西外环高速路面结构及施工工艺优化方案

2016-07-13胡家波王承龙季正军

湖南交通科技 2016年2期

关键词：施工工艺

胡家波，王承龙，季正军

(1.高速公路养护技术交通行业重点实验室(济南)，山东济南　250031；2.山东恒建监理有限公司，山东潍坊　261061；　3.山东省交通科学研究院，山东济南　250031)

西外环高速路面结构及施工工艺优化方案

胡家波1，3，王承龙2，季正军1，3

(1.高速公路养护技术交通行业重点实验室(济南)，山东济南250031；2.山东恒建监理有限公司，山东潍坊261061；3.山东省交通科学研究院，山东济南250031)

摘要：在原设计路面结构和施工工艺的基础上，结合其他地方路面结构设计形式及施工经验，对西外环高速路面结构及施工工艺进行相应的优化。对水泥稳定碎石基层的级配范围进行了优化，同时提出了采用双层连续摊铺、分层碾压一次成型的施工工艺。调整热沥青碎石封层的位置加强沥青层和基层之间的联接。沥青混合料的设计引入多级嵌挤级配设计理念，采用SGC旋转压实进行混合料设计和过程控制，同时要对沥青拌合站、现场摊铺、碾压的机械设备参数进行相应的优化调整。鉴于SMA混合料的优越性，表面层建议采用SMA作为抗滑磨耗层。

关键词：路面结构；连续摊铺；施工工艺；透层； SMA

0概述

西外环高速公路(津汉高速-海景大道)工程北接滨海新区在建津汉高速公路，向南依次与京津高速公路、第九大街、津滨高速公路、津塘二线、天津大道、津晋高速公路以及海景大道相连，滨海新区西外环高速公路(津汉高速-海景大道)工程(以下简称本项目)是滨海新区规划的“1环11射、5横5纵”的路网骨架中滨海环线的重要组成部分。路面结构设计为：4 cm细粒式AC-13+6 cm中粒式AC-20+12 cm密级配沥青稳定碎石(ATB-30)+18 cm水泥稳定碎石(4.0 MPa/7 d，骨架密实)+18 cm水泥稳定碎石(3.5 MPa/7 d，骨架密实)。如图1。

与我国传统半刚性基层沥青路面结构相比，所设计路面结构注意到了半刚性基层反射裂缝、沥青层疲劳开裂、沥青层永久变形以及层间连接与结构内部防排水等我国沥青路面常见的共性病害坏问题，并在设计中有所考虑，从沥青层厚度、面层和基层材料类型等方面提出了相应设计指标要求。考虑到路面结构层之间的联接以及路面结构的整体受力，有必要对原设计路面结构及施工方法进行优化。

图1　设计路面结构形式

1水泥稳定碎石基层设计及施工技术优化

1.1设计施工方案

原设计水泥稳定碎石基层为下两层结构，各18 cm骨架密实型结构，混合料中集料颗粒的组成按照表1的要求进行设计。

根据设计图纸要求，水泥稳定碎石基层室内成型采用振动成型法，上基层室内试7 d的无侧限抗压强度不小于4.0 MPa，下基层不小于3.5 MPa。

表1 水泥稳定碎石基层级配层位通过下列方孔筛(mm)的质量百分率/%31.5199.54.752.360.60.075基层10068～8638～5822～3216～288～150～3

原设计水泥稳定碎石基层施工采用分层施工、分层养生方式，下基层施工养生结束后进行上基层施工。养生采用洒水车洒水并用土工布等材料覆盖进行养生。

1.2水稳基层施工技术的优化

在工程实践中，水泥稳定碎石病害主要是横向裂缝和纵向疲劳裂缝。横向裂缝的过早出现，将严重影响路面长期使用性能。纵向疲劳裂缝主要与结构承载力不足、层间连接不良等相关。根据本工程设计情况，对水稳基层可以通过优化级配设计以及加强层间联接效果以减少裂缝的出现，主要采取以下对策：

