基于路面使用性能分析和設計路面結構及路面材料技術在工程上的應用

姚建喜，楊 平

河南省公路工程局集團有限公司，河南 鄭州 450000

我國高速公路建設起步晚、時間段、發展迅猛，在十幾年的時間內，通車里程已近7萬km，躍居世界第二位。造成高速公路路面早期損壞嚴重，根本達不到設計年限，通車三、五年就進行大中修。

1 基于路面使用性能對早期損壞現象機理分析

第一，半剛性基層引起收縮裂縫的反射縫問題，瀝青面層較薄時半剛性基層開裂引起反射縫的問題。我國高等級公路經過十幾年的建設，積累了豐富的經驗，在路面結構方面形成了一種主流模式——半剛性基層瀝青路面，但半剛性材料、瀝青材料對溫度和濕度變化比較敏感，在其強度形成過程中以營運期間會產生干縮裂縫和低溫收縮裂縫。在路面交通荷載重復作用下，半剛性基層的干縮裂縫和收縮裂縫會擴展到瀝青路面面層形成反射裂縫而具有弱點。路面裂縫不僅影響路面美觀、減低平整度，而且會削弱路面的整體平整度。特別是路面開裂后水分通過裂縫滲到路面基層、底基層甚至土層，削弱基層、土層的強度，從而加劇路面的破壞，縮短路面的使用壽命。由于半剛性基層中細顆粒部分較多，比例一般超過20%。半剛性基層中的粗集料已經不能或很難形成嵌擠，完全成為一種懸浮密實狀態。由于一般認為路面破壞是由于彎沉不足造成的，容許彎沉值隨之不斷減小，對半剛性基層的強度要求也不斷提高。再加上不少施工單位、監理人員，總認為強度越高越好，只控制下限，不控制高限，使工程實際的半剛性基層強度更高，但又算不上貧混凝土。大量的工程實踐證明，半剛性基層的強度過高將使基層開裂及反射性裂縫的問題更嚴重。這個問題在最近幾年更加突出。

第二，唧漿問題，產生唧漿病害的原因，除了受氣候條件影響外，主要還與路面結構類型、面層碎石級配、路基路面排水、超載車輛通行等有關。半剛性基層的強度主要來自于結合料的劑量和嚴格的壓實(良好的壓實本身是沒有錯的)，半剛性基層本身非常致密，幾乎成為完全不透水的層次。但目前國、省道多數采用瀝青碎石路面，瀝青碎石路面由于空隙率大、抗滲性差，公路建成后，來自瀝青層及基層的水將積存在基層表面，無法通過基層排走，受地表水侵蝕以及各種外因條件的影響，路面早期容易出現唧漿病害，進一步發展導致路面大面積破壞。而且我國路面及結構層排水長期以來不完善或者根本就沒有考慮。當瀝青層滲水不能通過基層擴散，滯留在基層表面的水將逐漸使基層軟化，形成泥漿時，瀝青面層越薄，作用到瀝青層底部的荷載壓力較大，在荷載作用下，基層表面越容易破壞。以往大部分高速公路瀝青層的下面層常常采用空隙率較大的Ⅱ型瀝青混凝土，甚至還有半開級配的瀝青碎石，這一層厚度薄，集料最大粒徑又大，離析比較嚴重，半剛性基層的灰漿逐漸充滿下面層的空隙，并通過裂縫泵吸到路面上來，即產生通常所說的唧漿，成為瀝青面層的早期損壞的重要原因。

第三，半剛性基層與瀝青層之間的聯結是個很大的困難。路面設計規范規定路面設計是按照界面完全連續的界面條件考慮的。但實際上，當瀝青層滲水不能通過基層擴散，滯留在基層表面的水將逐漸使基層軟化，形成泥漿時，瀝青層和基層之間的界面條件將從想象中的連續狀態變為滑動狀態或半連續半滑動狀態。我國在瀝青層施工過程中往往不恰當地要求先將瀝青層下面層修通，表面層又拖到通車前最后才鋪。這中間開挖中央分隔帶，埋管道、綠化、安裝護欄等施工使路面污染嚴重，嚴重妨礙了瀝青層成為一個整體，致使多條高速公路均不同程度出現了較嚴重的車轍，有些路段通車的第一個高溫期就產生深度為10～50 mm的車轍，有的甚至達100mm以上，而且橋面上也過早地出現了車轍，遠超出《公路瀝青路面設計規范》 (JTG D50-2006)要求的使用期末車轍深度不大于15 mm。這不僅使路面平整度變差，影響行車安全，而且很快出現推移、網裂、坑洞、坑槽等早期病害。在這樣的界面條件下，瀝青層底部的彎拉應變將可能成為控制性指標，將有可能在荷載作用下早于基層首先發生彎拉開裂，并逐漸向上擴展，成為破壞的根源。

瀝青層厚度薄、級配不合理、石料質量差、施工時的瀝青混合料離析、壓實不足，造成路面車轍、泛油、松散、沉陷。

2 基于路面使用性能的創新技術和管理在鄭州至堯山高速公路上的應用

針對上述問題，借鑒國外SUPERPAVE經驗，開展了對瀝青路面厚度、瀝青混合和半剛性基層的骨架密實型級配、路面材料、施工管理等高速公路瀝青路面的成套技術的科研課題，并將科研成果應用到工程上，基本上解決了高速公路路面的早期損壞的問題，取得了明顯的經濟效益和社會效益。

1）路面結構

18cm、2.5%水泥穩定碎石底基層+36cm、3%水泥穩定碎石基層+1cm稀漿封層+10cmTAB下面層+7cmAK-16中面層+5cmAK-16上面層，上基層灑透層油，瀝青面層之間灑粘層油。

運用旋轉振動（GMT）技術，設計瀝青混凝土、水泥穩定碎石的骨架密實型的配合比，控制瀝青、水泥用量，使得瀝青混凝土AK-13的密度達到2.48kg/cm。水泥穩定碎石的水泥用量控制在3%以下，其密度達到2.44 kg/cm左右，強度控制在4～5MPa。

2）路面材料

瀝青下面層用70號瀝青，稀漿封層、中上面層用BSB改性瀝青，瀝青軟化點在65℃以上。粗集料碎石首先選開采有一定的時間，基本沒有風化巖的石質為優質石灰巖的石料廠。再要求廠家對碎石設備、篩分設備進行改造。生產現場派駐監理，從石頭爆破、到各級碎石都要派人撿除風化石。細集料采用優質機制砂和礦粉。

3）施工控制

拌合現場建石料大棚防止石料雨淋。拌和機要求為進口機械，生產能力300t/h，生產時拌和機每天都要打印拌合記錄，由監理核對。拌和機吐出的粗細集料不準再用。

運輸拌合料的車輛用保溫布覆蓋，攤鋪現場使用拌和運轉車向攤鋪機供料。壓實有專人監控壓實溫度。有一臺攤鋪機全半幅攤鋪。

調整施工順序，實現零污染。下基層施工后，先把中央分隔帶內的排水、通訊、防撞護欄柱、填土，路肩土的填筑施工完畢，再進行上基層的施工。在上基層碾壓完成后，立即灑透層油，并封閉交通至上面層施工完畢。

3 結論

鄭州至堯山高速公路在交、竣工時，工程質量均被評為優良，平整度在當年通車河南省13個項目中排第二。在通車已兩年多的時間內沒有出現高速公路路面早期損壞。