重载交通下长寿命沥青路面设计与施工技术

2014-07-05葛春雷

交通运输研究 2014年8期

葛春雷

（河北路桥集团第一工程有限公司，河北石家庄 054001）

我国已建高速公路中，约90%是半刚性基层沥青路面。虽然设计使用期是15年，但多数高速公路通车后不到6～7年，路面就开始产生结构性破坏，需要翻开路面重建。沥青面层往往2～3年后就产生显著的水破坏、泛油和辙槽，需要开始罩面或局部铣刨重铺，不仅需要大量养护费用，而且对交通产生很大影响。如果我国新建和改建的高速公路设计使用期仍是15年，则在40年内，至少要翻修重建三次。如今后新建、改建和扩建高速公路都按长寿命路面设计和施工，可取得很大的技术效益、经济效益和社会效益。

长寿命路面的特点可概括为“一长（寿命长）、一多（常认为建设投资应稍多，但由于试验路沥青面层的厚度比生产路段的薄，油石比小，仅表面层用了改性沥青等，所以实际投资并不多，试验路建安费明显减少）、三少（大、中、小修的费用少；使用者费用少；全寿命周期总费用少）”。使半刚性基层沥青路面达到长寿命要求，是一个崭新的课题。本文主要论述与半刚性基层沥青路面长寿命有关的SAC设计理念、方法、结构，新水泥碎石级配设计与检验方法，以及相关的施工工艺与设备。

1 新SAC系列设计

新SAC系列的设计理念是将沥青面层的早期破坏与达到面层的功能要求结合在一起同时解决。

SAC系列包括常用作基层、底面层、中面层和表面层的SAC—30、SAC—25、SAC—20、SAC—16、SAC—13和SAC—10等多种。矿料级配中粗细集料的分界筛孔统一为4.75mm，即大于等于4.75mm的颗粒称为粗集料，小于等于4.75mm的颗粒称为细集料，小于0.075mm的颗粒称为填料。因此，粗、中、细SAC的粗集料可筛分的粒级是不同的。例如，SAC—25的粗集料可筛分成26.5～19mm、19～13.2mm、13.2～9.5mm 和 9.5～4.75mm四个粒级；SAC—16的粗集料，只能筛分成13.2～16mm、9.5～13.2mm和4.75～9.5mm三个粒级。而全部SAC的细集料都可以筛分成2.36～4.75mm、1.18～2.36mm、0.6～1.18mm、0.3～0.6mm、0.15～0.3mm和0.075～0.15mm共六个粒级。

1.1 SAC粗集料断级配的矿料级配设计

所谓粗集料断级配是指矿料级配中以粗集料为主，或占多数（通常不少于60%），设计粗集料的级配时，是一个幂函数，设计细集料的级配时，是另一个幂函数。提出的矿料级配设计方法，分粗、细集料各个筛孔通过量的设计。所用的基本方程为：式中：Dmax为实际最大粒径。以往标称最大粒径以上还有0～10%的较大颗粒。此少量大颗粒不利于室内平行试验的均匀性，也不利于施工现场该层表面的均匀性，所以在SAC的设计中，设定Dmax的通过率为100%。

由于式（1）中有两个未知数A和B，要解这两个未知数必须建立两个联立方程。设计SAC粗、细集料各个筛孔的通过量需要有三个控制点：第一个是Dmax的通过量100%；第二个是4.75mm的通过量30%～40%；第三个是0.075mm的通过量4%～8%，且Dmax愈大，0.075mm的通过量愈小。

计算SAC—25粗集料各个筛孔通过量的方程式为：

计算SAC—25细集料各个筛孔通过量的方程式：

1.2 两阶段检验理论和检验方法

两阶段检验理论和检验方法用于检验规定矿料级配是否适合某种岩石品种的粗集料。第一阶段对原材料进行检验，称VCADRF方法；第二阶段对沥青混凝土试件进行检验，称VCAAC方法。这两个方法的基本原理都是粗集料骨架间的孔隙率恰好被细集料、填料、沥青填满，同时保留部分空气率（如2%～4%）。上述粗集料断级配沥青混凝土矿料级配方法和检验方法，于2007年3月7日获国家知识产权局颁发的发明专利证书。

