高性能瀝青路面在西安至戶縣高速公路上的應用

高性能瀝青路面在西安至戶縣高速公路上的應用

高性能瀝青路面在西安至戶縣高速公路上的應用  
發布時間： 2003-7-17  作者：秩名  
摘 要：本文結合實際，分析了現行路面結構的不足，介紹了高性能瀝青路面的先進性以及在西安至戶縣高速公路的應用情況。
關鍵詞：高性能瀝青路面 高速公路 應用
西安至戶縣高速公路（以下簡稱西戶高速公路）是國道主干線（GZ40）二連浩特至河口的一段，同時也是陜西省米字公路主骨架的重要組成路段。它既是華北、西北通往祖國西南的大通道，也是西安通往漢中地區最便捷、最重要的交通干線，對實施西部大開發戰略和加快基礎建設具有重要意義。因此，為了延長瀝青路面的使用壽命、改善瀝青路面的使用性能并減少瀝青路面的后期維修費用，西戶高速公路項目部(以下簡稱項目部)與長安大學合作，采用美國公路戰略研究計劃（SHRP）的重要研究成果——高性能瀝青路面（superpave）技術對瀝青上面層重新進行了設計，從施工的結果看達到了改善路面使用性能的目的，使上面層即粗糙防滑又密實防水，受到了專家的好評。
一、 現行AC、AK型路面的不足及高性能瀝青路面的先進性
1、AC、AK型路面的不足
我國從建設高速公路以來，瀝青路面的設計一直采用馬歇爾設計方法，其混合料類型的選擇一般是：中、下面層采用空隙率小、不透水的連續級配瀝青混凝土AC型，上面層則采用表面比較粗糙的AK型作為抗滑表層。AC型是一種密實型瀝青混凝土結構，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AC型路面的水穩定性較好。但是，由于其表面不夠粗糙，耐磨、抗滑、高溫抗車轍等性能明顯不足，并且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，因此，AC型在高等級公路的上面層已很少采用，主要用于中、下面層。由于防滑性能好，AK結構是高速公路上面層最常采用的結構。但是，AK結構的設計空隙率大，下雨后，水分容易滲入面層內，如果中、下面層比較密實，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，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。
2、高性能瀝青路面（superpave）的先進性
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。高性能瀝青路面作為SHRP研究成果的專有名稱，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，提出了控制點和限制區的概念。高性能瀝青路面的先進性在于它開發了一套全新的實驗設備和方法，從根本上改變了現行試驗方法和規范的純經驗性質，從而避免了由此帶來的局限性，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。
3、西戶高速公路采用了高性能瀝青路面
西戶高速公路瀝青路面結構原設計沿用了馬歇爾設計方法設計的方案，上面層為4cm中粒式瀝青砼抗滑表層（AK16-A），中面層為5cm中粒式瀝青砼面層（AC-20I），下面層為6cm粗粒式瀝青砼面層（AC-25I）。項目部組織人員對此方案進行了大量的調查、研究和論證，發現在我國已建成的采用此方法設計的高等級公路中，絕大多數瀝青路面達不到路面使用壽命的一半，有的僅建成2~3年，甚至通車僅幾個月，瀝青路面就出現大面積破壞，造成了巨大的損失。為了改變這一狀況，項目部和長安大學公路學院組成課題組，決定采用高性能瀝青路面的設計思想，對瀝青面層重新進行設計。
二、西戶高速公路高性能瀝青路面的設計與施工
1、高性能瀝青路面的設計
課題組經過認真分析，決定維持中、下面層設計方案不變，只對上面層采用高性能瀝青路面的設計方法重新進行設計，級配類型為super-19型。總體思路是：在減少極大顆粒含量的同時，控制細集料的含量，并且避開高性能瀝青路面細集料限制區，使級配曲線向密實方向發展，以增加混合料的抗滑和防水能力。設計的主要步驟是:
（1）原材料選擇
①瀝青
西戶高速公路高性能瀝青路面瀝青采用美國科氏AH-90瀝青，其各項指標如表1所示：
瀝青試驗結果 表1
AH-90 檢測結果
針入度(25℃，100g,5s) (0.1mm) 87
軟化點（環球法） (℃) 46
閃點 (℃) 290
返度（15℃，5cm/mm） (cm) ＞150
溶解度 (%) ＞99.9
旋轉粘度（60℃） (pa.s) 15.9
蠟含量（蒸餾法） (%) 1.8
密度（15℃） （g/cm3） 1.027
薄膜烘箱后殘留物（TFOT,163℃,5h） 
質量損失 (%) -0.03
返度(15℃,5cm/mm) cm ＞150
針入厚比(25℃) % 67
由表1中可以看出,科氏重交瀝青符合規范“重交通道路石油瀝青技術要求”的規定以及美國SHRP的PG64-28規定。PG64_28規定如表2所示,其中PG代表考慮路用性能的瀝青結合料等級,即PG64-28表示該種瀝青結合料可滿足最高路面設計溫度為64℃,最低溫度為-28℃地區使用.
