基于建养一体的干线公路沥青路面关键技术研究★

2021-01-13刘林林刘爱华李亚丽

山西建筑 2021年2期

刘林林卢勇刘爱华李亚丽

(1.苏交科集团股份有限公司，江苏南京 211112； 2.新型道路材料国家工程实验室，江苏南京 211112)

0 引言

当前的公路建设中，建设和养护关系密切，逐渐从先建后养向建养一体有机结合发展，可更好的提高公路路面的使用性能，增加路面的使用年限，然而公路建设和养护之间的衔接不畅问题始终影响公路质量迈向更高的台阶，这也是我国公路建设和养护长期以来面临的问题，如交工验收指标全部合格，而移交养护单位后按照养护标准很快进入大中修，另外，由于建设期对于后期养护考虑不足，造成养护前期经费投入较大，后期养护资金压力大等。

我国公路建设和养护长期以来处于分离状态，为此，国家、行业和各地方政府均出台了相关文件鼓励推进包括“建养一体化”模式在内的公路建设养护改革创新，江苏、贵州、河南、云南等地已逐步试点了普通干线公路或农村公路的建管养一体化试点应用，针对普通干线公路，逐步建立起人、财、事权和支出责任相统一的普通干线公路建养管新体制，推动公路交通由行业责任向政府责任、由部门行为向社会行为的转变。然而，“建养一体化”模式仅解决了公路建设和养护之间的管理问题，但是缺乏技术方面的支撑，即缺少相关技术使得公路建设和养护之间有机结合，在建设期缺少对养护期的考虑[1,2]。

鉴于此，本文对江苏省干线公路典型病害成因进行分析，基于建养一体化模式理念，从路面的设计、建设等方面对建养一体化技术进行了分析，提出建养一体技术提升方案，在设计期充分考虑建设期和养护期，解决公路建设和养护之间衔接问题，增加路面的使用年限，使得公路质量迈向更高的台阶，实现周期效益最大化。

1 干线公路沥青路面典型病害及原因分析

1.1 病害类型及原因

通过对江苏省的干线公路沥青路面病害调研，路面在运营期主要病害为路面车辙和水损害(坑槽、唧浆)。通过实地调查和相关资料分析，江苏省干线公路沥青路面车辙的主要病害原因包括：

1)路面结构设计偏薄，部分路段无法满足快速增长的交通荷载要求；

2)沥青和石料质量不稳定；

3)交叉口处(尤其红绿灯)制动频繁，而对该类特殊路段缺乏针对性设计；

4)施工质量控制不足。

路面唧浆、坑塘的主要病害原因包括：

1)沥青与集料的黏附性不足；

2)沥青混合料级配空隙大；

3)湿热地区，降雨较多，较多的雨水进入路面内部影响了沥青与集料的粘结；

4)水系统设计不完善或排水系统破坏。

1.2 根本原因

1)信息分离。

路面建设期设计流量与养护期实际流量不匹配，道路服务水平下降严重。随着我过汽车保有量的增加，现役道路交通压力与日俱增。现状道路设计小时交通量一般采用设计年限末时的年第30位小时预测交通量，国省道干线道路预测年限15年和20年。然而在预测年限内，实际每年社会经济发展速度存在差异使得预测交通量增长率不同；地域交通需求的差异使得地区预测交通量增长不均；交通调查覆盖程度差异使得预测交通量存在偏差，从而导致了设计小时流量和实际年限小时交通量不匹配，以致于在车辆出行高峰期间，实际道路交通流量过饱和，道路服务水平骤降。

2)指标分离。

沥青混合料设计期与施工期、养护期指标要求不一，缺少全过程质量控制指标。设计参数施工过程无法得到体现，施工不能确保满足设计要求，如动态模量为设计参数，但混合料设计、验收过程中均未得到体现，以设计规范中的永久变形预估方程为例，依赖于经验性的车辙试验。既有混合料设计方法无法反映路面最终服役性能，设计方法主要为经验设计，性能验证，而既有材料试验方法五花八门，与路面性能相关性亟需验证，标准亟需制定。

3)数据分离。

路面建设与养护数据联动和挖掘不足。以往由于公路建设单位和养护单位不一致，再者，数据分散、不完整、跨部门数据调用繁琐，因此，造成养护单位缺少建设期的施工质量检测数据，仅从路况检测指标无法分析病害产生的根本原因，无法对路面进行针对性养护。

