高性能沥青路面在西安至户县高速公路上的应用

1、高性能沥青路面在高速公路上的应用 摘 要：本文结合实际，分析了现行路面结构的不足，介绍了高性能沥青路面的先进性以及在高速公路的应用情况。关键词：高性能沥青路面 高速公路 应用高速公路是国道主干线的一段，同时也是公路主骨架的重要组成路段。它既是通往祖国的大通道，也是地区最便捷、最重要的交通干线，对实施大开发战略和加快基础建设具有重要意义。因此，为了延长沥青路面的使用寿命、改善沥青路面的使用性能并减少沥青路面的后期维修费用，高速公路项目部(以下简称项目部)，采用美国公路战略研究计划（SHRP）的重要研究成果高性能沥青路面（superpave）技术对沥青上面层重新进行了设计，从施工的结果看达到了改善

2、路面使用性能的目的，使上面层即粗糙防滑又密实防水，受到了专家的好评。一、 现行AC、AK型路面的不足及高性能沥青路面的先进性1、AC、AK型路面的不足我国从建设高速公路以来，沥青路面的设计一直采用马歇尔设计方法，其混合料类型的选择一般是：中、下面层采用空隙率小、不透水的连续级配沥青混凝土AC型，上面层则采用表面比较粗糙的AK型作为抗滑表层。AC型是一种密实型沥青混凝土结构，其矿料级配按最大密实原则设计，属于连续性级配，强度和稳定性主要取决于混合料的粘聚力和内摩阻力，因为结构密实、空隙率小，所以AC型路面的水稳定性较好。但是，由于其表面不够粗糙，耐磨、抗滑、高温抗车辙等性能明显不足，并且矿料间隙

3、率也难以满足要求，通常采用减少沥青用量的方法来满足间隙率的要求，这样使沥青路面的耐久性能降低，因此，AC型在高等级公路的上面层已很少采用，主要用于中、下面层。由于防滑性能好，AK结构是高速公路上面层最常采用的结构。但是，AK结构的设计空隙率大，下雨后，水分容易渗入面层内，如果中、下面层比较密实，水分则聚集在上面层和中面层之间，并使上面层长期浸泡在水中，导致路面发生松散、坑洞等破坏；反之，水分会直接渗入基层，基层长期浸泡在水中，会发生松散、唧浆，从而使整个路面结构破坏，危害更大。2、高性能沥青路面（superpave）的先进性高性能沥青路面（superpave）是美国公路战略研究计划（SHRP）

4、最重要的研究成果之一。高性能沥青路面作为SHRP研究成果的专有名称，它包含了沥青标准和集料标准、矿料级配曲线的组成规定和混合料的体积设计方法三大内容，提出了控制点和限制区的概念。高性能沥青路面的先进性在于它开发了一套全新的实验设备和方法，从根本上改变了现行试验方法和规范的纯经验性质，从而避免了由此带来的局限性，高性能沥青路面沥青结合料与混合料规范的新体系将试验方法与指标同沥青路面的路用性能建立起直接关系，通过控制高温车辙、低温开裂和疲劳开裂，来达到全面改进路面性能的目的，形成了一个基于路用性能基础上的沥青沥青混合料设计新体系。3、高速公路采用了高性能沥青路面高速公路沥青路面结构原设计沿用了马歇

5、尔设计方法设计的方案，上面层为4cm中粒式沥青砼抗滑表层（AK16-A），中面层为5cm中粒式沥青砼面层（AC-20I），下面层为6cm粗粒式沥青砼面层（AC-25I）。项目部组织人员对此方案进行了大量的调查、研究和论证，发现在我国已建成的采用此方法设计的高等级公路中，绝大多数沥青路面达不到路面使用寿命的一半，有的仅建成23年，甚至通车仅几个月，沥青路面就出现大面积破坏，造成了巨大的损失。为了改变这一状况，项目部组成，决定采用高性能沥青路面的设计思想，对沥青面层重新进行设计。二、高速公路高性能沥青路面的设计与施工1、高性能沥青路面的设计课题组经过认真分析，决定维持中、下面层设计方案不变，只对上

6、面层采用高性能沥青路面的设计方法重新进行设计，级配类型为super-19型。总体思路是：在减少极大颗粒含量的同时，控制细集料的含量，并且避开高性能沥青路面细集料限制区，使级配曲线向密实方向发展，以增加混合料的抗滑和防水能力。设计的主要步骤是:（1）原材料选择沥青高速公路高性能沥青路面沥青采用美国科氏AH-90沥青。AH-90 检测结果针入度(25，100g,5s) (0.1mm) 87软化点（环球法） () 46闪点 () 290返度（15，5cm/mm） (cm) 150溶解度 (%) 99.9旋转粘度（60） (pa.s) 15.9蜡含量（蒸馏法） (%) 1.8密度（15） （g/cm3

7、） 1.027薄膜烘箱后残留物（TFOT,163,5h） 质量损失 (%) -0.03返度(15,5cm/mm) cm 150针入厚比(25) % 67可以看出,科氏重交沥青符合规范“重交通道路石油沥青技术要求”的规定以及美国SHRP的PG64-28规定。PG64_28规定所示,其中PG代表考虑路用性能的沥青结合料等级,即PG64-28表示该种沥青结合料可满足最高路面设计温度为64,最低温度为-28地区使用。美国SHRP沥青路用性能规范PG64-28规定。沥青使用性能等级 PG64-28平均7d最高路面设计温度 （） <64最低路面设计温度 （） >-28原 样 沥 清闪点（COC

