高等级公路路面结构差异化应用研究

2018-03-08丁君明唐国奇张小刚钟军民

交通科技 2018年1期

丁君明唐国奇张小刚钟军民

(1.江西省路桥工程集团有限公司南昌 330038； 2.国路高科(北京)工程技术研究院有限公司北京 100083)

由于交通荷载在多车道路面分布的不均衡性，使得沥青路面病害在运营过程中呈现差异化分布现象。据大量调查可知，行车道的路面病害较多，特别是货车较多的行车道车辙病害尤为严重，而超车道病害较少，紧急停车道几乎没有路面病害问题。由于大部分高速公路的路面面层采用相同的路面结构，在实际运营中沥青面层大、中修寿命差异较大，有必要进行路面结构差异化设计探讨[1]。

湖北省高速公路普遍存在货车道过早损坏、频繁维修的问题，为提高湖北老谷高速路面的整体耐久性和使用寿命，考虑针对车道交通量的“路面结构与材料差异化设计”。

1 工程概况

老河口至宜昌高速公路老河口至谷城段起始于豫鄂省界，终点与谷城至保康段高速公路于谷城西枢纽互通相接，路线全长39.3 km。JTG D50-2017 《公路沥青路面设计规范》提出，当上、下行交通荷载有明显差异时，可按上、下行交通特点分别进行结构与厚度设计[2]。多车道沥青路面不同车道的交通荷载有较大差异，考虑在路面结构设计中进行不同车道的材料性能差异化设计。

橡胶沥青混合料具有优良的高温、低温性能和抗疲劳性能，其降噪功能显著。根据工程经验，认为对于超重轴载的使用环境，橡胶粉沥青混凝土尤为有利，如果以橡胶沥青代替传统的沥青，路面结构层厚度至少可减少一半，并仍可以获得相同的抗疲劳性能。

货车较多的行车道应充分考虑其抗车辙、抗疲劳开裂能力，其他行车道对抗车辙要求不高。大量的现场检测数据表明，路面结构的中面层是抗车辙的主要层，有必要根据车道不同进行路面抗车辙性能的调整，加强沥青路面中面层沥青混合料的抗车辙性能。

沥青路面的上面层应具有良好的抗滑、小噪声、高平整度等特点，整个路面外观也应统一，故本工程路面上面层拟统一采用排水性沥青混合料，中面层进行沥青混合料差异设计，对货车道进行材料性能增强设计。

采用橡胶沥青混合料提升路面的路用性能指标，基于性能差异化设计理念，本工程沥青路面中面层超车道和货车道采用不同性能混合料，具体设计方案见表1。

表1 主线不同车道性能差异化设计

2 中面层沥青混合料性能

2.1 原材料性能

中面层粗集料应采用坚硬、耐磨、洁净的石灰岩加工，集料加工设备必须采用不少于二级联合破碎的大型碎石机，保证轧制成的碎石形状接近立方体，同时碎石机必须配置除渣、除尘设备，严格控制集料中的粉尘含量。

细集料应采用石灰石机制砂或者与面层粗集料同母岩经二级破碎且除尘合格的细集料[3]。

沥青混合料的填料必须采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨细得到的矿粉，原石料中的泥土杂质应除净，矿粉应干燥、洁净，能自由地从矿粉仓流出。

根据沥青路面使用性能气候分区，本工程的橡胶改性沥青采用70号沥青A级基质沥青与橡胶粉按适当比例调配，其性能指标见表2。

表2 基质沥青及橡胶改性沥青的性能指标

由表2可见，从高温稳定性、低温延展性角度来看，橡胶沥青的延度、软化点、针入度等指标均优于基质沥青，且老化后的性能也明显优于基质沥青，能够满足规范的相关要求。

2.2 沥青混合料性能

根据设计要求，本工程沥青路面中面层超车道和货车道采用不同性能混合料。超车道的中面层采用6 cm AC-20C橡胶沥青混合料(方案一)，而货车道为提高抗车辙性能，在超车道橡胶沥青混合料的基础上，掺加0.2%抗车辙剂(方案二)。

为对比2种沥青混合料的性能差异，室内试验对2种混合料的空隙率、稳定度、残留稳定度、残留稳定度强度比、冻融劈裂强度、冻融劈裂强度比和动稳定度等性能指标进行测试，测试结果见表3和表4。

表3 马歇尔稳定度指标

表4 劈裂强度和动稳定度指标

由表3和表4可见，方案二的高温稳定性、水稳定性优于方案一，低温抗裂性能也较优，且动稳定度有显著提升，表明掺加0.2%抗车辙剂的橡胶沥青混合料具有良好的路用性能，能够满足货车道的行车要求。

3 橡胶沥青混合料施工技术

由于主线中面层需用到2种不同材料，同时硬路肩中、下面层都采用级配碎石，混合料的生产、运输、摊铺及碾压等一系列施工组织都需要进行相应的调整。

3.1 橡胶沥青混合料的拌和

沥青混合料生产方案同时考虑了抗车辙剂和橡胶沥青的技术要求，同时制定了不同性能混合料(是否添加抗车辙剂)的生产方案。充分考虑抗车辙剂和橡胶沥青的生产温度，沥青加热温度控制在170～180 ℃，集料加热温度为190～195 ℃，橡胶沥青混合料出料温度185～190 ℃。橡胶沥青混合料干拌时间为10 s，湿拌时间35 s，而外加剂管道较长，因此建议掺抗车辙剂的橡胶沥青混合料干拌时间为10 s，湿拌时间40 s。