1) 对级配进行优化设计。

原方案基层采用沥青路面设计规范推荐的骨架密实结构，在实际施工中由于该结构设计4.75 mm筛孔通过率较低，粗集料占比重过大，混合料容易离析，并且有“烂根”(粗集料集中在结构层底部，细料集中在结构层上部)现象，导致结构层底部松散，层间连接不良。

根据我国许多地方的经验，将规范推荐骨架密实级配调整至骨架密实和悬浮密实之间，可以取得良好效果，既保持了嵌挤级配抗裂、抗冲刷的性能，又降低了施工离析。图2为推荐级配范围与原骨架嵌挤型级配范围的比较。表2为水泥稳定碎石基层建议级配范围。

图2　推荐级配范围与原级配范围比较

表2 水泥稳定碎石基层建议级配范围层位通过下列方孔筛(mm)的质量百分率/%31.5199.54.752.360.60.075基层10076～8643～5526～3616～268～160～4.5

2) 水稳基层两层连续摊铺施工技术。

传统施工方案采用上基层和下基层分层碾压施工和养生。而分层施工会带来一系列问题，不仅易造成层间污染、影响施工进度，而且使基层结构由一层整体受力变成两薄层受力，增加了层间结合薄弱环节，违背了路面结构完整连接的设计初衷。而且分层施工形成的层间分离状态，为层间水的存在提供了空间，路面结构使用过程中水通过各种渠道将渗入结构层间，为结构性的水损坏埋下祸根。

因此可以采取水泥稳定碎石基层宜分层连续施工，分层压实，一次成型的施工技术。这样既保证层间连续，良好结合形成整体强度，而且节省了养生时间和养生费用。同时两层设计强度统一为不小于3.5 MPa。

图3为分层施工养生与分层碾压一次成型效果的比较。图4为按照分层摊铺、分层碾压一次成型施工的2层基层完整芯样的情况。

图3分层施工与分层碾压一次成型效果比较

3) 加强对施工过程的质量控制。

加强对混合料组成、压实度等的施工过程质量控制，将层间连接完整列入检验指标。

1.3施工技术优化后养生费用分析

传统施工工艺是分层施工完成后覆盖土工布洒水养生，第1层7 d养生期后再进行第2层摊铺施工然后进行养生。有些地方在上基层施工完成后的养生方式进行了调整，直接采用撒布透层乳化沥青的方式进行养生，有些地方依然采用的是覆盖洒水养生的方式。现就2种摊铺工艺不同养生方式简单做一下造价分析。

表3 两种摊铺工艺不同养生方式造价分析施工工艺施工进度/(m·d-1)15d摊铺长度/m养护费用/(元·m-2)单层摊铺,分层养生70049002(2层覆盖洒水养生)0.6(养生期后撒布透层油)1(下层覆盖洒水养生)0.6(上层喷洒透层油养生)两层连续摊铺,分层碾压、一次成型30045000.6(直接喷洒透层油养生)

根据表3造价分析，在具备大面积施工段落的情况下，单层摊铺施工工艺在施工进度上优于两层连续摊铺。但是目前不管是新建高速公路还是大修工程均不具备连续施工的条件，从这一点来说，两层连续摊铺的施工效率并不低于单层摊铺。从养生造价角度分析，两层连续摊铺后直接喷洒透层乳化沥青的养护方式相比分层摊铺分层养生所采用的两种养生方式仅养护费用每1 m2节约1～2元。当然，这只是简单地对养护费用进行了分析，没有考虑机械设备的利用率降低引起的设备窝工费用。