1.3 SAC系列的四种结构

SAC系列有四种不同结构，即紧密骨架密实结构（粗集料含量在70%左右），一般骨架密实结构（粗集料含量在65%左右），疏松骨架密实结构（粗集料含量约60%）和悬浮式密实结构（粗集料含量不足60%）。这四种结构分别用于不同场合。

1.4 新SAC系列的六个优点

（1）密实、透水性小，不易产生水破坏。

（2）SAC在国内所用级配中，高温抗永久形变能力最强。

（3）表面构造深度大，秦皇岛试验路竣工后，测得50个点的表面构造深度TD平均1.18mm，变异系数Cv=14.2%。

（4）可以在沥青混合料温度高时，用振动压路机振动碾压，既不会产生沥青混合料推移，也不会出现横向裂纹现象。

（5）很少粗细集料离析，外表美观。

（6）价格低廉，由于SAC沥青混合料的油石比小，SAC—25的油石比仅为3.4%～3.5%，SAC—16的油石比仅为4.4%～4.5%，SAC—13的油石比仅为4.5%～4.6%，它比SMA的油石比（6.0%）小得多，也比规范中的AC—I型明显小，但性能好。可以说SAC是价廉物美。

2 新水泥碎石级配设计

粗集料断级配密实水泥稳定粒料的级配设计方法及其密实性检验方法的研究成果于2006年9月申请国家发明专利，并于2007年公开。设计方法采用的基本方程同式（1）。其粗、细集料各个筛孔通过量（%）的设计方法与SAC的设计方法基本相同。

2.1 级配设计方法

为了求解式（1）中A和B的值，需要建立两个联立方程。为此设定，di=26.5mm时，P26.5=100%；di=4.75mm时，P4.75=36%。采用P4.75=36%是因为现场容易碾压密实。由此可得计算粗集料（4.75～26.5mm）各个筛孔通过量的方程为：

计算细集料级配的方程时，一个控制点是4.75mm的通过量，其值为36%；另一个控制点是0.075mm的通过量，其值为3%～5%。为提高水泥碎石的抗弯拉强度和回弹模量，矿料级配中应有3%～5%小于0.075mm的粉料。用此建立两个联立方程后，得计算细集料各个筛孔通过量的方程式为：

2.2 密实性检验方法

检验方法的基本原理是：混合料设计用重型击实试验法得到7d龄期设计抗压强度为6MPa的水泥剂量、最佳含水量和最大干密度后，计算试件中粗集料的含量和孔隙率；此孔隙率被水泥、细集料、粉料和有效水填满后，还余留1.6%～2%空隙率。研究还得到了对CBG—25强度很不敏感的级配范围。其上限是美国100年前用于沥青混合料的富勒公式的级配曲线，下限是笔者研究得到的中断级配曲线。

3 相关施工方法与设备

3.1 稳土基和路基路面综合设计

在土基下1.5m处设置水平沥青膜隔断层，阻止气态水上升；底基层底面向下两侧用防水土工膜做垂直向下直至隔断层的防水墙，以保持此深度范围内的土基强度稳定。这是国内首次实现稳土基和路基路面综合设计的要求。

3.2 水泥碎石基层和沥青面层施工方法

水泥碎石基层和沥青面层施工方法主要针对CBG和SAC的拌和厂的设备配置和改造，可保证冷料有达到要求的稳定的级配。水泥碎石基层与沥青混合料的施工方法于2006年11月申请了国家发明专利，2007年正式公开。

3.3 粗集料单一粒级专用筛分机

粗集料单一粒级专用筛分机可将CBG—25和SAC—25的粗集料筛成19～26.5mm，13.2～19mm，9.5～13.2mm和4.75～9.5mm四个单一粒级的料。此设备是我国发明的。第一台样机在秦皇岛试验路的碎石厂首次试用，基本成功。筛得的粗集料中粉尘和泥土颗粒很少，除满足上述新施工方法外，还有利于提高混合料的质量。