拌和楼需在一个大的生产周期内不断切换添加外加剂，即生产2种不同性能的混合料并铺筑在不同车道，生产过程中需结合拌和站的硬件设施条件，优化生产流程。经考察，拌和楼配置了多个成品仓，初步提出“分阶段生产、2成品仓存储2种不同性能混合料”的建议。生产过程中通过设置在控制室的投料机控制盒控制是否添加外加剂，然后混合料拌和完毕后分别存储在2个成品仓中，并运至现场，其中切换频率(或每种料连续生产吨数)需与实际工程相结合并与拌和站协商决定。

从混合料种类分析，超车道宽度为4.55 m(3.75 m+0.75 m)、货车道为4.05 m(3.75 m+0.3 m)，由于2个车道进行摊铺时摊铺机的距离应保持不变，因此，需要对2种混合料的生产效率进行匹配。按照设计方案，货车道用料大约为超车道用料的1.12倍，即在生产和运输过程中应按照该比例进行2种混合料的生产。

3.2 橡胶沥青混合料的运输

本工程由于要同时生产、摊铺2种混合料，因此，需对混合料的运输进行更加细致化管理，以保证将混合料运至对应车道。

设置专人管理车辆，并使用对讲机与控制室沟通，由控制室决定需要运输哪种混合料，车辆管理专员负责实施。

在成品仓上贴上“超车道”、“货车道”等字样，并且保证车辆管理专员和司机可以清楚、及时地看到。打印卡牌，上面标明“超车道”、“货车道”等字样，由车辆管理专员在引导车辆进入指定成品仓下候车并装料，交给司机对应的卡牌，并将卡牌放置前挡风玻璃易见处。

运输车过磅时，榜单上应注明“超车道”或“货车道”。在现场设置接料员，并设置区分超车道和货车道的标志，接料员通过查看卡牌，引导运输车进入正确的车道。

运输管理方案需要提前与拌和站、运输队等相关人员进行详细技术交底，保证方案的顺利实施。

3.3 橡胶沥青混合料的摊铺及碾压

由于本工程采用差异化设计，中面层有2种性能混合料，同一层位不同车道所需压实功可能会有一定差异，且2.7 m硬路肩中面层采用级配碎石，与行车道的材料不同，需要分别施工，其施工顺序及工艺需要进行确定和调整，推荐先进行沥青面层的铺筑然后再铺筑低剂量水稳碎石，以避免水稳碎石施工污染沥青面层工作面。由于橡胶沥青混合料与普通沥青混合的压实特性不同，需通过试验路确定最终碾压工艺，特别是添加抗车辙剂后，需要确定货车道所需的碾压功是否需要增加，原则上货车道复压多一遍[4]。

硬路肩中、下面层硬路肩设计为级配碎石，铺筑沥青面层后，中、下面层会存在一个台阶，且有一定的松散料。由于硬路肩为级配碎石，因此沥青面层的台阶和松散料不会影响接缝处的性能，不需要切割处理。

考虑到主线中面层宽度比桥梁铺装小3 m，因此中面层施工至桥梁时，理论上需要增加一台摊铺机。但由于老谷高速全线中存在一定量的中型桥，对于较小的中型桥施工，专门准备1台摊铺机存在一定的资源浪费，可以考虑通过使用2台液压伸缩摊铺机完成全幅桥面铺筑。

3.4 橡胶粉改性沥青中面层质量控制

橡胶粉改性沥青行业标准指标较低，且性能不稳定，离析现象和降解(性能衰减)明显，易造成混合料性能不稳定、管道堵塞等问题，而且其粘度大，对混合料的生产、碾压均提出了更高的要求。

本工程采用的橡胶粉改性沥青指标需要高于行业标准，需要有供应商根据自己产品的特性提出相应的技术控制指标，但不应盲目追求胶粉沥青性能。若性能过高，粘度和软化点过高，会导致混合料生产难度增加和混合料摊铺碾压的和易性降低，因此，建议在保证充分保证路面性能的前提下，根据拌和楼的具体工况，结合性能检测、生产效率、碾压效果的数据，寻求性能与施工的平衡点[5]。

胶粉的离析和降解会导致沥青混合料的质量问题，其对试验检测、沥青罐内存储、出厂性能稳定性提出了特殊要求。在取样时应尽量避免长时间的高温加热，其加热时间应尽量与沥青罐中加热存储的时间一致，以保证试验样品性能尽量接近实际使用中的胶粉沥青性能，其试验数据才具备指导意义。

沥青罐内存储应严格遵循胶粉沥青供应方提出的关于保温温度、保温时间、搅拌频率的规定，避免加剧胶粉沥青的离析或者降解。随着胶粉沥青的离析和降解，混合料的质量也会随之波动，影响工程质量[6-7]。如因特殊原因导致工程停工，超过规定的保温时间后，应对胶粉沥青的各项指标进行详细检测，如指标不合格应严禁使用，建议在使用过程中对胶粉沥青进行检测，以确定高温(180 ℃左右)储存时间与性能的关系，为施工组织安排提供支持。

在整体的施工组织方面力求胶粉沥青出厂后尽快使用，以尽可能避免离析和脱硫降解，但由于胶粉沥青的性能指标要求范围较大，不同指标的胶粉沥青对应的混合料配合比设计和混合料性能完全不同，因此应保证胶粉沥青在出厂后的性能保持在一个很小范围的波动，这对于目前工厂化生产的胶粉改性沥青技术来说并不困难，具备可实施性。

即使在保证性能的前提下，控制粘度的上限，但胶粉沥青的粘度仍远大于SBS改性沥青，需要严格控制混合料的生产、碾压温度，避免出现混合料离析和碾压不实的效果。施工过程中应重点关注并记录控制过程温度，并与试验室内检测数据和碾压效果进行匹配，建立性能与温度的关系，指导施工。另外，需要严格遵循施工交底中制定的碾压工艺，并根据试验路碾压效果及时优化碾压工艺。