海南地区高速公路沥青路面改建关键技术应用研究
2013-12-29曾辉李豪卢勇
摘 要：本文以海南西线高速公路路面改建工程为依托，介绍了海南地区高速公路路面改建关键技术应用情况。面层以下基层以及土基的检测与判别、基层病害处治以及原沥青路面再生回收利用是沥青路面改建的关键技术。综合考虑海南地区气候特点和施工条件，提出了三种关键技术地域性实施具体措施，同时对实践情况和改建的效果进行评价，以供今后类似工程作为参考。
关键词：改建工程 关键技术 基层病害处治 路面再生回收
中图分类号：U414 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（a）-0086-04
随着全国高速公路路网的持续完善，原有高速公路尤其是沥青路面随着使用时间的延续，使用性能和承载能力不断降低，超过设计使用年限后便不能满足正常行车交通的要求，需要补强或改建，可以预计今后高速公路的改建任务越来越成为重中之重。
在沥青路面改建前，由于路面基层病害不确定性且按照现有的规范指标很难去判断是否需要处治基层，因此基层病害诊断分析以及基层的处治技术成为沥青路面改建的关键所在。另外，交通部发布的《交通运输“十二五”发展规划》中，已经明确提出要加快建立以低碳为特征的交通运输体系，强化节能减排，集约节约利用资源，促进资源循环利用，加强生态和环境保护，实现交通运输绿色发展[1]。因此这些要求道路工作者在进行改建时将绿色低碳环保的要求作为必须考虑的因素，路面再生技术也成为路面改建的关键技术之一。
本文以海南某高速公路路面改造工程为依托，详细阐述了基层病害诊断分析及判别依据、基层处治技术方案以及沥青面层回收利用方案三种关键技术。综合考虑海南地区气候特点，提出了三种关键技术地域性实施具体措施，同时对实践情况和改建的效果进行评价，以供今后类似工程作为参考。
1 基层病害诊断分析
1.1 原路面情况
项目全长99.715 km，修建于1996年，1998年通车。修建时路面面层为两层，路面结构层总厚度为60 cm，总体上原路面结构形式为4 cm中粒式沥青混凝土+6 cm粗粒式沥青混凝土+30 cm水泥稳定碎石+20 cm 级配碎石+土基。
从病害类型来看，改建前路面主要是网裂、块裂伴随唧浆，整体路面破损状况较为严重，按现行规范评价，项目路段整体路况处于较差的使用状态，超过50%的路段PCI评价为次、差。从弯沉评价来看，全路段单幅67 km路段评价为中及以下，最大单点弯沉99.9（0.01 mm），公里段最大代表弯沉达到87.4（0.01 mm）。
1.2 基层病害诊断分析
通过对原路面调查，针对其主要病害类型，调查方案以破损、弯沉、取芯检测和室内试验为主。为了判断面层以下基层以及土基的情况，引入FWD弯沉盆数据进行评价，同时辅助通过路面取芯等手段进行验证。
FWD弯沉盆数据中包含了路面各结构层状况的丰富信息，可以通过弯沉盆的几何特性来表征路基、路面结构层的强度和承载能力。同时利用模量反算软件可以反算出各结构层的模量，对结构层强度进行直观的评价。国内外的相关研究指出，不同位置传感器之间弯沉值差与沥青路面各结构层模量之间有很好的相关性，因此可以通过独立的弯沉盆参数来表征各结构层的强度情况。本次采用的FWD落锤式弯沉仪7个标准化传感器分别被设置在距离承载盘中心预设的半径处（半径距离为0.0 m，0.2 m，0.3 m，0.45 m，0.6 m，0.9 m和1.2 m）。图1说明了不同路面层对弯沉参数的影响。
（1）中心弯沉（d0）指示路面整体反应情况。
（2）弯沉参数（d0-d200）指示沥青层的反应情况。
（d200=在0.2 m半径处的弯沉）
（3）弯沉参数（d200-d600）指示基层的反应情况。
（d600=在0.6 m半径处的弯沉）
（4）弯沉参数（d600-d1200）指示底基层的反应情况。
