河西特殊氣候環(huán)境條件下公路瀝青混凝土面層設(shè)計(jì)實(shí)踐

杜曉萍 高宏剛 顏魯春 王永寧

（1甘肅柳敦高速公路項(xiàng)目管理有限公司，甘肅 敦煌 736200；2甘肅恒路交通勘察設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730030；3甘肅省高等級(jí)公路養(yǎng)護(hù)工程研究中心，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

瀝青路面在長期服役過程中容易受自然環(huán)境和車輛荷載作用而發(fā)生病害，尤其在極旱高溫條件下，對(duì)瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更是提出了較高要求[1-3]。柳敦二級(jí)公路位于敦煌市戈壁灘域內(nèi)，該區(qū)域氣候干燥，降雨量少，年晝夜溫差及日晝夜溫差大，嚴(yán)峻的氣候環(huán)境導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)嚴(yán)重的泛油、車轍、擁包、裂縫等路面病害。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)極端氣候條件下的瀝青路面性能進(jìn)行了大量研究。馮濤等[4]結(jié)合工程實(shí)際對(duì)瀝青路面進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)瀝青路面開裂的主要原因是極端氣候環(huán)境條件的影響。杜鍍等[5]通過建立極端氣候環(huán)境條件下的路面溫度模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)瀝青路面溫度超過60℃時(shí)，瀝青路面容易發(fā)生車轍等路面病害。田明等[6-7]通過實(shí)體工程探討了瀝青路面高溫穩(wěn)定性能的防治措施。但是，針對(duì)甘肅河西地區(qū)典型氣候環(huán)境條件下的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尚鮮有研究。為此，本文結(jié)合柳敦二級(jí)公路實(shí)體工程，在其維修改造過程中，針對(duì)瀝青面層結(jié)構(gòu)及瀝青混合料設(shè)計(jì)進(jìn)行了論證與設(shè)計(jì)，以期為河西特殊氣候環(huán)境條件下瀝青路面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 瀝青面層結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)原則

在瀝青面層結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)中，較統(tǒng)一的理念是中下面層主要承受瀝青路面的豎向剪力，即提供瀝青路面的抗車轍能力，而上面層除提供行車舒適性外，還須兼顧防水抗滑的功能。針對(duì)柳敦二級(jí)公路維修改造工程實(shí)際，除采用上述理念外，還須照顧當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)、原有二級(jí)公路病害成因、交通狀況等。

原有二級(jí)公路高溫性能表現(xiàn)不佳，且位于夏季高溫區(qū)；同時(shí)，雖然預(yù)期交通量達(dá)不到重載交通量，但時(shí)有大噸位貨運(yùn)車輛行駛。因此，柳敦公路新建路面下面層應(yīng)著重考慮高溫性能表現(xiàn)優(yōu)越的材料組合，結(jié)合當(dāng)?shù)爻晒?jīng)驗(yàn)，下面層選用5cm厚AM-16型瀝青混合料，這種間斷級(jí)配的瀝青混合料可充分發(fā)揮骨料之間的嵌擠力，提供充足的抗車轍能力，同時(shí)，雖然空隙率較大，但當(dāng)?shù)厣儆?，可消除空隙率較大的不利影響。而上面層選用4cm厚AC-13C型瀝青混合料，可保證行車舒適性，且AC-13型較大的油石比也可為瀝青面層的耐久性提供保證。

2 瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目區(qū)氣候特點(diǎn)及實(shí)際交通組成，在考慮高溫性能時(shí)，除通過合理瀝青面層結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)外，還須進(jìn)行混合料礦料級(jí)配設(shè)計(jì)。混合料礦料級(jí)配對(duì)混合料體積指標(biāo)和性能影響較大，所選擇的混合料礦料級(jí)配應(yīng)能有效提高動(dòng)穩(wěn)定度和降低空隙率。同時(shí)，考慮到混合料的壓實(shí)及現(xiàn)場(chǎng)鋪筑的和易性，粗細(xì)集料的比例須合理設(shè)計(jì)?；旌狭霞?jí)配設(shè)計(jì)常用方法是圖解法，控制關(guān)鍵篩孔的通過率，根據(jù)實(shí)際原材料狀況進(jìn)行調(diào)整。礦料中的粗集料部分是影響瀝青混合料壓實(shí)和離析的主要原因，集料的最大粒徑與路面厚度比例應(yīng)根據(jù)規(guī)范規(guī)定，中下面層的集料最大粒徑不宜超過層厚的2/3。粗集料的適量增加能有效提高動(dòng)穩(wěn)定度，使顆粒與顆粒之間互相嵌擠；而細(xì)集料和填料對(duì)瀝青混合料的體積指標(biāo)相當(dāng)敏感，把粗集料顆粒間的空隙充分填充，這樣成型的瀝青路面才會(huì)有較小的空隙率，減少水損害發(fā)生。

