無車轍路面在道路交叉口的應(yīng)用

摘要：為解決G104 京嵐線青銀高速靳家立交至山東高速交界段K428+300—K428+550道路交叉口車轍病害頻發(fā)的問題，在修復(fù)養(yǎng)護施工中采用無車轍路面（no-rutting pavement，NRP）技術(shù)，采用無車轍劑和改性苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（styrene butadiene styrene，SBS）瀝青，設(shè)計路面結(jié)構(gòu)為厚4 cm重交通抗車轍改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13與厚 6 cm重交通抗車轍改性瀝青混凝土AC-20（無車轍改性劑在瀝青混合料中的質(zhì)量分數(shù)為1%）改善路面車轍情況。采用室內(nèi)試驗的方法，得到SMA-13與AC-20的最佳瀝青質(zhì)量分數(shù)分別為5.9 %、4.3 %。實際鋪筑完成運營0.5 a后檢測路面的彎沉、構(gòu)造深度及車轍深度。結(jié)果顯示：通車運營0.5 a后，實際彎沉較設(shè)計彎沉減小約36%，路面承載能力得到較大幅度的提高；構(gòu)造深度均大于0.5 mm，抗滑性能優(yōu)異；無車轍路面表面平整，車轍深度小于4.00 mm，遠小于標(biāo)準(zhǔn)車轍深度。

關(guān)鍵詞：NRP；無車轍劑；車轍深度；構(gòu)造深度；瀝青路面

中圖分類號：U416.27文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1672-0032（2024）03-0056-07

引用格式：呂健涵，呂奉麗，劉芝敏，等.無車轍路面在道路交叉口的應(yīng)用［J］.山東交通學(xué)院學(xué)報，2024，32（3）：56-62.

Lü Jianhan， Lü Fengli， LIU Zhimin，et al. Application of no-rutting pavement at road intersections［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（3）：56-62.

0 引言

隨著我國公路建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，城市道路呈現(xiàn)高流量、大負荷和渠化交通的特點，路面最主要的問題是車轍損傷，城市路口因車輛經(jīng)常制動、啟動與轉(zhuǎn)彎造成的車轍損傷尤為常見，削弱路面結(jié)構(gòu)的總體承壓能力，嚴重降低道路運輸?shù)耐〞承院桶踩?，對駕駛者的行駛體驗產(chǎn)生負面影響^[1-3]，增大城市道路維修養(yǎng)護成本。

為增強瀝青路面的抗車轍性能，降低路面車轍病害發(fā)生的概率，馬輝等^[4]將玄武巖與抗車轍劑摻入瀝青混合料，對其路用性能進行試驗檢測，結(jié)果表明玄武巖纖維與抗車轍劑在瀝青混合料中的質(zhì)量分數(shù)分別為0.3%、0.2%時可有效降低路面車轍病害。樊長昕^[5]認為抗車轍劑主要通過對集料增黏、加筋、嵌擠填充等方式提高瀝青路面的抗車轍性能。已有研究多集中在采用級配優(yōu)化、高黏度改性瀝青及摻入聚酯纖維等加筋材料的方式提高瀝青路面的承載能力^[6-8]，但在重載車輛低速行駛和制動、轉(zhuǎn)彎頻繁的交叉口路段，早期病害仍反復(fù)產(chǎn)生，修復(fù)養(yǎng)護的成本較高^[9-10]。對瀝青路面車轍的研究集中在高等級公路抗車轍方面，對城市道路特殊路段抗車轍的研究較少^[11-12]。城市道路特殊路段車轍病害頻發(fā)，研究改性苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（styrene butadiene styrene，SBS）瀝青混合料抗車轍性能，以及無車轍路面（no-rutting pavement，NRP）抗車轍性能具有重要的現(xiàn)實意義^[13-14]。NRP是在不改變現(xiàn)有流程施工情況下，僅增加無車轍改性劑投放過程達到改善瀝青路面剛?cè)釓?fù)合的效果^[15-18]。