（d1200=在1.2 m半径处的弯沉）
（5）最外部弯沉（d1200）指示土基层的反应情况（见图1）。
通过路面破损指数、路面结构强度、FWD模量反算以及取芯情况可以得到以下几点。
（1）从弯沉与破损之间的相关性来看，PCI与PSSI具有较好的相关性，即病害的产生与原路面整体强度较低有很大的关系。（见图2）
（2）FWD弯沉参数D20-D60指标与基层的松散之间存在较为明显的门槛值，当D20-D60大于16时，基层发生松散的概率大大增加（如图3）。因此可以通过D20-D60指标进行基层松散的判定标准。
（3）当代表弯沉大于50时，土基的含水量在25%～45%之间（如图4），基本接近软土的标准，因此可以认为代表弯沉大于50时，其土基状况基本处于较差的状态，需要对土基进行处治后方能使用。
1.3 基层处治判别
通过评价分析，最终选取PSSI、PCI以及D20-D60三个指标组成本项目的评价指标体系，并通过钻取芯样、土基含水量等现场试验进行了验证，确定各指标的阀值。最终确定的路段划分采取以下指标，如下表1所示。
通过以上指标确定的处治路段，在施工实施期间，基本符合预判结果，应用效果良好。说明通过PSSI、PCI及D20-D60三个指标确定大修路段方案是合适的。
2 基层处治技术
海南地区沥青路面改建基层处治时主要考虑的因素有如下几点：（1）由于原路面营运时间较长，基层强度和结构基本趋于稳定，因此在彻底处理原路面病害的同时，尽可能少对基层进行深开挖。（2）海南多雨的气候特点不适合基层深开挖后处于浸泡状态。（3）海南总体高速公路路网并不发达，改建期间整体交通压力会很大，因此要求基层处治时间不能过长，且处治的方案有利于施工组织计划安排。（4）必须综合考虑各种路面再生技术的组合以达到旧路材料的100%循环利用的目的，实现节能环保效益。
根据上述因素，结合基层处治判别依据，对基层处治采取以下三种方案。
（1）对80 （2）对53 水泥就地冷再生一方面解决基层破损问题，改善路面整体强度，另一方面充分利用原水稳基层材料，避免老路开挖浪费，节省施工时间。 本项目中使用了现阶段两种应用成熟的就地冷再生机Wirgten WR2500S和WR4200，其中WR2500S最大工作宽度为3.0 m，对半幅路段需要进行3次，再生最大深度为50 cm；WR4200最大工作宽度达4.2 m，半幅路段再生需要2次，再生最大深度为20 cm。每天再生路段长度基本在500 m半幅，再生时仅封闭再生车道，另外车道施工车辆甚至社会车辆可顺利通行，因此对整体的交通组织影响并不大，适合大修改造工程。 水泥就地冷再生对改善原基层顶面外观作用明显，可消除了原基层顶面裂缝；且对原路面基层顶面强度改善作用明显，本项目中代表弯沉由改造前的150（0.01 mm）左右降低至50（0.01 mm）左右，平均弯沉由改造前的90（0.01 mm）左右降低至30（0.01 mm）左右。（如图5）。但值得注意的是，再生后强度均匀性一般，其强度纵向变异系数在30%左右，主要受原路面基层变异性和再生离析有关。 （3）对PSSI<53的路段，铣刨沥青面层后基层整体松散，继续对基层进行开挖后，路床整体松软和弹簧，因此处治方案为对路床进行开挖30 cm，若开挖30 cm路床后仍含水量大，最多继续开挖30 cm，采用30 cm片石和30 cm碎石或铣刨料回填，上层依次采用20 cm级配碎石+38 cm水泥稳定碎石回填。此方案除了能够很好解决基层整体结构强度外，还采用级配碎石层作为整体排水层，防止基层受地下水侵蚀。由于此方案需要开挖的深度超过1 m，因此要尽可能避免在雨天施工，且要求施工过程中做好临时排水措施。 3 沥青面层回收利用技术 对于老路沥青面层铣刨料，采用厂拌冷再生的方式，作为新路的下面层，无论是使用比例还是使用层位上都可以最大程度的利用旧路材料。