具體在瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)，AM-16應(yīng)盡量靠近級(jí)配中值設(shè)計(jì)級(jí)配曲線，尤其是細(xì)集料不應(yīng)過粗，應(yīng)保證一定的油石比，為瀝青混合料提供一定的耐久性。經(jīng)設(shè)計(jì)，AM-16各篩孔通過率及油石比見表1。而在AC-13C設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)有效選擇與控制4.75mm，2.36mm，0.075mm三個(gè)關(guān)鍵篩孔的通過率，在嚴(yán)格避免“駝峰”曲線的同時(shí)，4.75mm及以下篩孔通過率要接近偏中值以下，特別是2.36mm的通過率應(yīng)盡可能小，這可避免混合料由于膠粉比的波動(dòng)損害高溫穩(wěn)定性。經(jīng)設(shè)計(jì)，Ac-13C各篩孔通過率及油石比見表2。

表1 AM-16篩孔通過率及油石比

表2 AC-13C篩孔通過率及油石比

項(xiàng)目上、下面層均采用70號(hào)基質(zhì)瀝青。

3 AM-16瀝青混合料試驗(yàn)分析

3.1 室內(nèi)試驗(yàn)

按規(guī)范中推薦的AM型瀝青混合料采用雙面各50次的擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)制備試件，馬歇爾指標(biāo)見表3。

表3 AM-16混合料指標(biāo)

3.2 試驗(yàn)路驗(yàn)證調(diào)整

根據(jù)試驗(yàn)路鋪筑效果，AM-16級(jí)配較為合適，但時(shí)值7月高溫，在鋪筑過程中下面層出現(xiàn)些許泛油現(xiàn)象，尤其在中午最高溫時(shí)，鋪筑后的路面泛油現(xiàn)象明顯。鑒于此，為了進(jìn)一步保證高溫性能，將油石比在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上下調(diào)0.1%，避免了鋪筑過程及鋪筑后的泛油現(xiàn)象。油石比調(diào)整后的AM-16混合料指標(biāo)見表4。

表4 經(jīng)試驗(yàn)路調(diào)整后的AM-16混合料指標(biāo)

3.3 調(diào)整前后分析

通過試驗(yàn)路調(diào)整，AM-16型混合料在降低油石比后所有指標(biāo)均符合規(guī)范要求。其中，空隙率增大，瀝青飽和度降低；穩(wěn)定度提高，流值降低。值得注意的是，調(diào)整前瀝青飽和度為54.7%，而調(diào)整后瀝青飽和度為52.5%，前者更靠近中值55%，而后者有所減小而趨近50%。因此可推定，在敦煌地區(qū)，AM-16型瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)飽和度應(yīng)小于55%，且盡量偏中值向下，才能減緩攤鋪中泛油現(xiàn)象的發(fā)生。

4 AC-13C瀝青混合料試驗(yàn)分析

規(guī)范中推薦二級(jí)公路AC型瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)采用雙面擊實(shí)各50次的擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。由于敦煌地區(qū)夏季高溫，因此在進(jìn)行AC-13C型瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)，從嚴(yán)比對(duì)雙面擊實(shí)各75次時(shí)各項(xiàng)指標(biāo)的變化。

4.1 雙面擊實(shí)各50次的試驗(yàn)

雙面擊實(shí)各50次成型馬歇爾試件，各指標(biāo)見表5。

表5 雙面擊實(shí)各50次時(shí)馬歇爾試件指標(biāo)