本文采用室內(nèi)試驗與現(xiàn)場鋪筑NRP材料2種方式，對G104 京嵐線青銀高速靳家立交至山東高速交界段（K421+209—K428+909） 路面實施修復(fù)養(yǎng)護，確定瀝青混合料的最佳油石比，監(jiān)測通車后的彎沉、構(gòu)造深度及車轍深度等路用性能，研究NRP無車轍材料的抗車轍性能，以期為城市道路交叉口采用NRP材料抗車轍病害提供研究成果與應(yīng)用技術(shù)支持。

1 工程簡介

G104京嵐線青銀高速靳家立交至山東高速交界段（K421+209—K428+909） 位于山東省濟南市天橋區(qū)，路段長7.7 km，一級公路，設(shè)計速度為80 km/h，路基寬32.0 m，路面寬29.5 m，瀝青混凝土路面布局示意圖如圖1所示。

根據(jù)公路交通站的交通量數(shù)據(jù)分析，本項目路段特大貨、集裝箱等重載交通較多，交通量等級為重交通。根據(jù)路面校測結(jié)果，路面破損率為2.65%，路面損壞狀況指數(shù)為77.6＜85.0，此路段需進行修復(fù)養(yǎng)護^[19]。隨著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟的發(fā)展，特別是在濟南新舊動能轉(zhuǎn)換起步區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目中，周邊工業(yè)廠區(qū)增多，交通量持續(xù)上升，瀝青路面陸續(xù)出現(xiàn)各種形式的損壞，尤其是道路交叉口K428+300—K428+550車轍病害嚴重。為確保此路段正常運行，同時保證行車舒適性和交通安全性，結(jié)合道路實際情況，對該路段進行NRP施工。

2 NRP設(shè)計

2.1 路面結(jié)構(gòu)設(shè)計

在K428+300—K428+550路段車轍病害嚴重的交叉口，采用厚4 cm重交通抗車轍改性瀝青瑪蹄脂碎石（stone matrix asphalt，SMA）混合料SMA-13與厚 6 cm重交通抗車轍改性瀝青混凝土AC-20（經(jīng)試驗證明，NRP無車轍改性劑在瀝青混合料的質(zhì)量分數(shù)為1%時路用性能較好）結(jié)構(gòu)改善路面車轍情況，路面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 原材料

原材料包括NRP無車轍改性劑、玄武巖碎石、機制砂、礦粉、木質(zhì)素纖維、瀝青混合料摻配高性能界面增強劑制備改性SBS瀝青。

采用NRP無車轍改性劑作為改性劑，依據(jù)文獻[20]檢測熔融指數(shù)、密度及灰分性能指標(biāo)，檢測結(jié)果如表1所示。依據(jù)文獻[21]檢測改性SBS性能指標(biāo)，結(jié)果如表2所示。

由表1可知，NRP無車轍改性劑的檢測指標(biāo)均符合文獻[20]的質(zhì)量要求。由表2可知，改性SBS瀝青的檢測性能指標(biāo)均滿足文獻[21]的要求。

2.3 瀝青混合料級配設(shè)計

瀝青上面層采用4種集料，粒徑為10～15 mm的玄武巖碎石、粒徑為5～10 mm的玄武巖碎石、粒徑為0～3 mm的機制砂、礦粉的質(zhì)量比為39∶35∶16∶10。瀝青下面層采用粒徑為10～20 mm的石灰?guī)r碎石、粒徑為5～10 mm的石灰?guī)r碎石、粒徑為0～5 mm機制砂、礦粉，其質(zhì)量比為38∶31∶29∶2。

SMA-13和AC-20各集料合成級配如圖3所示。

2.4 最佳瀝青質(zhì)量分數(shù)

