高等級公路瀝青混凝土路面結構設計探討
發布時間：2010-01-14 共2頁
1 瀝青混合料
1.1 AC、AK型瀝青混合料
AK結構也屬半密實型瀝青混合料，由于其空隙率相對較大（與AC-Ⅱ型接近），抗滑性能良好，是多雨地區高速公路上面層常采用的結構，但這種結構的抗水損害能力差，耐久性差；AC-Ⅱ屬半密實型，空隙率一般為4%～10%，由于空隙率大，水穩定性相對較開裂、低溫差，現應用較少；AC-Ⅰ型混凝土是一種密實型瀝青混合料，空隙率一般為3%～6%，其礦料級配按最大密實原則設計，屬于連續性級配，強度和穩定性主要取決于混合料的粘聚力和內摩阻力，因為結構密實、空隙率小，所以路面的水穩定性較好，在中、下面層中廣泛應用，但這種結構耐磨、抗滑性欠佳，高溫穩定性明顯不足。在炎熱氣候及渠化、超重交通荷載的作用下容易導致路面出現車轍。
1.2 瀝青瑪碲脂碎石混合料（SMA）瀝青瑪蹄脂碎石混合料（StoneMasticAsphalt）是由高含量粗集料、高含量礦粉、較大的瀝青用量、低含量中間粒徑顆粒組成的骨架密實結構型瀝青混合料。除此之外，瀝青改性劑、纖維等也是重要的組成成分，是一種間斷級配瀝青混合料，空隙率小，一般為2%～4%，集料表面的瀝青膜厚，使混合料具有性能良好的抗水性和耐疲勞性能。歐洲經驗表明，SMA路面的使用壽命比傳統瀝青路面長20%～40%，既解決了抗滑問題，又解決了抗水滲入損害這一對相互矛盾的技術難題，具有了抗滑耐磨、密實耐久、抗疲勞、抗高溫車轍和有效地減少低溫開裂的優點，不僅在國外應用比較廣泛，最近幾年，國內多條高速公路大量采用了該種結構作為路面的上面層，得到了比較滿意的效果。但由于混合料的拌合、運輸、碾壓等施工工藝要求較嚴，對各原材料的技術指標要求較高，可以說只有在采用了優質原材料，尤其是優質的改性瀝青的基礎上，才能實現以上各方面的優點，因此其造價為普通瀝青混凝土的1.3～1.8倍，僅限于路面上面層使用。
1.3 高性能瀝青路面（Superpave）
高性能瀝青路面（Superpave）是美國公路戰略研究計劃（SHRP）最重要的研究成果之一，它包含了瀝青標準和集料標準、礦料級配曲線的組成規定和混合料的體積設計方法三大內容。高性能瀝青路面瀝青結合料與混合料規范的新體系將試驗方法與指標同瀝青路面的路用性能建立起直接關系，通過控制高溫車轍、低溫開裂和疲勞開裂來達到全面改進路面性能的目的，形成了一個基于路用性能基礎上的瀝青-瀝青混合料設計新體系。它與馬歇爾設計方法的不同點在于:根據不同的交通量等級選擇不同的壓實參數，使荷載條件反映到瀝青混合料的設計當中；采用了旋轉壓實成型試件，使試件中集料分布更接近于工地現場壓實情況，具有代表性；采用了大尺寸試件，試件直徑150mm，大粒徑的集料可以在試件中均勻分布，減少了馬歇爾試件由于尺寸小而產生的實驗結果的變異性；試件成型過程中增加了混合料的短期老化，使混合料性質與實際生產使用的混合料一致。
高性能瀝青路面在室內用旋轉擊實儀做瀝青混合料設計，按規定的體積設計法確定設計瀝青含量，并將瀝青混合料壓實到實際路面在當地氣候和荷載條件下所達到的密實度。高性能瀝青路面室內混合料設計的幾個主要體積指標及其規定值如下:
（1）設計旋轉擊實次數時，混合料的空隙率（Va）為4%。
（2）Va為4%時的礦料間隙率（VMA）隨標稱最大集料尺寸而異。
（3）Va為4%時，混合料的飽和度（VFA）隨設計當量標準軸次（ESAL）而異，飽和度和標準隨設計當量標準軸次增加而減少。
此外，對集料提出通用特性和原狀特性要求。通用特性包括:粗集料的棱角性、細集料的棱角性、集料的扁平細長含量、集料的含泥量。原狀特性要求，包括堅固性、安定性、風化顆粒規定，主要目的是提高其內摩阻角，從而提高混合料的抗車轍能力，保證在攪拌和碾壓時集料不碎裂，并保證瀝青與礦料之間的粘結力。
Superpave瀝青混合料與傳統的密級配瀝青混合料相比，在造價基礎沒有提高的情況下，路用性能，特別是高溫穩定性方面具有很大的優勢，混合料的水穩定性、低溫開裂及疲勞性能也得到令人滿意的結果，路面平整度大大提高。在山東、江蘇等地的高速公路中已得到應用，效果較好，部分省區也或多或少地進行了一定的試驗路鋪筑。
2 路面結構設計中存在的問題