4.2 雙面擊實(shí)各75次的試驗(yàn)

雙面擊實(shí)各75次成型馬歇爾試件，各指標(biāo)見表6。

表6 雙面擊實(shí)各75次時(shí)馬歇爾試件指標(biāo)

4.3 試驗(yàn)路驗(yàn)證調(diào)整

根據(jù)試驗(yàn)路鋪筑效果，AC-13C級(jí)配較為合適，但在7月高溫下，在鋪筑過程中面層出現(xiàn)較嚴(yán)重的泛油現(xiàn)象，在中午最高溫時(shí)，鋪筑后第二天的上面層表面實(shí)測(cè)溫度可達(dá)70℃，嚴(yán)峻的高溫造成上面層泛油現(xiàn)象嚴(yán)重。鑒于此，為了避免泛油及高溫車轍現(xiàn)象的發(fā)生，將油石比在設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上下調(diào)0.3%。調(diào)整后，鋪筑過程及鋪筑后的再無泛油現(xiàn)象。油石比調(diào)整后在雙面擊實(shí)各75次時(shí)的AC-13C混合料指標(biāo)見表7。

表7 試驗(yàn)路調(diào)整后雙面擊實(shí)各75次時(shí)馬歇爾試件指標(biāo)

4.4 調(diào)整前后分析

比較5.0%油石比下不同擊實(shí)次數(shù)的指標(biāo)及經(jīng)試驗(yàn)路調(diào)整后在4.7%油石比下雙面各75次擊實(shí)后的指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，數(shù)據(jù)均符合規(guī)范要求。在5.0%油石比下，雙面各擊實(shí)75次的指標(biāo)相比雙面各擊實(shí)50次，瀝青飽和度有所上升，達(dá)到69.9%，說明瀝青混合料進(jìn)一步密實(shí)，相同油量下飽和度指標(biāo)增大。而經(jīng)過試驗(yàn)路試鋪后，在進(jìn)一步降低油石比至4.7%的情況下，雙面擊實(shí)各75次的馬歇爾試件的瀝青飽和度為66.8%，比調(diào)整前降低了3.1%，基本上與調(diào)整前雙面各擊實(shí)50次時(shí)的飽和度（66.5%）相仿，這既說明了在高溫性能優(yōu)先保證時(shí)從嚴(yán)設(shè)計(jì)瀝青混合料的重要性，又說明了雙面擊實(shí)各50次時(shí)的指標(biāo)容易造成誤差。

通過上述比較分析，說明在敦煌地區(qū)二級(jí)瀝青路面AC-13C型混合料設(shè)計(jì)時(shí)，宜按照高速公路、一級(jí)公路從嚴(yán)設(shè)計(jì)，馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)應(yīng)采用雙面各75次的標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，針對(duì)夏季高溫，為避免泛油乃至高溫車轍、擁包的出現(xiàn)，應(yīng)盡量降低混合料油石比，瀝青飽和度應(yīng)小于70%，并盡量接近65%。

5 結(jié)語

1）本文根據(jù)柳敦二級(jí)公路維修改造工程實(shí)踐，探討了敦煌戈壁地區(qū)瀝青路面結(jié)構(gòu)組合的原則，結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)，提出了柳敦二級(jí)公路瀝青路面結(jié)構(gòu)組合、瀝青混合料類型及設(shè)計(jì)方案。

2）進(jìn)行AM-16混合料設(shè)計(jì)時(shí)，級(jí)配曲線宜靠近中值，尤其是細(xì)集料部分不宜過粗。AM-16混合料飽和度應(yīng)在55%以下，且盡量趨近50%。

3）進(jìn)行AC-13C混合料設(shè)計(jì)時(shí)，級(jí)配曲線宜中值偏下；二級(jí)公路宜參照高速公路、一級(jí)公路的馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)從嚴(yán)設(shè)計(jì)，采用雙面各75次的標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)，宜盡量降低混合料油石比，瀝青飽和度應(yīng)小于70%，并盡量接近65%，避免或減緩面層攤鋪過程中或運(yùn)營期的泛油、高溫車轍及擁包現(xiàn)象。