，半柔性路面砂漿所測(cè)各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合《專用砂漿半柔性路面應(yīng)用技術(shù)規(guī)范：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DB44/T 1296—2014》要求。

4 母體瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

Semiflex -20 母體瀝青混合料中使用瀝青為PG-82 改性瀝青，以CAFV 法確定母體瀝青混合料的級(jí)配［16］，瀝青用量采用馬歇爾試驗(yàn)確定。經(jīng)試配，Semiflex-20 母體瀝青混合料生產(chǎn)配合比采用（10～20 mm碎石）∶（10～15 mm 碎石）∶（5～10 mm 碎石）∶（0～3 mm石屑）∶礦粉=45∶42∶5∶3∶5。其合成級(jí)配如表4 所示，目標(biāo)配合比曲線如圖1所示。

圖1 Semiflex-20混合料級(jí)配曲線Fig.1 Semiflex-20 Mixture Grading Curve

表4 Semflex-20母體瀝青混合料礦料級(jí)配組成要求Tab.4 Grading Composition Requirements for Mineral Aggregate of Semflex-20 Parent Asphalt Mixture

5 瀝青用量確定

通過實(shí)驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的Semiflex-20母體瀝青混合料合成級(jí)配能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范：JTG F40—2004》及設(shè)計(jì)要求。即采用（10～20 mm 碎石）∶（10～15 mm 碎石）∶（5～10 mm 碎石）∶（0～3 mm 石屑）∶礦粉=45∶42∶5∶3∶5。

5.1 馬歇爾試驗(yàn)

按表4 合成級(jí)配，采用不同油石比進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5、圖2所示。

表5 Semiflex-20馬歇爾最佳瀝青用量試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test Results of Marshall's Optimal Asphalt Content for Semiflex-20

根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果和目標(biāo)空隙率的要求，驗(yàn)證的瀝青用量（油石比）范圍為3.3%～3.9%。

瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)，為了使瀝青混合料具有良好的高溫抗車轍、低溫抗開裂、抗水害、耐疲勞等特性，必須保證集料周圍裹附的瀝青膜有一定的厚度。通常，瀝青膜厚度對(duì)瀝青混合料性能影響甚大，瀝青膜越厚，瀝青混合料越顯柔韌和耐久性越好；瀝青膜太厚，容易出現(xiàn)泛油，瀝青混合料高溫抗變形能力變差；瀝青膜越薄，瀝青混合料越脆，越易產(chǎn)生開裂和剝落。因此需對(duì)母體瀝青混合料進(jìn)行謝倫堡析漏試驗(yàn)及瀝青膜厚度估算。

同時(shí)由于母體瀝青混合料粗集料占比高達(dá)87%，相對(duì)于SMA、AC 等瀝青混合料，油石比偏低。因此通過肯塔堡飛散試驗(yàn)評(píng)價(jià)由于瀝青用量或粘結(jié)性不足，在交通荷載作用下，路面表面集料脫落飛散損失程度。

5.2 析漏試驗(yàn)

按表4 合成級(jí)配，采用不同油石比進(jìn)行謝倫堡析漏試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 不同油石比下析漏試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Results of Leakage Test under Different Oil-stone Ratio

5.3 肯塔堡飛散試驗(yàn)

按表4 合成級(jí)配，采用不同油石比進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 不同油石比下飛散試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Results of Flyaway Test under Different Oil-stone Ratio

5.4 瀝青膜厚度估算

根據(jù)文獻(xiàn)［16］附錄B 的方法，計(jì)算表4 中級(jí)配的比表面積，估算不同油石比下瀝青混合料的瀝青膜厚度，結(jié)果表8所示。

表8 不同油石比下瀝青混合料的瀝青膜厚度Tab.8 Asphalt Film Thickness of Asphalt Mixture under different Asphalt / stone Ratio