2 设计期关键技术

基于上述的江苏省干线公路路面典型病害的成因，如何从这些病害入手，构建公路路面建养的一体化，即如何在建设期考虑养护期问题，是我们重点研究内容，特别是路面设计期，是建养一体化程度高低的关键所在。因此，本文在路面设计期针对路面养护期车辙、水损害病害提出针对性技术方案，充分考虑养护期，解决建养之间信息分离问题[3,4]。

2.1 抗水损害性能提升技术

2.1.1原材料

路面设计期在原材料方面可以考虑通过采用改性剂、抗剥落剂或采用水泥、消石灰代替部分或全部矿粉等方式，提高沥青混合料的抗水损坏能力。

1)添加改性剂。沥青粘度是影响沥青与集料粘附性的重要因素，沥青粘度越大，抗剥落性能越好。

2)添加抗剥落剂。抗剥落剂是一种表面活性剂，组成表面活性剂的分子具有亲油基团和亲水基团，其中亲油基团与沥青粘结，亲水基团与集料粘结，从而提高沥青与集料的粘附性。

3)消石灰或水泥代替部分矿粉。消石灰或水泥可以降低酸性石料表面的负电荷，降低集料表面电位，其中的活性成分还能与沥青酸发生反应，形成具有表面活性剂作用的钙盐，从而置换集料表面的氢、钠、钾离子，在集料的颗粒之间形成结晶石灰浆，加强了与沥青的粘结。

表1试验结果表明，添加改性剂、抗剥落剂、消石灰的沥青混合料残留稳定度、冻融劈裂强度比、T283劈裂强度比均比普通沥青混合料明显提升，由此说明其可以明显改善沥青混合料抗水损害性能。因此，基于建养一体化理念，可在路面设计期采用添加改性剂、抗剥落剂、消石灰的形式增加沥青混合料的抗水损害性能，解决养护运营期路面水损害问题。

表1 不同沥青对沥青混合料水稳定性的影响

2.1.2沥青混合料

路面设计期在沥青混合料方面可以考虑通过采用Superpave，SMA高性能沥青混合料，Superpave混合料均匀、嵌挤、密实、路用性能优良，SMA沥青混合料既密实防水、耐久性好，又具有出色的抗滑性能。

表2试验结果表明，使用同种沥青和矿料的Superpave，SMA沥青混合料水稳定性能指标均比AC-13沥青混合料较优，因此，在路面设计期可采用Superpave，SMA等高性能混合料。

表2 Superpave和SMA沥青混合料性能试验结果

2.2 抗车辙性能提升技术

2.2.1沥青胶结料

1)硬质沥青。对于沥青而言，沥青标号越低，粘度越大。硬质沥青可以较大程度的提高沥青混合料的抗车辙性能和力学性能，同时具有较好的水稳定性。硬质沥青具有良好的性能价格比，适合在干线公路上推广应用。

2)橡胶沥青。橡胶沥青作为一种新型的道路材料主要以普通基质沥青和废旧轮胎橡胶粉为主要原料，有效改善路面抗变形能力和抗疲劳开裂的性能，同时具有较好的高低温性能。

表3试验结果表明，采用硬质沥青、橡胶沥青的混合料动稳定度远远大于普通沥青混合料，并且其他性能指标也较优，因此，在路面设计期可采用硬质沥青、橡胶沥青来提升混合料的抗车辙性能，避免路面在养护运营期出现车辙问题。

表3 不同沥青对沥青混合料高温稳定性能的影响

2.2.2添加剂

1)TPS添加剂。TPS(全称TAFPACK-Super)是一种专为排水性沥青路面而生产的沥青改良添加剂。TPS以热塑性橡胶为主要成分，再配以粘结性树脂和增塑剂等其他成分，用机械搅拌混合方式能使普通沥青改良成为排水性沥青路面用的高粘度粘结剂。使用TPS改性剂不仅能使排水性路面用沥青结合料达到所需要求，而且在实际使用的沥青工厂及施工现场的使用性能也能大幅度的得以改善。目前该改性剂主要用在排水性路面上。

2)聚酯纤维。在沥青混合料中加入聚合物纤维可以改善沥青路面的性质，对路面起到加筋和桥接的作用，提高了路面的柔韧性、高温抗车辙能力、低温抗裂能力，改善了抗疲劳性能以及水稳定性能。

3)抗车辙剂。抗车辙剂可以显著提高沥青路面的抗车辙能力、改善低温抗裂性能、减轻因交通荷载所造成的路面疲劳破坏、提高沥青混合料力学性能指标、增强沥青和集料的粘附力、减轻路面剥落病害的发生，并且可以改善沥青抗老化性能，尤其是因紫外线辐射所导致的老化。常用的抗车辙剂包括Domix抗车辙剂、路可比抗车辙剂、AP抗车辙剂等。