美國SHRP瀝青路用性能規范PG64-28規定 表2
瀝青使用性能等級 PG64-28
平均7d最高路面設計溫度 （℃） <64
最低路面設計溫度 （℃） >-28
原 樣 瀝 清
閃點（COC,ASTM,D92）,min （℃） 230
粘度ASTM4402,max,2pa·s 試驗溫度 （℃） 135
動態剪切（SHRP B-003）G*/sinδ,min,2.0 kPa試驗溫度@10rad/s （℃） 64
RTFTO(ASTM D2872) 殘 留 瀝 青
質量損失,max (%) 1.00
動態剪切（SHRP B-003）G*/sinδ,min,2.OkPa試驗溫度@10rad/s （℃） 64
PAV 殘 留 瀝 青(SHRP B-005)
PAV 老化溫度 （℃） 100
動態剪切（SHRP B-003）G*/sinδ,max,3OMPa試驗溫度@10rad/s （℃） 22
物理老化 實測記錄
蠕變勁度,(SHRP B-002)S,max,200Mpa m值.min,0.35試驗溫度@60s （℃） -18
直接拉伸,(SHRP B-006)破壞應變,min,1.0%試驗溫度@1.0mm/min （℃） -18
②粗集料
粗集料采用西安市小峪料場生產的石料,根據現場調查,小峪石料潔凈、干燥，沒有風化和雜質現象，并且具有足夠的強度和耐磨性。由于本次設計級配類型為Super-19型，因此，課題組采用了10~15、10~20、5~10三檔粗集料。集料篩分結果如表３所示：
集料篩分結果表 表３
規 格 公稱粒徑（mm） 孔 徑（mm）
26.5 19.0 12.5 9.5 4.75 2.36
S9 10~20 100 100 19.5 0.3 0
S10 10~15 100 98.2 18.3 0.4 0
S12 5~10 100 100 8.4 0
粗集料質量技術指標如表４所示
粗集料質量檢驗表 表４
項目規格 壓碎值(%) 針片狀含量(%) 含泥量(%) 視密度 吸水率(%)
10~20 15.8 14.2 0.61 2.747 0.11
10~15 15.8 11.0 0.70 2.742 0.36
5~10 15.8 13.9 0.79 2.735 0.48
經試驗檢測，小峪料場的石料為中性石料,與瀝青的粘附性較差,其粘附性指標只能達到3級,因此,本次設計中采取了抗剝離措施,添加抗剝落劑,使用劑量為0.4%.
③細集料及填料
細集料采用西安市灃河的天然砂和涇陽料場的石屑,其篩分結果如表５所示:
集細料篩分結果表 表５
公稱粒徑(mm) 孔 徑(mm)
9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
砂 100 95.8 85.5 64.1 39.3 16.8 9.8 2.7
石屑 100 95.7 50.0 32.2 23.1 15.5 11.4 7.5
天然砂和石屑的視密度分別為2.875g/cm3和2.6９１g/cm3,符合規范中“瀝青面層用細集料質量技術要求”的規定，并且從表５的結果可以看出，工程中所用天然砂和石屑符合規范“瀝青面層用天然砂礫”，“瀝青面層用石屑規格”的要求。
填料采用石灰巖經磨細得到的礦粉，其視密度為2.787 g/cm3，含水量為0.87，無團粒結塊現象。
（2）級配控制
高性能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�？刂泣c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。對于不同級配類型的控制點和限制區如表６所示：


礦料級配的控制點和限制區 表６
通過下列篩孔（mm）的質量百分率（%）
50 37.5 25 19 12.5 9.5 4.75 2.36 1.18 0.60 0.30 0.15 0.075
100 90~100 73.2 64.7 53.6 47.4 34.734.7 25.323.3~27.315~41 18.515.5~21.5 13.711.7~15.7 10.010.0 7.3 5.40~6
100 90~100 73.6 61.0 53.9 39.539.5 28.826.8~30.819~45 21.118.1~24.1 15.613.6~17.6 11.411.4 8.3 6.11~7
100 90~100 73.2 64.7 47.4 34.634.623~49 25.322.3~28.3 18.716.7~20.7 13.713.7 10.0 7.32~8