2.4.1 SMA-13

根據(jù)施工經(jīng)驗，制備5組瀝青質(zhì)量分數(shù)w₁分別為5.0%、5.3%、5.6%、5.9%、6.2%的SMA-13標(biāo)準(zhǔn)試件，其中木質(zhì)素纖維在改性瀝青混合料中的質(zhì)量分數(shù)為0.3%，分別測定試件的性能指標(biāo)，結(jié)果如表3所示。根據(jù)表3數(shù)據(jù)繪制最佳瀝青質(zhì)量分數(shù)與各指標(biāo)的關(guān)系曲線。按照施工經(jīng)驗，期望空隙率為4.0%時路面力學(xué)性能較好，綜合考慮選擇最佳瀝青用量為5.9 %。為驗證結(jié)果準(zhǔn)確性，制作瀝青質(zhì)量分數(shù)為5.9%的SMA-13試件，并對其進行馬歇爾穩(wěn)定度及車轍試驗，測得結(jié)果為：穩(wěn)定度為16.81 kN，流值為3.68 mm，殘留穩(wěn)定度為92.6%，動穩(wěn)定度（70 ℃，0.7 MPa）≥10 000 次/mm，試驗結(jié)果均符合標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計要求，因此確定最佳瀝青質(zhì)量分數(shù)為5.9 %。

2.4.2 AC-20

根據(jù)施工經(jīng)驗制備5組瀝青質(zhì)量分數(shù)w₂分別為3.3%、3.8%、4.3%、4.8%、5.3%的AC-20標(biāo)準(zhǔn)試件，分別測定性能指標(biāo)，結(jié)果如表4所示。根據(jù)表4數(shù)據(jù)繪制最佳瀝青質(zhì)量分數(shù)關(guān)系曲線，并根據(jù)瀝青質(zhì)量分數(shù)與各指標(biāo)關(guān)系確定最佳瀝青質(zhì)量分數(shù)，如圖4所示，計算確定最佳瀝青質(zhì)量分數(shù)為4.3%。為驗證結(jié)果準(zhǔn)確性，制作瀝青質(zhì)量分數(shù)為4.3%的AC-20試件并對其進行馬歇爾穩(wěn)定度及車轍試驗，測得結(jié)果為：穩(wěn)定度為18.45 kN，流值為2.48 mm，殘留穩(wěn)定度為91.3%，動穩(wěn)定度（70 ℃，0.7 MPa）≥10 000次/mm。瀝青質(zhì)量分數(shù)為4.3%的試驗結(jié)果符合規(guī)范及設(shè)計要求，因此確定最佳瀝青質(zhì)量分數(shù)為4.3%。

3 道路性能測試與評價

2023-07-09，K428+300—K428+550無車轍路面段鋪筑完成。修筑完成至今，路面的外觀表面紋理質(zhì)量良好，未發(fā)生車轍等早期病害，為評價NRP的使用性能，檢測路面的彎沉、構(gòu)造深度及車轍深度指標(biāo)。

3.1 NRP彎沉

采用型號為SHN-FED-MV落錘式彎沉檢測系統(tǒng)對NRP進行工程實體彎沉檢測，每車道每20 m測1點，檢測結(jié)果如表5所示。

由表5可知：NRP實測彎沉均滿足設(shè)計強度要求，且平均彎沉比設(shè)計彎沉減小約36%。NRP由干法SBS與含有單個環(huán)氧基團的有機高分子化合物通過多種類型的環(huán)保固化劑在高溫條件下形成，兼具SBS改性瀝青混凝土的抵抗雨水侵蝕、低溫開裂及飛散損壞能力，抗荷載破壞能力明顯提高^[22-23]。同時，NRP彎沉的標(biāo)準(zhǔn)差較小，實測彎沉均接近平均彎沉，實測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，路面承載能力得到大幅提高。

3.2 NRP構(gòu)造深度

采用鋪砂法對NRP進行路表構(gòu)造深度檢測，檢測結(jié)果如表6所示。

由表6可知：左幅檢測路段與右幅檢測路段的構(gòu)造深度為0.70～0.90 mm，均滿足大于0.50 mm的要求，抗滑性能優(yōu)異。普通瀝青混合料因瀝青與集料間的相容性較差，在高頻重載、雨水沖刷、高溫作用下，瀝青極易與集料剝離，出現(xiàn)早期病害。NRP是在干法SBS基礎(chǔ)上，通過添加單組分環(huán)氧與增黏樹脂，在固化劑的高溫激發(fā)下形成不溶、不熔三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，將瀝青與集料牢牢包裹，瀝青不會因重荷載、高溫、雨水變形、軟化，不易與集料剝離，瀝青與集料間的黏附性增強，道路抗滑性能提高，路面凹凸不平的現(xiàn)象減少^[24-28]。

