高等级公路沥青混凝土路面结构设计探讨[0个Ｅ路币]施工 公路 高速公路 监理 设计 监理工程师 模拟试题 考试 管理 路面 质量 公路工程 桥梁 控制 应用 工程
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国内已通车的部分高速公路沥青路面，通车一、两年往往就出现不同程度的早期破坏现象，如:疲劳开裂和反射裂缝，麻面、剥离、掉粒松散、坑槽；车辙等等。原因是复杂的，施工质量控制不当、材料质量不高以及重载车辆多等均可导致沥青路面出现早期破坏，此外路面结构设计不完善的问题也在一定程度上存在，一些设计者往往对沥青混合料的性能掌握不全面，对原材料的技术要求偏低偏少，对沥青混合料的级配调整方向在设计中讲得不明确，以及对一些细节重视不够，设计路面结构难免搬套，没有根据具体项目的自然、气候、交通量、经济条件及当地已建、在建项目运用情况进行有针对性的设计。本文从沥青混合料的特性，结构设计中存在的问题，提高沥青混合料路用性能的措施等方面进行探讨，与设计同行们交流，以期共同提高设计水平。
1 沥青混合料
1.1 AC、AK型沥青混合料
AK结构也属半密实型沥青混合料，由于其空隙率相对较大（与AC-Ⅱ型接近），抗滑性能良好，是多雨地区高速公路上面层常采用的结构，但这种结构的抗水损害能力差，耐久性差；AC-Ⅱ属半密实型，空隙率一般为4%～10%，由于空隙率大，水稳定性相对较开裂、低温差，现应用较少；AC-Ⅰ型混凝土是一种密实型沥青混合料，空隙率一般为3%～6%，其矿料级配按最大密实原则设计，属于连续性级配，强度和稳定性主要取决于混合料的粘聚力和内摩阻力，因为结构密实、空隙率小，所以路面的水稳定性较好，在中、下面层中广泛应用，但这种结构耐磨、抗滑性欠佳，高温稳定性明显不足。在炎热气候及渠化、超重交通荷载的作用下容易导致路面出现车辙。
1.2 沥青玛碲脂碎石混合料（SMA）沥青玛蹄脂碎石混合料（StoneMasticAsphalt）是由高含量粗集料、高含量矿粉、较大的沥青用量、低含量中间粒径颗粒组成的骨架密实结构型沥青混合料。除此之外，沥青改性剂、纤维等也是重要的组成成分，是一种间断级配沥青混合料，空隙率小，一般为2%～4%，集料表面的沥青膜厚，使混合料具有性能良好的抗水性和耐疲劳性能。欧洲经验表明，SMA路面的使用寿命比传统沥青路面长20%～40%，既解决了抗滑问题，又解决了抗水渗入损害这一对相互矛盾的技术难题，具有了抗滑耐磨、密实耐久、抗疲劳、抗高温车辙和有效地减少低温开裂的优点，不仅在国外应用比较广泛，最近几年，国内多条高速公路大量采用了该种结构作为路面的上面层，得到了比较满意的效果。但由于混合料的拌合、运输、碾压等施工工艺要求较严，对各原材料的技术指标要求较高，可以说只有在采用了优质原材料，尤其是优质的改性沥青的基础上，才能实现以上各方面的优点，因此其造价为普通沥青混凝土的1.3～1.8倍，仅限于路面上面层使用。
1.3 高性能沥青路面（Superpave）
高性能沥青路面（Superpave）是美国公路战略研究计划（SHRP）最重要的研究成果之一，它包含了沥青标准和集料标准、矿料级配曲线的组成规定和混合料的体积设计方法三大内容。高性能沥青路面沥青结合料与混合料规范的新体系将试验方法与指标同沥青路面的路用性能建立起直接关系，通过控制高温车辙、低温开裂和疲劳开裂来达到全面改进路面性能的目的，形成了一个基于路用性能基础上的沥青-沥青混合料设计新体系。它与马歇尔设计方法的不同点在于:根据不同的交通量等级选择不同的压实参数，使荷载条件反映到沥青混合料的设计当中；采用了旋转压实成型试件，使试件中集料分布更接近于工地现场压实情况，具有代表性；采用了大尺寸试件，试件直径150mm，大粒径的集料可以在试件中均匀分布，减少了马歇尔试件由于尺寸小而产生的实验结果的变异性；试件成型过程中增加了混合料的短期老化，使混合料性质与实际生产使用的混合料一致。