100 90~100 73.2 53.6 39.139.128~58 28.625.6~31.6 21.119.1~23.1 15.515.5 11.3 8.32~10
100 90~100 64.7 47.247.232~67 34.631.6~37.6 25.523.5~27.5 18.718.7 13.7 102~10
注：表中通過量下有橫線者表示控制點位置，級配線需在其中間通過；框內的數字表示限制區。 
從表６中我們可以看出，對于super-25而言，要求25.0mm通過率為90%~100%，2.36mm通過率為19%~45%，0.075mm通過率為1%~7%，其控制點少（只有6個），并且 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。
由于高性能瀝青路面瀝青混合料設計級配是受控制點和限制區制約的，因此課題組對super-19型瀝青混合料設計了3個控制點和一處限制區，3個控制點分別位于標稱最大公稱尺寸、中等尺寸（2.36mm）和最小尺寸(0.075mm)處,限制區則沿最大密實度級配線存在于中等尺寸與0.3mm尺寸之間，這樣就有效的限制了混合料中含砂過多或總砂量中細砂過多情況的發生，并且提高了路面的抗高溫車轍、抗水損害的能力及耐久性。本次設計Super-19型級配控制點范圍和限制區邊界分別見表7和表8所示。
集料最大公稱尺寸19mm 表7
篩子尺寸 控制點（%）
最 小 最 大
0.075 2 8
2.36 23 49
12.5 - 90
最大公稱尺寸（19mm） 90 100
最大集料尺寸（25mm） 100 -

集料限制區邊界 表8
禁區內篩孔尺寸（mm） 最大公稱尺寸、最大最小邊界（最小/最大通過百分率）19.0mm
4.75 --
2.36 34.6/34.6
1.18 22.3/28.3
0.6 16.7/20.7
0.3 13.7/13.7
（3）Super-19型瀝青混凝土配合比設計 
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，混合料的空氣率（Va）為4%。
②Va為4%時的礦料間隙率（VMA）隨標稱最大集料尺寸而異。
標稱最大集料尺寸（mm） 9.5 12.5 19.0 25.0 37.5
最 小 VMA （%） 15 14 13 12 11
③Va為4%時，混合料的飽和度（VFA）隨設計當量標準軸次（ESAL）而異，如表9所示，飽和度的標準隨設計當量標準軸次增加而減少。
飽和度（VFA）的標準 表9
交通量ESAL(×106) 設計VFA(%)
<0.3 75-80
<1 65-78
<3 65-78
3-100以上 65-75
課題組對Super-19型瀝青混凝土配合比設計采用混合料體積設計的方法進行設計�；旌狭象w積設計是建立在經驗基礎上的且與集料和混合料性質有關的（包括集料破碎面與級配、空隙率和礦物集料骨架空隙率等）一種設計方法，混合料體積設計所用的瀝青混合料空隙率為4%。課題組的設計過程主要分為兩個階段：
第一階段：確定初始瀝青用量和設計級配。
首先，課題組根據Super-19集料級配范圍的要求選擇了3個試驗級配，如表10所示，分別測定出細集料、粗集料、礦粉的毛體積密度和視密度，以及級配混合料總的毛體積密度和視密度，并估計出全部集料的有效密度；
試驗級配表 表10
孔 徑 19 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
級配Ⅰ 100 85.2 67.7 47.2 29.9 21.4 15.9 11.0 8.7 6.8
級配Ⅱ 100 85.1 66.3 45.3 30.3 22.3 16.5 11.3 9.0 7.0
級配Ⅲ 100 82.0 65.9 47.2 33.5 25.4 19.1 13.2 10.7 8.6
其次，根據公式-1估計吸入瀝青體積（Vbe）
Vbe =Ws×(1/Gsb-1/Gse) 　　公式-1
Ws --混合料重量百分比
Gsb --全部集料的毛體積率
Gse --全部集料的有效密度
再次，按照經驗回歸方程（公式-2）估計有效的瀝青用量（Vba）
Vba =0.176-(0.0675)lg(Sn) 公式-2
Sn --集料粒徑最大公稱尺寸
然后，按照公式-3，根據吸入瀝青體積Vba和有效瀝青體積Vbe計算出初始瀝青量Pbj。
Pbj = Gb×(Vbe + Vba)/Gb×(Vbe + Vba)+Ws 　公式-3