由圖3、表5～表8 可知，油石比在3.3%～3.9%范圍內(nèi)，瀝青混合料的毛體積相對(duì)密度、穩(wěn)定度、流值均呈駝峰曲線，在油石比3.6%達(dá)到最大值。同時(shí)空隙率、礦料間隙率，通過謝倫堡析漏試驗(yàn)、瀝青膜厚度估算所得數(shù)值均滿足要求Semiflex-20 母體瀝青混合料要求。油石比在3.3%時(shí)肯塔堡飛散試驗(yàn)得出飛散損失為22.3%，略大于《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范：JTG F40—2004》要求。因此取油石比為3.6%作為Semiflex-20母體瀝青混合料生產(chǎn)配合比。

圖3 專用砂漿澆筑Fig.3 Special Mortar Pouring

6 母體瀝青混合料的鋪筑

母體瀝青混合料路面的施工過程應(yīng)分為以下4個(gè)工序：混合料拌制、混合料運(yùn)輸、混合料攤鋪以及混合料碾壓成型。

6.1 混合料拌制

母體瀝青混合料應(yīng)在瀝青拌和廠內(nèi)拌制，拌和設(shè)備宜采用間隙式拌和機(jī)，其拌制過程與普通瀝青混合料基本一致。瀝青混合料拌和時(shí)間根據(jù)具體情況經(jīng)試拌確定，以瀝青均勻裹覆集料為度。間歇式拌和機(jī)拌合時(shí)間不宜少于45 s。

6.2 混合料的運(yùn)輸

母體瀝青混合料宜采用較大噸位的運(yùn)料車運(yùn)輸?shù)綌備伒攸c(diǎn)。從拌和機(jī)向運(yùn)料車上裝料時(shí)，應(yīng)多次挪動(dòng)汽車位置，平衡裝料，以減少混合料離析。運(yùn)料車運(yùn)輸混合料宜用苫布覆蓋，保溫、防雨、防污染。

6.3 混合料的攤鋪

在鋪筑大空隙母體瀝青混合料之前，宜在基層頂面噴灑陽(yáng)離子乳化瀝青或改性乳化瀝青，防止專用砂漿滲透到基層，其用量為（0.2～0.3）kg/m2。

攤鋪過程中攤鋪機(jī)必須緩慢、均勻、連續(xù)不間斷地?cái)備?，不得隨意變換速度或中途停頓，以提高平整度，減少混合料的離析。攤鋪速度宜控制在（1～3）m/min。當(dāng)發(fā)現(xiàn)混合料出現(xiàn)明顯的離析、波浪、裂縫、拖痕時(shí)，應(yīng)分析原因，予以消除。

6.4 碾壓

母體瀝青混合料一次壓實(shí)的最大厚度不宜大于120 mm。碾壓施工應(yīng)配備足夠數(shù)量的壓路機(jī)，選擇合適的壓實(shí)機(jī)械組合以及碾壓步驟和碾壓次數(shù)。初步擬定壓實(shí)組合為靜壓1遍，振動(dòng)碾壓3遍，再靜壓1～2遍。盡量在較高溫度下碾壓，以達(dá)到最佳碾壓效果。條件允許時(shí)，應(yīng)盡量選用寬幅攤鋪設(shè)備，減少接縫，保證路面平整度。

為防止表面堵塞而影響澆筑專用砂漿，母體瀝青混合料宜采用不大于12 t的鋼筒式壓路機(jī)碾壓。

7 專用砂漿的拌制與澆筑

7.1 專用砂漿的拌制

應(yīng)使用專用砂漿拌和機(jī)現(xiàn)場(chǎng)制作專用砂漿。砂漿干粉加水?dāng)嚢柚敝敛牧暇鶆蛞恢?，測(cè)定流動(dòng)度，符合表9的要求后，即可進(jìn)行澆筑施工。