1.4水稳基层施工效果

根据前面所提到的优化方案，在水泥稳定碎石施工过程中采用了两层连续施工分层碾压一次成型的施工工艺。此种工艺的采用对整个路面结构的层间联接起到很好的效果，同时对于整体施工进度有一定的提高，但是施工过程中降低了机械设备的使用效率，而且由于受制于水泥凝结时间的限制，施工段落缩短，导致横向接缝增加。但是由于是2层连续摊铺一次成型减少了一层的养护费用，而且上层施工碾压完成后直接采用撒布透层乳化沥青进行养生，此时乳化沥青的渗透性比较好，且乳化沥青破乳后形成的沥青膜阻断了基层内部水分的蒸发起到了养生的效果。乳化沥青渗透到半刚性基层内部后类似于植物的根系伸入泥土扎下了根，再通过与上面的沥青碎石封层联接可以将沥青层与半刚性基层很好地联接在一起(见图5～图8)。通过水稳基层养生取芯来看，2层联接成功率可以达到60%～70%左右，而且施工碾压完毕直接撒布透层乳化沥青进行养生乳化沥青的渗透效果比较理想(见图6)。

图5　两层连续摊铺芯样

图6　透层养生渗透效果

图7　撒布透层油后效果

图8　底面层取芯效果

2封层及粘层施工方案的优化

原设计下封层采用的是热SBS改性沥青碎石封层，由于SBS改性沥青的粘度较之70-A道路石油沥青高很多，因此封层沥青采用SBS改性沥青对于上下两层的联接效果会更好。只是，原设计将碎石封层位设置于ATB-30与AC-20之间，而ATB-30与水泥稳定碎石之间仅设计了一层透层乳化沥青。由于ATB-30属于粗集配沥青混合料，摊铺过程中粗骨料容易将透层沥青膜刺破，再加上施工过程中不可避免地会产生一定的离析。因此容易造成ATB底部积水，对水泥稳定碎石层产生冲涮，发生结构性的水损坏。因此，需要将热SBS改性沥青碎石封层的位置下移至ATB与水泥稳定碎石之间，热SBS改性沥青与透层乳化沥青粘结，碎石与ATB混合料嵌挤在一起，增加了ATB与水稳碎石之间的联接效果，更能使沥青结构层与水稳基层形成一个整体。

而ATB与AC-20之间通过增加粘层油使两层粘结在一起。根据原设计，粘层沥青采用的是热SBS改性沥青，然而SBS改性沥青比较粘稠，且洒布量在0.3～0.4 L/m2，要想达到撒布均匀施工难度较大，因此应将粘层油变更为SBR改性乳化沥青，洒布量为0.4～0.6 L/m2。

3沥青混合料设计与施工技术的优化

3.1混合料级配组成的优化

矿料级配对沥青混合料的性能影响很大，必须引起重视。密级配沥青混合料设计通常要求达到以下几目标：首先为了提高沥青路面抗水损害和抗老化能力，必须保证设计的沥青混合料处于一种比较密实的状态；其次设计沥青混合料要具有良好的骨架结构才能保证混合料具有较高的内摩擦角从而保证混合料的高温抗车辙能力，同时沥青路面表面具有一定的粗糙度才可以保证路面表面具有较大的摩擦力；最后设计的混合料结构必须具有良好的稳定性，保证在车辆行驶状态下体积状态不会发生大的变化。

我国现行沥青路面施工技术规范以及多数地区的地方标准所采用的沥青混合料矿料级配设计方法基本上还是基于经验的。规范或地方标准往往根据经验给出一个工程设计级配范围，并将该工程设计级配范围应用到其它工程中。

实际上，不同的原材料，要达到前面所述设计目标，混合料的级配是不完全相同的，一个工程设计级配或一个工程的经验不一定适用于其它工程。即使同一料源的材料，采用不同破碎机生产，其沥青混合料级配走向也是有差异的。这是因为不同料源、不破碎方式的矿料棱角性、颗粒组成、颗粒形状等不同所致。

国外已经有基于原材料的体积特性进行级配设计的大量研究，并成功进行推广应用，效果良好。其中，以美国的贝雷设计方法最具代表性。该方法可以根据原材料的体积特性，通过对原材料堆积体积的一系列测试分析来设计预期嵌挤程度的级配，并能考虑离析影响参数(如图9)。该方法是混合料级配设计从经验设计向分析设计的一大突破。