高性能沥青路面在室内用旋转击实仪做沥青混合料设计，按规定的体积设计法确定设计沥青含量，并将沥青混合料压实到实际路面在当地气候和荷载条件下所达到的密实度。高性能沥青路面室内混合料设计的几个主要体积指标及其规定值如下:
（1）设计旋转击实次数时，混合料的空隙率（Va）为4%。
（2）Va为4%时的矿料间隙率（VMA）随标称最大集料尺寸而异。
（3）Va为4%时，混合料的饱和度（VFA）随设计当量标准轴次（ESAL）而异，饱和度和标准随设计当量标准轴次增加而减少。
此外，对集料提出通用特性和原状特性要求。通用特性包括:粗集料的棱角性、细集料的棱角性、集料的扁平细长含量、集料的含泥量。原状特性要求，包括坚固性、安定性、风化颗粒规定，主要目的是提高其内摩阻角，从而提高混合料的抗车辙能力，保证在搅拌和碾压时集料不碎裂，并保证沥青与矿料之间的粘结力。
Superpave沥青混合料与传统的密级配沥青混合料相比，在造价基础没有提高的情况下，路用性能，特别是高温稳定性方面具有很大的优势，混合料的水稳定性、低温开裂及疲劳性能也得到令人满意的结果，路面平整度大大提高。在山东、江苏等地的高速公路中已得到应用，效果较好，部分省区也或多或少地进行了一定的试验路铺筑。
2 路面结构设计中存在的问题
2.1 结构类型选择不当
在多雨潮湿地区，采用AK型上面层结构，空隙率较大，下雨后，水分容易渗入面层内，如果中、下面层采用AC-Ⅰ型相对密实的结构，水分则聚集在上面层和中面层之间，并使上面层长期浸泡在水中，导致路面发生松散、坑洞等破坏；反之若中、下面层采用AC-Ⅱ型结构，水分会直接渗入基层，基层长期浸泡在水中，会发生松散、唧浆，从而使整个路面结构破坏，危害更大。大量的调查研究资料表明，水损害是沥青路面早期破坏的主要原因。
目前沥青路面中、下两层均采用常规或规范级配中值的AC-Ⅰ型结构，路面结构高温稳定性欠佳，在炎热气候及渠化、超重交通荷载的作用下容易导致路面出现车辙，此外由于其矿料间隙率也难以满足要求，通常采用减少沥青用量的方法来满足间隙率的要求，这样使沥青路面的耐久性能降低。
2.2 沥青混合料类型与结构层厚度不匹配
根据美国Superpave的定义:集料最大公称尺寸为筛余第1次大于10%的筛号的上一级筛子筛号，集料最大尺寸为集料最大公称尺寸上一级筛号。以AC-25Ⅰ为例，筛余第1次大于10%的筛号为19mm，19mm的上一级筛号为26.5mm，26.5mm称为集料最大公称尺寸，再上一级为31.5mm，31.5mm称为集料最大尺寸。
设计中往往选择的沥青混合料类型与路面结构层厚度不匹配，由于集料最大粒径过大，公称尺寸集料偏多，因而造成混合料容易离析、压实困难、空隙率偏大，从而导致早期水损害问题。我国《公路沥青路面施工技术规范》规定的水损害指标不足以防止水损害，因为马歇尔密度满足规范要求，路面空隙率仍可能超过8%。
2.3 沥青混合料级配不尽合理
对于矿料级配的确定主要有理论法和经验法。理论计算法是按照不同粒径相互嵌挤的原理或干涉原则推导出计算公式，主要有n法、I法和K法。在实际工程中，美国以n=0.45作为制定标准级配的依据，我国现行的AC-Ⅰ型密级配沥青混凝土基本符合此依据，称0.45次幂曲线为最大密实线，马歇尔方法设计的沥青混合料通常比较接近最大密实线。然而，沥青混合料并非越密越好，应该在满足沥青混合料的基本体积性质（如VMA、VFA、VA等）的基础上，尽可能密实；SMA是由相互嵌挤的粗骨料为骨架，再用较多的沥青与矿粉纤维及少量的细集料组成沥青玛蹄脂填充骨架间而形成的嵌挤型密实结构混合料；Superpave沥青路面混合料设计引入了限制区和控制点的概念，并且级配范围不固定。控制点是级配曲线必须通过的一个范围，也就是说，按高性能沥青路面规定组成矿料级配曲线时，曲线粗集料的一端必须通过规定的几个控制点，限制接近最大粒径的颗粒数量。而限制区是级配曲线不能通过的区域，即曲线的细集料不能通过的区域，它的目的主要是为了限制混合料中的砂砾的含量，以避免混合料在铺筑过程中发生压实问题或抗永久变形能力不足。控制点处范围较宽，这样就突破了以往级配应用中大家普遍采用的走中值的思路，给级配设计提供了相当大的灵活性，可以针对不同性质的集料设计出不同的级配曲线，同一种集料也可设计出不同的级配曲线，从中选择满足各项技术标准的最佳曲线。