表4试验结果可知，掺加TPS添加剂、聚酯纤维、抗车辙剂的混合料动稳定度远远大于改性沥青混合料，因此，在路面设计期可采用TPS添加剂、聚酯纤维、抗车辙剂来提升混合料的抗车辙性能。

表4 不同沥青对沥青混合料高温稳定性能的影响

3 建设期关键技术

在公路设计期主要从材料角度解决养护运营期路面病害问题，那么在施工期将从混合料设计方法和施工质量控制方面来保证路面的使用性能，进而解决建养之间指标分离问题。

3.1 混合料体积—平衡设计方法

沥青混合料主流设计方法是体积设计方法，即采用体积指标控制，由于马歇尔击实成型方式不能完全模拟路面的实际碾压状态，再加上混合料理论密度和毛体积密度的不能精确获取，导致体积指标与实际沥青路面的路用性能相关性不足，使得沥青路面易出现病害。所谓平衡设计是指沥青混合料设计过程中，进行系列性能试验，从而解决路面结构内部由混合料老化、荷载、气候和结构层位置等因素引起的不同病害，达到综合性能的平衡。平衡设计方法是在现有体积设计方法基础上的完善，力图将室内试验和现场性能建立良好的关系，对预测/控制路面病害具有良好的指导意义。

体积—平衡设计方法与马歇尔体积设计方法主要区别在于选择最佳沥青用量，以间断级配TOM-10超薄层罩面沥青混合料设计为例[5]。首先根据马歇尔体积指标选择了设计级配，在沥青用量6.5%基础上，另选取6.8%和6.2%沥青用量分别进行马歇尔体积指标测试和路用性能试验，试验结果见表5，表6。

表5 不同沥青用量TOM-10马歇尔试验结果

表6 TOM-10混合料设计结果

从表5，表6试验结果分析得出：1)级配在沥青用量6.2%，6.5%和6.8%下的各项路用性能指标均满足路用性能要求；2)级配在沥青用量6.5%下的空隙率为4.2%，虽不满足目标空隙率的要求，但各项路用性能均较优，考虑体积—性能平衡设计的理念，可确定最佳沥青用量为6.5%；3)结合级配B的性能试验结果，考虑体积—性能平衡设计的特点，采用最佳沥青用量6.5%进行实际工程应用。综上所述，在路面施工期可采用体积—性能平衡设计方法，此方法可以选取性能较优的混合料级配。

3.2 施工质量控制

为了保证路面的使用性能，仅仅从混合料设计方面考虑是不够的，面层施工质量管理对路面使用性能的保证非常关键。本文提出了以下施工控制要点：

1)加强材料管理。严格控制集料的规格、压碎值和含泥量。另外，还要注意对沥青胶结料的各项指标进行严格控制。

2)合理提高压实度，适当减少剩余空隙率。2004年以前，沥青路面压实度标准严格按照老规范进行控制。实践表明，按该标准控制的沥青路面，通车后再压密的现象比较明显，且沥青路面实测空隙率较大，易于产生早期车辙。现行规范提高了压实度控制标准，同时为减少实测空隙率，在进行沥青路面实际空隙率测定时，采用马歇尔试件密度与理论密度双控，保证压实度不低于规范要求，这样就使沥青面层的空隙率得到严格控制，保证沥青路面基本不渗水，并提高路面抗车辙性能。

3)控制集料的压碎值。尽可能选择针片状含量小、压碎值小的集料，集料针片状含量、压碎值应满足规范要求；改善碾压工艺，当发现集料有压碎现象时，原则上尽可能采用轮胎压路机搓柔碾压，而不采用钢轮压路机振动碾压。

4)提高设备要求。从2001年开始，江苏省公路建设单位普遍开始配备大吨位轮胎压路机，保证压路机的吨位和数量；2004年开始要求每个施工单位配备总数不少于6台压路机，且大量使用了大吨位的压路机；2005年以后，每个施工单位均配备了数量足够的大吨位压路机，绝大部分施工单位采用了12 t以上的钢轮振动压路机，每个标段均配备了至少3台26 t以上的胶轮压路机，且多数单位采用了30 t的胶轮压路机。实践表明，大吨位的压路机和新型的振荡压路机的使用，压实效果良好，有利于增大初压功率，改善复压阶段的搓揉效果，提高路面压实度。