同时考虑到项目路所在地属于多雨地区，为避免养生期过长影响工期，采用泡沫沥青厂拌冷再生的方式处理沥青面层废料无疑是最合适的方案之一[3]。 通过室内配合比试验表明，本项目使用的SK70#沥青的适宜发泡温度为165 ℃，发泡用水量为3.5%，膨胀率和半衰期满足规范要求。矿料配比为RAP∶新集料∶水泥=80%∶18.5%∶1.5%，泡沫沥青的用量为2.5%、含水量为5.3%（泡沫沥青和水均为外掺）。所设计的冷再生混合料15 ℃浸水劈裂强度为0.66 MPa，强度满足JTG F41-2008规定的15℃劈裂强度不小于0.5 MPa强度指标[4]。 图6显示的是泡沫沥青冷再生混合料的设计级配，可以看出以下几点。 （1）泡沫沥青冷再生混合料的颗粒大多集中在5～10 mm之间，细料和粗料都比较缺乏，由于新集料的添加比例有限，一般情况下不会对原级配造成很大影响。 （2）多个工程出现0.075 mm以下颗粒含量不足的现象[5][6]，但是并未影响到泡沫沥青冷再生混合料的性能，因此对于规范中0.075 mm颗粒含量的限制，施工过程中可适当放宽。 图7是泡沫沥青厂拌冷再生现场施工的情况，该技术施工质量控制关键在于压实[7][8]，经过充分压实的泡沫沥青混合料取芯已经非常接近热拌沥青混合料，如图8。 泡沫沥青厂拌冷再生养生期短一直是它的优势之一。本项目正常施工情况下，2～3天能够取出较为完整的芯样，并不会影响某个断面的施工进度，因此非常适合改建工程。考虑到海南地区雨水比较多，且即时雷雨比较多，因此本项目也采用薄膜覆盖、封层以及自然养生的方式进行养生比较，在养生3天后对不同方案进行取芯，基本都能取出完整的芯样，同时不同方案之间的芯样完整程度并没有显著差异。从现场情况来看，在高温下碾压完成后的泡沫沥青冷再生表面在几小时内就已经变干发白，说明泡沫沥青在很短的时间内就开始成型。因此在高温多雨地区并不存在泡沫沥青冷再生养生困难的问题，只要保证施工过程中避开雨水，在施工完成后数小时后即可以通过撒布封层的方式进行进一步的封水，同时也不会延长强度形成的时间。 4 结语 （1）沥青路面改建关键技术有如何判断面层以下的基层以及土基的情况、基层病害处治以及原沥青路面再生回收利用三方面。 （2）通过对原路面破损调查、FWD弯沉盆检测及路面取芯等综合指标确定基层处治原则，当D20-D60大于16时，基层发生松散的概率大大增加，则需要对基层进行处治；当代表弯沉大于50时，土基的含水量在25%～45%之间，需要对土基进行处治。 （3）针对海南区域气候特点、路网分布以及改建路面的施工条件，对基层的处治尽量做到少深开挖，可以采取洒布水泥净浆、水泥就地冷再生来解决基层破损状况。 （4）对于原沥青面层铣刨料，采用泡沫沥青厂拌冷再生的方式作为新路的下面层，无论是使用比例还是使用层位上都可以最大程度的利用旧路材料。海南地区高温多雨，泡沫沥青养生不存在问题，只要保证施工过程中避开雨水，在施工完成后数小时后即可以通过撒布封层的方式进行进一步的封水，不会延长强度形成的时间，一般2～3天就可以进行下一道工序，非常适合改建路面工程。 参考文献 [1]交通部.交通运输“十二五”发展规划[S].2011. [2]舒森.水泥稳定就地冷再生基层应用技术研究[D].长安大学硕士学位论文. [3]JTJ F41-2008，公路沥青路面再生技术规范[S].2008. [4]拾方治，孙大权，罗芳艳，等.泡沫沥青混合料物理力学特性的试验研究[J].公路，2004，49（5）：132—146. [5]徐金枝，崔文社，郝培文，等.泡沫沥青厂拌冷再生技术在高速公路中的应用[J].武汉理工大学学报，2006，28（9）：52-55. [6]拾方治，马卫民.沥青路面再生技术手册[M].北京：人民交通出版社，2006. [7]同济大学，杭州市公路局.泡沫沥青冷再生技术的应用研究[R].2007. [8]栗关裔.泡沫沥青冷再生技术的应用研究[D].同济大学硕士学位论文.
