吉林省沥青路面老化病害分析及配合比设计方法研究

2012-03-31张熙颖孙东雨安平冶

吉林建筑大学学报 2012年3期

张熙颖孙东雨安平冶

(1:吉林建筑工程学院交通科学与工程学院，长春 130118;2:吉林省东吉公路建设有限公司，长春 130000; 3:吉林省荣邦工程设计咨询有限责任公司，长春 130061)

0 引言

在全球一体化的今天，交通运输系统的发展对于国计民生起着不可替代的作用.在交通运输系统中，铁路、航空运输、公路运输、水路运输及管道运输在不同的领域扮演着不同的重要角色，共同组成了我国的综合运输网络［1］.在这5种运输方式中，公路因为其运输方式灵活，能够实现“门”到“门”的运输服务而成为经济发展中不可替代的力量，而高速公路更是公路运输的核心力量.

自1990年沪嘉高速建成通车后，随着我国经济的发展，高速公路发展在政府的指导下突飞猛进.自2004年底开始，我国高速公路建成通车总里程数已稳居世界第二.目前，按照2004年底《国家高速公路网规划》，“7918”路网规划正在按部就班的落实.这一版图将使全国大部60%以上的区域可以在半小时内到达高速公路，将给人民生活带来极大的方便.

在公路大发展的背景下，吉林省在1996年开通了省内第一条高速——长平高速，此后高速公路的建设开始为百姓民生带来福祉.至2011年，已有15条通车里程达2 250 km的高速公路投入运营，尽管长度不到吉林省全部公路长度的2%，却承担着20%以上的运输量.在高速公路发展的同时，应该看到，吉林省隶属于季节性冰冻地区，沥青路面在运行过程中，在行车荷载重复作用的同时，承受着相对更为严酷的自然条件的考验.吉林省自1996年第一条高速公路—长平高速建成通车以来，迄今为止，高速公路通车里程已突破2 000 km，这些高速公路承担着达20%左右的运输量.由于路面老化，需要养护，而在养护维修过程中，所产生的铣刨旧料数量惊人.如果可将这些旧沥青混合料加以利用，不但可以节约成本，而且可以减少废料堆积所带来的环境压力，减少沥青、石料的用量，从而达到保护环境、节约资源的目的.

1 吉林省高速公路沥青路面老化病害及不利影响

图1和图2分别是沥青路面的横向裂缝和纵向裂缝的现场照片.横向裂缝是沥青早期甚至是初期病害的主要形式，其产生的主要原因有两个方面:一是沥青路面在冬季低温作用下，所产生的温度应力超过了材料的抗拉强度;二是在行车荷载作用下，疲劳应力超过了抗拉强度所致.纵向裂缝的产生一般是源于土基压实不足或两幅路面衔接处土基处理不当［2］.沥青路面在使用过程中，要承受大量行车荷载的反复碾压作用，以重交通二级公路为例，在设计年限内折合成BZZ-100的交通量约为2 000万次.同时，由于沥青材料的老化，使路面的开裂变形加剧，则会形成如图3所示的网裂.出现网裂后，原本成整体的沥青路面被分成如图所示的块状.在轮胎摩擦和轮后吸力的作用下，部分混合料中的颗粒被从原来的位置带走，形成了如图4所示的剥落.

路面结构缺失的集料颗粒的位置在后续的运行中成为薄弱环节，在荷载、水和温度的综合作用下，形成了如图5和图6所示的坑槽.沥青路面在早期所出现的开裂病害并不会使道路使用者在行车时感到明显的不舒适，可一旦发展到图5和图6的情形，就会使司乘人员有明显颠簸的感觉，同时会加剧车辆的减振负担，如遇暴雨、大雪、积冰等恶劣天气，甚至会诱发较严重的交通事故.

图1 横向裂缝

图2 纵向裂缝

图3 网裂

图4 剥落

图5 坑槽1

图6 坑槽2

2 沥青路面老化产生的原因

沥青老化是指沥青在贮存、运输、施工及路面使用过程中，由于长时间暴露在空气中，在环境因素的作用下发生的一系列挥发、氧化、聚合等物理化学作用，导致沥青内部分子结构和化学组分的变化，致使沥青硬化变脆的过程［3］.沥青的老化过程分3个阶段:

(1)在运输、贮存和加热过程中的老化，这一阶段的老化可理解为临时老化.主要是在加热过程中，沥青材料的的轻质油分不断挥发，粘滞度降低所致，同时由于氧化作用，也使沥青发生了一定程度的老化;

(2)在加热拌和及铺筑过程中的老化，是属于典型的热老化.在这一过程中，沥青薄膜温度约为170℃，致使沥青氧化和组分挥发;

(3)在路面使用过程中的老化.荷载、空气、水和紫外线的综合作用导致沥青不断发生老化，虽然这一进程是比较缓慢的.

3 厂拌热再生技术的研究

我国将沥青再生技术分为4大类:即厂拌热再生、厂拌冷再生、现场热再生和现场冷再生［4］.其中，厂拌热再生技术是将旧沥青混凝土路面铣刨后运回工厂，通过破碎、筛分(必要时)，并根据旧料中沥青含量、沥青老化程度、碎石级配等指标，掺入一定数量的新集料、沥青和再生剂(必要时)进行拌和，使混合料达到规范规定的各项指标，以此混合料做为道路的路面结构材料.

在本课题中，厂拌热再生沥青混合料设计与新沥青混合料设计相同，均采用马歇尔试验并通过目标配合比设计、生产配合比设计及生产配合比验证来确定其最佳沥青用量.具体的技术路线为:

(1)回收旧料.对旧料进行抽提以确定其混合料级配，同时对回收的沥青材料进行性能评价(筛分试验、沥青材料性能试验);

(2)确定热再生方案.是否要掺加再生剂，要根据旧沥青的性质而定;

(3)确定再生混合料各组分含量.旧料掺加比例、新加集料级配、再生混合料级配、是否要填加再生剂;

(4)进行马歇尔试验.在该试验中，确定毛体积密度及稳定度等相关参数，从而确定最佳油石比;

(5)根据马歇尔试验所确定的技术参数，按照试验规程，验证该再生沥青混合料的路用性能.根据车辙试验所获得的动稳定度来考核其高温稳定性;根据低温弯曲蠕变试验所测得的变形评价其低温抗裂性;根据冻融劈裂试验所获得的残留强度比评价其水稳定性［5］;

(6)在上述试验的基础上，确定厂拌热再生沥青混合料的配合比.