3.3 NRP車轍深度

通車0.5 a，采用路面橫斷面尺法測量路面車轍深度，評價NRP的抗車轍效果，檢測結(jié)果如表7所示。

由表7可知：經(jīng)過0.5 a通車運營，車轍深度均小于4.00 mm，遠低于標(biāo)準(zhǔn)車轍深度10.00 mm，比同期交叉口普通瀝青路面實測平均車轍深度9.23 mm明顯減小。未養(yǎng)護時，普通瀝青混凝土路面部分重載交叉口路段的車轍深度深達20.00 mm，嚴重危害道路行駛安全。在高溫條件下普通瀝青混凝土路面瀝青軟化，加上重載車輛的往返碾壓，交叉口極易出現(xiàn)車轍病害。NRP無車轍改性劑的不熔三向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可保證在高溫條件下瀝青不會軟化變形，實現(xiàn)瀝青路面剛?cè)釓?fù)合的改性效果，道路在外部荷載多次碾壓時，瀝青不會出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，增強了路面整體抵抗變形的能力。NRP技術(shù)具有優(yōu)異的抗車轍性能，運行情況良好。

4 結(jié)論

1）采用NRP無車轍劑作為改性劑，瀝青混合料摻配高性能界面增強劑制備改性SBS瀝青，設(shè)計采用厚4 cm重交通抗車轍改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13與厚6 cm重交通抗車轍改性瀝青混凝土AC-20路面結(jié)構(gòu)改善路面車轍情況，通過室內(nèi)試驗，確定無車轍路面SMA-13與AC-20的最佳瀝青質(zhì)量分數(shù)分別為5.9 %和4.3 %。

2）通過彎沉、構(gòu)造深度、車轍深度測試，結(jié)果表明NRP性能優(yōu)良，施工技術(shù)與其他普通瀝青混凝土路面無較大差異，僅增加改性劑投放環(huán)節(jié)，不改變現(xiàn)有施工流程，施工完成后可快速開放交通，應(yīng)用優(yōu)勢較大。

3） 通過工程實際應(yīng)用，采用厚4 cm重交通抗車轍改性瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA-13與厚6 cm重交通抗車轍改性瀝青混凝土AC-20（瀝青混合料中NRP無車轍改性劑的質(zhì)量分數(shù)為1%）改善道路交叉口K428+300—K428+550車轍情況，在該路段投入運營0.5 a后進行檢測，結(jié)果表明路面平整密實，彎沉、構(gòu)造深度及車轍深度均符合要求，無車轍病害發(fā)生。

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Application of no-rutting pavement at road intersections

Lü Jianhan， Lü Fengli^*， LIU Zhimin， GENG Lei

Jinan Kingyue Highway Engineering Co.， Ltd.， Jinan 250101，China

Abstract：To address the problem of frequent rutting damage at the intersection of the Qingdao-Yinchuan Expressway at the Jinjia Interchange to the Shandong Expressway junction from station K428+300 to K428+550 on G104， a no-rutting pavement （NRP） technology is used in the repair and maintenance construction， utilizing no-rutting agents and modified styrene-butadiene-styrene （SBS） block copolymers. The designed pavement structure consists of a 4 cm heavy traffic anti-rutting modified asphalt Ma Gaiti crushed stone mixture SMA-13， and a 6 cm heavy traffic anti-rutting modified asphalt concrete AC-20 （with NRP accounting for 1% of the mass fraction in the asphalt mixture） to improve the rutting situation. Through indoor testing， the optimum asphalt content are determined to be 5.9% for SMA-13 and 4.3% for AC-20. After actual construction and half a year of operation， the pavement′s rutting depth， construction depth， and rutting depth are inspected. Results show that after 0.5 a of operation， the actual rutting depth decreases by approximately 36% compared to the design rutting depth， indicating a significant improvement in the road′s bearing capacity. The construction depth exceeds 0.5 mm， showing excellent skid resistance performance. The no-rutting pavement surface is smooth， and the rutting depth is less than 4.00 mm， significantly lower than the standard rutting depth.

Keywords：NRP; no-rutting agent; rut depth; structural depth; asphalt pavement

（責(zé)任編輯：王惠）