2.4 沥青路面原材料选用控制不严
沥青材料对于路面的低温抗裂性能及高温抗车辙性能及耐久性的关系非常直接。有这样一组关于沥青、矿料质量对混合料抗车辙性能影响的试验实例，即试验分2组，一组为矿料相同而沥青不同；另一组是矿料不同而沥青相同。试验结果见图1，试验说明沥青对混合料高温车辙性能影响很大，同样矿料质量对混合料的高温车辙性能也有直接影响。
面层结构的粗集料的压碎值达不到规定的要求时，在行车荷载和环境因素的反复作用下被压碎，而使得路面抗滑性能和抵抗变形的能力减弱。
此外，一般酸性岩石的石料如花岗岩、石英岩等与沥青的粘附性较差，长时间后会使沥青膜渐渐地从集料表面剥落，并导致集料之间的粘结力丧失而导致路面破坏。
2.5 下封层重视不够
沥青下封层有封闭路面下渗水、扩散路面应力、增强面层、基层的连接及减少基层反射裂缝至面层等等作用，是路面结构设计非常重要的一环。而目前设计中往往对此重视不足，对封层的合理作法及施工要求等方面所作的工作不多。
2.6 路面排水系统不完善
路面表面排水不畅，排水设施不完善，路面积水或水分滞留时间太长使水分渗入路面结构内部；路面结构层抗水损害性能差，水稳性不足。
3 提高路面路用性能可采取的措施
3.1 合理地选择路面结构类型
3.1.1 选择原则
路面面层根据当地的气侯、自然条件及当地习惯及经济水平等综合确定。表面层应综合考虑高温抗车辙、低温抗开裂、抗滑的需要；中面层应重点考虑抗车辙能力；底面层重点考虑抗疲劳开裂性能、密水性等。
对潮湿区、湿润区等雨水、冰雪融化对路面有严重威胁的地区，在考虑抗车辙能力的同时还应重视密水性的需要，防止水损害破坏，宜适当减小设计空隙率，但应保持良好的雨天抗滑性能。对于旱地区，受水的影响很小，对密水性及抗滑性能的要求可放宽。
此外，设计中应广泛了解和调查项目区已建和在建项目的路面结构应用情况及各处结构的使用效果，对所要设计的结构有无成熟的施工及管理经验，作为确定路面结构的重要依据。
3.1.2 上面层选择
SMA由于其良好的高温抗车辙、低温抗开裂、抗滑及耐久性，应该为路面上面层的首选。然而由于造价相对较高，因此在应用上受到一定的限制。虽然SMA相对AC、AK及Superpave在建设过程中的一次投资要高一些，但有调查资料显示SMA路面相对AC、AK及Superpave路面可以延长使用寿命20%～40%，因此SMA路面的综合经济效益往往要高于普通沥青混凝土路面。同时，使用SMA路面可提高路面服务质量，节省油耗，减少轮胎磨损及机件损坏，提高车速及舒适性，减少交通事故，节省运营费用等等，在高温、重载、量大的环境下SMA的效益更加突出。所以，在我国重要的公路运输主干线（重载车辆多、交通量大）的建设上，SMA路面具有极大的选择优势。
上面层宜选用SMA-13型。此外，在一些降雨量不太大，夏季气候不太高、重载相对较少的地区也可采用AK-13A、AC-13Ⅰ、AC-16Ⅰ等路面结构，但最好采用改性沥青。
3.1.3 中、下面层选择
Superpave高性能沥青路面在高温抗车辙方面具有很大的优势，混合料低温、疲劳抗开裂性能良好，此外，由于其空隙率相对较小，其抗水损害能力也较强，适合作高速公路中、下面层，尤其是在重载多的高速公路。当然，有些地方仍然习惯于采用AC-Ⅰ型沥青混凝土作中、下面层，但对规范密级配进行了改进，一定程度上提高了动稳定度。
中、下面层宜选用Superpave-19、Superpave-25型及AC-20Ⅰ、AC-25Ⅰ型等。
3.1.4 选择合适的结构层厚度