2.1 結構類型選擇不當
在多雨潮濕地區，采用AK型上面層結構，空隙率較大，下雨后，水分容易滲入面層內，如果中、下面層采用AC-Ⅰ型相對密實的結構，水分則聚集在上面層和中面層之間，并使上面層長期浸泡在水中，導致路面發生松散、坑洞等破壞；反之若中、下面層采用AC-Ⅱ型結構，水分會直接滲入基層，基層長期浸泡在水中，會發生松散、唧漿，從而使整個路面結構破壞，危害更大。大量的調查研究資料表明，水損害是瀝青路面早期破壞的主要原因。
目前瀝青路面中、下兩層均采用常規或規范級配中值的AC-Ⅰ型結構，路面結構高溫穩定性欠佳，在炎熱氣候及渠化、超重交通荷載的作用下容易導致路面出現車轍，此外由于其礦料間隙率也難以滿足要求，通常采用減少瀝青用量的方法來滿足間隙率的要求，這樣使瀝青路面的耐久性能降低。
2.2 瀝青混合料類型與結構層厚度不匹配
根據美國Superpave的定義:集料最大公稱尺寸為篩余第1次大于10%的篩號的上一級篩子篩號，集料最大尺寸為集料最大公稱尺寸上一級篩號。以AC-25Ⅰ為例，篩余第1次大于10%的篩號為19mm，19mm的上一級篩號為26.5mm，26.5mm稱為集料最大公稱尺寸，再上一級為31.5mm，31.5mm稱為集料最大尺寸。
設計中往往選擇的瀝青混合料類型與路面結構層厚度不匹配，由于集料最大粒徑過大，公稱尺寸集料偏多，因而造成混合料容易離析、壓實困難、空隙率偏大，從而導致早期水損害問題。我國《公路瀝青路面施工技術規范》規定的水損害指標不足以防止水損害，因為馬歇爾密度滿足規范要求，路面空隙率仍可能超過8%。
2.3 瀝青混合料級配不盡合理
對于礦料級配的確定主要有理論法和經驗法。理論計算法是按照不同粒徑相互嵌擠的原理或干涉原則推導出計算公式，主要有n法、I法和K法。在實際工程中，美國以n=0.45作為制定標準級配的依據，我國現行的AC-Ⅰ型密級配瀝青混凝土基本符合此依據，稱0.45次冪曲線為最大密實線，馬歇爾方法設計的瀝青混合料通常比較接近最大密實線。然而，瀝青混合料并非越密越好，應該在滿足瀝青混合料的基本體積性質（如VMA、VFA、VA等）的基礎上，盡可能密實；SMA是由相互嵌擠的粗骨料為骨架，再用較多的瀝青與礦粉纖維及少量的細集料組成瀝青瑪蹄脂填充骨架間而形成的嵌擠型密實結構混合料；Superpave瀝青路面混合料設計引入了限制區和控制點的概念，并且級配范圍不固定。控制點是級配曲線必須通過的一個范圍，也就是說，按高性能瀝青路面規定組成礦料級配曲線時，曲線粗集料的一端必須通過規定的幾個控制點，限制接近最大粒徑的顆粒數量。而限制區是級配曲線不能通過的區域，即曲線的細集料不能通過的區域，它的目的主要是為了限制混合料中的砂礫的含量，以避免混合料在鋪筑過程中發生壓實問題或抗永久變形能力不足。控制點處范圍較寬，這樣就突破了以往級配應用中大家普遍采用的走中值的思路，給級配設計提供了相當大的靈活性，可以針對不同性質的集料設計出不同的級配曲線，同一種集料也可設計出不同的級配曲線，從中選擇滿足各項技術標準的最佳曲線。
2.4 瀝青路面原材料選用控制不嚴
瀝青材料對于路面的低溫抗裂性能及高溫抗車轍性能及耐久性的關系非常直接。有這樣一組關于瀝青、礦料質量對混合料抗車轍性能影響的試驗實例，即試驗分2組，一組為礦料相同而瀝青不同；另一組是礦料不同而瀝青相同。試驗結果見圖1，試驗說明瀝青對混合料高溫車轍性能影響很大，同樣礦料質量對混合料的高溫車轍性能也有直接影響。
面層結構的粗集料的壓碎值達不到規定的要求時，在行車荷載和環境因素的反復作用下被壓碎，而使得路面抗滑性能和抵抗變形的能力減弱。
此外，一般酸性巖石的石料如花崗巖、石英巖等與瀝青的粘附性較差，長時間后會使瀝青膜漸漸地從集料表面剝落，并導致集料之間的粘結力喪失而導致路面破壞。
2.5 下封層重視不夠
瀝青下封層有封閉路面下滲水、擴散路面應力、增強面層、基層的連接及減少基層反射裂縫至面層等等作用，是路面結構設計非常重要的一環。而目前設計中往往對此重視不足，對封層的合理作法及施工要求等方面所作的工作不多。
2.6 路面排水系統不完善
路面表面排水不暢，排水設施不完善，路面積水或水分滯留時間太長使水分滲入路面結構內部；路面結構層抗水損害性能差，水穩性不足。