图9　贝雷级配设计集料堆积密度选择

针对采用的原材料特性，特别是原材料的料源特性、加工特性等进一步研究其更优的级配曲线，为了能更科学合理评价级配和混合料性能，建议本项目进行目标配比设计时引入多级嵌挤的级配设计方法和旋转压实法(Superpave设计法的SGC)对不同混合料的性能进行比较、验证和优化，并提出适合该工程的工程设计级配范围。

3.2混合料抗水损害能力的优化

沥青路面的水损害是由于沥青路面在存水的情况下，加上行车荷载的反复作用，一旦水分浸入到沥青与集料的界面，在动水压力作用下，沥青膜与集料表面逐渐剥离，导致沥青的粘结力丧失，最终导致路面出现损坏[1]。曾经沥青路面的水损害成为道路界人士十分头疼的问题，随着研究人员的不断深入研究，目前沥青路面的水损害已经得到有效解决。

沙庆林院士对引起沥青路面的水损害的原因进行了详细的分析，并提出要从设计和施工两个方面同时考虑才可以基本解决沥青路面的水损害问题[2]。主要是： ①提高沥青路面的密实性，减少水分进入结构内部的机会； ②提高沥青与集料的粘附性； ③路面结构层设置防水层和排水层，减少水分进入渗入半刚性基层； ④减少施工过程中的级配和温度离析，保证沥青路面的整体均匀性。

前面提到的几种方式，第1和第4条可以通过严格控制混合料设计及施工过程中质量控制可以实现，第3条主要是从设计的角度考虑，防止水分进入对半刚性基层造成破坏，第2条从材料本身考虑，为了提高沥青与集料之间的粘附性，可以采用掺加干燥的消石灰粉或生石灰粉、水泥作为填料的一部分来实现。

水泥作为沥青混合料的抗剥落剂虽然能提高水稳定性和抗车辙能力，但由于水泥的掺入会使沥青胶泥及沥青混合料变硬，混合料的柔韧性降低，对混合料抗疲劳和抗低温缩裂可能不利。

国外特别是美国将消石灰作为沥青混合料抗剥落剂已经有很长的历史，将消石灰掺入沥青混合料中改善混合料的性能在美国已经成为一种共识。大量研究和实践表明，消石灰不仅是一种理想的抗剥落剂，而且可以极大地提高沥青混合料的高温稳定性和低温抗裂性。2001年国家石灰组织(National Lime Association)在研究报告“The benefits of hydrated lime in hot mix asphalt”中总结消石灰在沥青混合料中的几大作用：

1) 增大沥青与集料粘附性，减少沥青混合料水损害；

2) 提高沥青混合料柔韧性和抵抗低温开裂能力；

3) 减小或延缓沥青混合料中沥青的老化和硬化；

4) 增大沥青混合料的稳定性和耐久性，可提高动态模量达20%～25%；

5) 降低沥青混合料中沥青用量。

在我国消石灰作为沥青混合料的抗剥落剂越来越多的被大家所认可。同济大学吕为民[3]等对消石灰作为沥青混合料抗剥落剂进行了大量试验研究，结论与上述美国国家石灰组织的结论基本相同。

鉴于消石灰作为抗剥落剂对沥青混合料性能改善的显著性，建议本项目采用生石灰或消石灰作为抗剥落剂，消石灰或生石灰的掺量控制在沥青混合料总重的1.3%～1.6%。

3.3沥青混合料施工方法的优化

3.3.1沥青拌和站设备参数调整

现行施工技术规范对间歇式拌和站生产配比设计仅简单提到了室内试验和试拌试验要求，而没有考虑拌和设备参数调整要求，没要形成系统完整的生产配比调试程序。

生产配合比设计的目的是为了在实际的生产条件下，能生产出符合目标配合比设计要求的沥青混合料来。由于实验室的拌制过程与实际生产条件有很大差异，尤其是集料烘干过程和二次筛分对矿料级配的影响，因而必须通过对搅拌设备运行参数的调整才可能使所生产的沥青混合料尽可能地接近目标配合比的要求，并获得在实际生产过程可以实现的矿料级配与最佳沥青用量。