1998年出版的Superpave施工指南建议，沥青路面结构层厚度应等于或大于集料最大公称尺寸的3倍，对粗的混合料，结构层厚度应大于集料最大公称尺寸的3倍。按此原则，AK-13最大公称尺寸为13.2mm，则路面结构层厚度应大于等于4cm，AC-16Ⅰ最大公称尺寸为16.0mm，则路面结构层厚应大于等于5cm，AC-20Ⅰ最大公称尺寸为19mm，路面结构层厚度应大于等于6cm，AC-25Ⅰ最大公称尺寸为26.5mm，则路面结构层厚度应大于等于8cm。这个原则正逐渐被认可，按此原则确定的路面结构层厚度在施工中更便于压实，混合料离析程度减轻，使用效果也相对更好。
3.1.5 合理进行沥青混合料级配
目前有些工程单位往往根据其工程所在地的气候、交通条件等，对现行规范规定的矿料级配范围进行调整，自行确定设计级配范围。
对夏季温度较高，且高温持续时间长，但冬季不太冷的地区或者重载路段应重点考虑抗车辙能力的需要，减少4.75mm及2.36mm的通过率。选用较大的设计空隙率，当采用密级配混合料时，宜选用粗型密级配沥青混合料；对冬季温度较低，且低温持续时间长的地区，或者非重载路段，应在保证抗车辙能力的前提下，充分考虑提高低温抗裂性能，适当增大4.75mm及2.36mm的通过率。选用较小的设计空隙率，当采用密级配混合料时，宜选用细型密级配沥青混合料；对夏季温度高，且持续时间长，冬季又十分寒冷，年温差特别大，又属于重载路段的工程，高温要求和低温要求发生矛盾时，应以提高其高温抗车辙能力为主，兼顾低温抗裂性能的需要，在减少4.75mm及2.36mm的通过率的同时，适当增加0.075mm的通过率，使其级配范围成S型，并取中等或偏高水平的设计空隙率。
Superpave要求设计空隙率为4%，当施工压实度达到97%时，竣工的空隙率≤7%，这是为防止渗水的界限。大量资料已经证明，当空隙率＞8%，特别在8%～12%间，渗水严重，同时在空隙率＜5%时，沥青老化很轻微，而空隙率>7%后，沥青老化则急剧增大。如设计空隙率太小，例如＜3%，甚至2.5%，则在高温时，由于沥青膨胀而造成泛油或车辙，也已为实践所证明。
Superpave的集料组成是在前人理论研究和实践经验基础上，以控制点和限制区表示，限制区第一点可以作为集料组成种类划分的中心控制点。当组成从中心控制点下通过时，适用于大交通量和高温地区；当组成从中心控制点上方通过时，适用于中、轻交通量和低温地区。
3.1.6 严格选用优质的原材料
沥青材料对于路面的低温抗裂性能及高温抗车辙性能及耐久性的关系非常直接，选用优质的沥青非常重要，沥青选择不但要满足规范要求，而且要尽可能提高指标要求。此外，对于高速公路的上面层，应尽可能采用改性沥青，改性沥青对高温稳定性次数较之普通沥青能提高一倍以上，改性沥青对低温弯曲试验破坏应变较之普通沥青也有很大程度的提高。在重载较多或气候条件差并有条件时，高速公路中面层也应尽可能采用改性沥青。
路面面层石料应采用高强度、耐磨并且与沥青粘结性较好的中基性石料为宜。此外，应对集料的扁平细长含量等进行试验，Superpave还对坚固性、安定性进行试验，从源头上保证混合料的性能。此外，当石料与沥青的粘接性相对较低时，应在沥青中加入表面活性剂（如抗剥落剂），有效提高沥青对集料的粘结力。
3.1.7 注意下封层质量
设计中对下封层必须提出明确的施工要求，施工方法以及封层材料，并且为了保证施工质量，应强调机械化、专业化施工。江苏等省份对下封层提出明确的施工指导意见，对此类较为先进成熟的做法值得在设计中推广。
3.1.8 完善路面排水系统
路面的早期破坏可以说都与水的损害有关，所以必须设计完善的路面排水系统，包括:路肩排水、超高段排水、中央分隔带排水等等。
此外，路面基层、底基层设计也是路面结构设计的重要内容，对路面结构的性能影响很大，由于篇幅有限，此部分内容不再展开讨论。
4 结论
本文探讨了目前我国常用沥青混合料的特性以及沥青路面结构设计中存在的一些问题，并且讨论了提高沥青混合料路用性能设计中可遵循的原则和可采取的一些措施，鉴于对上述问题认识有限，只是作一些探讨，恳请专家和设计同行批评指正。
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