表9 專用砂漿技術(shù)要求Tab.9 Construction Temperature of Parent Asphalt Mixture （℃）

7.2 專用砂漿的澆筑

當(dāng)母體瀝青混合料路面冷卻至30 ℃以下時(shí)，即可進(jìn)行專用砂漿的澆筑。

為保證砂漿澆筑的連續(xù)性，可用軟管連接現(xiàn)場(chǎng)水泥砂漿攪拌機(jī)，把拌和均勻的專用砂漿輸送到待澆筑路面。使用橡膠路耙來(lái)回拖刮使其自然漫透，直至澆筑區(qū)域不再有氣泡冒出為止，如圖3所示。

7.3 專用砂漿半柔性無(wú)縫路面的表面處理

專用砂漿滲透完畢后，須用橡膠路耙將殘留在母體瀝青路面表面上的富余砂漿清除干凈，并露出母體瀝青混凝土表面的凹凸，以保證專用砂漿半柔性無(wú)縫路面的抗滑性能。

在專用砂漿半柔性無(wú)縫路面的表面處理完成之前，禁止任何人員與車輛通行。

8 表面構(gòu)造的恢復(fù)

半柔性路面要有一定的粗糙度，即表面構(gòu)造，目的是增加路面摩擦系數(shù)，起到防滑作用，以減少交通事故的發(fā)生，表面構(gòu)造的恢復(fù)效果與施工工藝相關(guān)。該試驗(yàn)段采用不同的表面構(gòu)造恢復(fù)工藝進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，所用工藝包括：

砂漿滲透完畢后，迅速用橡膠刮板刮除表面浮漿，露出母體瀝青混合料表面的凹凸構(gòu)造；

水泥漿體灌注完畢后，待漿體初凝后將緩凝劑噴灑在路表面上，在路面內(nèi)部水泥漿體終凝前將表面的水泥漿沖洗干凈。

9 養(yǎng)生及其他

專用砂漿澆筑完成后的半柔性無(wú)縫路面必須進(jìn)行一定時(shí)間的養(yǎng)生，確保專用砂漿強(qiáng)度形成。養(yǎng)生完成后即可開放交通。

當(dāng)施工氣溫達(dá)到30 ℃以上時(shí)，應(yīng)使用塑料薄膜進(jìn)行養(yǎng)生。施工氣溫在30 ℃以下時(shí)，可直接露天養(yǎng)生，養(yǎng)生后開放交通。如果氣候較冷或較潮濕，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

10 結(jié)論

本文以礦料主骨料空隙填充法（CAFV）及馬歇爾試驗(yàn)法確定Semiflex-20 母體瀝青混合料骨架空隙率及油石比。通過對(duì)粗細(xì)集料、專用砂漿物理力學(xué)性能及馬歇爾、析漏、肯塔堡飛散等試驗(yàn)評(píng)價(jià)其綜合路用性能，得出以下結(jié)論：

⑴在Semiflex-20母體瀝青混合料級(jí)配曲線范圍內(nèi)，隨著油石比增大。毛體積相對(duì)密度、穩(wěn)定度、流值等數(shù)值先增大后減小均呈駝峰曲線，在油石比3.6%達(dá)到最大值。綜合考慮其經(jīng)濟(jì)型及路用性能等因素，半柔性路面材料基體的設(shè)計(jì)孔隙率為27%，油石比為3.6%為宜。

⑵半柔性路面材料結(jié)構(gòu)層，選用PG-82 改性瀝青、專用水泥砂漿（高強(qiáng)、超大流動(dòng)性、微收縮）。通過廣東某高速公路“K98+410～K98+592”段結(jié)構(gòu)層試驗(yàn)段攤鋪澆筑，取得良好的實(shí)用效果。

⑶半柔性路面作為一種新型路面材料，相比于單一的材料鋪筑路面，并沒有增加施工工藝難度，同時(shí)又兼具水泥混凝土和瀝青混凝土的優(yōu)勢(shì)，其安全性、適用性、耐久性均強(qiáng)于單一材料性能，能夠廣泛應(yīng)用于市政道路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施，具有很好的推廣價(jià)值。