建议对生产配比设计进行优化，提出从拌和参数调整(冷热料仓数量、冷料转速标定、振动筛规格及布置、沥青、粉料称量系统标定)、热料仓取样程序(取样时机和方法)、级配选择(考虑系统偏差)、沥青含量确定(考虑系统偏差)，到生产配比验证一整套完整的程序供现场操作人员使用。

3.3.2压实机械配置及参数调整

施工规范仅对压实度指标提出要求，而对施工机械的配置及针对不同混合料压实速度、振幅、频率等参数的调整没有提出要求，施工单位仅凭一些片面的经验施工，导致混合料压实效率低，压实效果不好。建议施工过程中，针对不同混合料提出压实组合机械组合、压实顺序、压实速度、振动频率与振幅、压实遍数的合理参数，确保混合料的压实效果。

3.3.3摊铺机械参数调整

为保证初始压实度及平整度，提高摊铺机小

梁，针对不同混合料特点调整摊铺机的设备参数。例如摊铺机施工过程中熨平板和夯锤要调整到合理的参数，根据摊铺机的型号，对摊铺机的夯锤和熨平板参数进行调整。其它参数还包括摊铺速度、料位高度、螺旋布料器转速、牵引臂仰角、多机施工搭接等都对混合料的摊铺质量有影响，要在施工过程中针对不同混合料和设备类型进行合理调整。

4表面层结构的优化

原设计表面层采用传统细粒式密级配SBS改性沥青混合料AC-13。然而根据近几年国内大多数省份工程实际应用情况，表面层已普遍采用了SBS改性沥青SMA结构层。

目前，在全国范围已经得到很好的应用，特别是东部沿海的几个省份已经成为典型抗滑表层。

同普通密级配沥青混合料相比，SMA沥青混合料在以下几方面具有明显优势：具有良好的高温稳定性抗车辙能力，表面构造深度大，具有良好的抗滑性能，保证了行车的安全性；具有很好的耐久性，路面通车服役年限延长；密实性好，减少了路面老化和水损害等病害；低温抗裂性好，减少了低温环境下的开裂；另外具有良好的舒适性、可见性，减少了行车情况下的噪音及雨天时的水雾。

鉴于SMA沥青混合料的良好性能优势，建议表面层采用SMA-13沥青混合料。

5结束语

根据原设计路面结构及施工方法，结合工程实践经验，对滨海新区西外环高速路面结构及施工方法进行了优化。总结如下：

1) 针对半刚性基层常见病害和施工中出现的问题，优化调整级配，减少离析，将原分层施工分层养生施工方法，改为2层连续摊铺碾压、一次成型的施工方法，碾压完成后在稍干燥情况下直接撒布透层乳化沥青进行养生，这样可以保证两层的层间连续，同时增加两层水稳基层层间联接完整性检测指标。

2) 根据设计的结构层特点调整热沥青碎石封层的位置，将其设置在水泥稳定碎石基层与底面层ATB之间，通过热沥青碎石封层将沥青层和水稳基层有效连接在一起，形成真正意义上的连续体。

3) 对沥青混合料进行基于分析法和性能的级配优化设计，提出适合本工程特点的工程设计级配范围；建议掺加消石灰或生石灰粉作为抗剥落剂，以提高沥青混合料综合性能；在施工过程中针对不同混合料特点进行生产、摊铺、压实等设备参数调整，提高施工效率，确保混合料施工质量。

4) 鉴于SMA沥青路面的性能优越性，建议表面层抗滑磨耗层采用SMA-13沥青混合料。

参考文献：

[1] 王永东.沥青路面的水损害[J].湖南交通科技，2005，31(2)：20-22.

[2] 沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3] 郑晓光，吕伟民.消石灰与液体抗剥落剂对沥青混合料作用的研究[J].公路，2004(11)：94-95.

[4] JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].