Gb--瀝青密度
經過計算，級配Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的初始瀝青用量分別為4.4% 、4.4%和4.3%。
最后，課題組根據交通量等級和平均設計氣溫選擇壓實力，按照選擇的試驗級配和計算出的相應初始瀝青用量壓實試件，確定設計集料級配為級配I。
第二階段：設計瀝青用量的選擇
設計集料級配確定以后，就要選擇設計瀝青用量。設計瀝青用量是指在設計旋轉壓實次數條件下產生空隙率為4%的瀝青用量，因此，需要在幾個不同瀝青用量下壓實瀝青試件，然后進行選擇。對于級配I，課題組選擇了4.2%、4.4%、4.7%、5.2%、5.7%五個不同的瀝青用量，按照集料級配壓實試件，根據壓實結果，通過瀝青用量和空隙率、密度、VMA和VFA的關系，選擇空隙率為4%的瀝青用量即4.5%做為設計用量。
2、高性能瀝青路面的施工
（1）攤鋪
連續穩定的攤鋪是提高路面平整度的主要措施。Super-19型瀝青混凝土在施工中用一臺攤鋪機攤鋪，根據拌和機的產量、施工機械配套情況及攤鋪厚度課題組將攤鋪機的攤鋪速度定為2~2.5m/min，容許放慢到1~2m/min，并且要求均勻、不間斷地攤鋪。
攤鋪機應調整到最佳狀態，調試好螺旋布料器兩端的自動料位器，并使料門開度、鏈板送料器的速度和螺旋布料器的轉速相匹配。螺旋布料器的料位應高于螺旋布料器中心，使熨平板的檔料板前混合料在全寬范圍內均勻分布，并在起步前將料位整好，然后實施攤鋪，避免攤鋪層出現離析現象。
Super-19瀝青混凝土出料溫度控制在150~165℃，前場的攤鋪溫度控制在150℃以上，混合料超過190℃就必須廢棄。課題組根據每天的氣溫確定混合料出料溫度采用上限還是下限。
（2）壓實
Super-19瀝青混凝土的壓實程序與普通瀝青混凝土相同，也分為初壓、復壓和終壓三個步驟。初壓緊跟在混合料攤鋪后進行，溫度不低于150℃，采用12~13T雙鋼輪壓路機靜壓1~2遍，其線壓力不宜低于35N/mm，速度為2~3km/h，并不得產生推移和發裂現象。
復壓時先用25T左右重型輪胎壓路機進行揉搓碾壓2遍，輪胎充氣壓力不少于0.55Mpa，然后用12~15T雙鋼輪振動壓路機碾壓1遍，前進時關閉振動，后退時打開振動，振動頻率宜為35~50HZ，振幅為0.3~0.8mm。
終壓在復壓后進行，用12~15T雙鋼輪壓路機靜壓2遍，使瀝青砼表面無明顯輪跡。終壓后，表面溫度不能低于90℃，當路面溫度低于50℃時允許開放交通。
三、結論
1、高性能瀝青路面是一種考慮路用性能的瀝青混合料設計方法，該方法從材料體系入手，系統地分析瀝青混合料性質，通過瀝青混合料配比設計，從材料組成方面控制和減少路面產生永久變形、疲勞開裂和低溫開裂。它與馬歇爾設計方法的不同點在于：一是課題組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；二是課題組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；三是課題組采用了大尺寸試件，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；四是課題組在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。
2、高性能瀝青路面Super-19試驗路馬歇爾試驗結果如表11所示：
試驗路馬歇爾試驗結果 表11
油石比 穩定度 流值 空隙率 飽和度 瀝青體積百分率 粒料空隙率 壓實度
室內配料 4．7 11．55 21．3 4．38 70．9 10．6 15．0 ——
現場取料 4．7 17．69 28．2 3．7 74．3 10．7 14．4 98%
由試驗結果可以看出，Super-19瀝青混凝土上面層滿足高性能瀝青路面的各項標術指標要求，并完全達到和滿足現行規范馬歇爾技術指標要求，高溫穩定性、水穩性以及表面抗滑性能等技術指標都有很大提高。
3、西戶高速公路于2002年12月正式通車，這是陜西省第一次采用這種方法對瀝青上面層進行設計和施工，改善了路面的使用性能，也為高性能瀝青路面的推廣提供了第一手資料。

參考文獻
1.沙慶林 高速公路瀝青路面早期破壞現象及預防 人民交通出版社 2001
2.張登良、王哲人 瀝青路面 人民交通出版社 1998
 

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