8、,ASTM,D92）,min （） 230粘度ASTM4402,max,2pa·s 试验温度 （） 135动态剪切（SHRP B-003）G*/sin,min,2.0 kPa试验温度10rad/s （）64RTFTO(ASTM D2872) 残 留 沥 青质量损失,max (%) 1.00动态剪切（SHRP B-003）G*/sin,min,2.OkPa试验温度10rad/s （）64PAV 残 留 沥 青(SHRP B-005)PAV 老化温度 （） 100动态剪切（SHRP B-003）G*/sin,max,3OMPa试验温度10rad/s （）22物理老化 实测记录蠕变劲度,(

9、SHRP B-002)S,max,200Mpa m值.min,0.35试验温度60s （）-18直接拉伸,(SHRP B-006)破坏应变,min,1.0%试验温度1.0mm/min （）-18粗集料粗集料采用料场生产的石料,根据现场调查,小峪石料洁净、干燥，没有风化和杂质现象，并且具有足够的强度和耐磨性。由于本次设计级配类型为Super-19型，因此，采用了1015、1020、510三档粗集料。集料筛分结果如表所示：集料筛分结果表 表规 格 公称粒径（mm） 孔 径（mm）26.5 19.0 12.5 9.5 4.75 2.36S9 1020 100 100 19.5 0.3 0S10 10

10、15 100 98.2 18.3 0.4 0S12 510 100 100 8.4 0粗集料质量技术指标项目规格 压碎值(%) 针片状含量(%) 含泥量(%) 视密度 吸水率(%)1020 15.8 14.2 0.61 2.747 0.111015 15.8 11.0 0.70 2.742 0.36510 15.8 13.9 0.79 2.735 0.48经试验检测，小峪料场的石料为中性石料,与沥青的粘附性较差,其粘附性指标只能达到3级,因此,本次设计中采取了抗剥离措施,添加抗剥落剂,使用剂量为0.4%.细集料及填料细集料采用天然砂和料场的石屑,其筛分结果:集细料筛分结果公称粒径(mm) 孔

11、径(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天然砂和石屑的视密度分别为2.875g/cm3和2.6g/cm3,符合规范中“沥青面层用细集料质量技术要求”的规定，结果可以看出，工程中所用天然砂和石屑符合规范“沥青面层用天然砂砾”，“沥青面层用石屑规格”的要求。填料采用石灰岩经磨细得到的矿粉，其视密度为2.787 g/cm3，含水量为0.87，无团粒结块现象。（2）级配控制高性能沥青路面混合料设计引入了限

12、制区和控制点的概念，并且级配范围不固定。控制点是级配曲线必须通过的一个范围，也就是说，按高性能沥青路面规定组成矿料级配曲线时，曲线粗集料的一端必须通过规定的几个控制点，限制接近最大粒径的颗粒数量。而限制区是级配曲线不能通过的区域，即曲线的细集料不能通过的区域，它的目的主要是为了限制混合料中的砂砾的含量，以避免混合料在铺筑过程中发生压实问题或抗永久变形能力不足。高性能矿料级配的控制点和限制区对于super-25而言，要求25.0mm通过率为90%100%，2.36mm通过率为19%45%，0.075mm通过率为1%7%，其控制点少（只有6个），并且 控制点处范围较宽，这样就突破了以往级配应用中大

13、家普遍采用的走中值的思路，给级配设计提供了相当大的灵活性，可以针对不同性质的集料设计出不同的级配曲线，同一种集料也可设计出不同的级配曲线，从中选择满足各项技术标准的最佳曲线。由于高性能沥青路面沥青混合料设计级配是受控制点和限制区制约的，因此对super-19型沥青混合料设计了3个控制点和一处限制区，3个控制点分别位于标称最大公称尺寸、中等尺寸（2.36mm）和最小尺寸(0.075mm)处,限制区则沿最大密实度级配线存在于中等尺寸与0.3mm尺寸之间，这样就有效的限制了混合料中含砂过多或总砂量中细砂过多情况的发生，并且提高了路面的抗高温车辙、抗水损害的能力及耐久性。（3）Super-19型沥青混

14、凝土配合比设计 高性能沥青路面在室内用旋转击实仪做沥青混合料设计，按规定的体积设计法确定设计沥青含量，并将沥青混合料压实到实际路面在当地气候和荷载条件下所达到的密实度。高性能沥青路面室内混合料设计的几个主要体积指标及其规定值如下：设计旋转击实次数时，混合料的空气率（Va）为4%。Va为4%时的矿料间隙率（VMA）随标称最大集料尺寸而异。Va为4%时，混合料的饱和度（VFA）随设计当量标准轴次（ESAL）而异，饱和度的标准随设计当量标准轴次增加而减少。沥青混凝土配合比设计采用混合料体积设计的方法进行设计。混合料体积设计是建立在经验基础上的且与集料和混合料性质有关的（包括集料破碎面与级配、空隙率和

15、矿物集料骨架空隙率等）一种设计方法，混合料体积设计所用的沥青混合料空隙率为4%。设计过程主要分为两个阶段：第一阶段：确定初始沥青用量和设计级配。首先，根据Super-19集料级配范围的要求选择了3个试验级配，如表10所示，分别测定出细集料、粗集料、矿粉的毛体积密度和视密度，以及级配混合料总的毛体积密度和视密度，并估计出全部集料的有效密度；其次，根据公式-1估计吸入沥青体积（Vbe）Vbe =Ws×(1/Gsb-1/Gse) 公式-1Ws -混合料重量百分比Gsb -全部集料的毛体积率Gse -全部集料的有效密度再次，按照经验回归方程（公式-2）估计有效的沥青用量（Vba）Vba =0

16、.176-(0.0675)lg(Sn) 公式-2Sn -集料粒径最大公称尺寸然后，按照公式-3，根据吸入沥青体积Vba和有效沥青体积Vbe计算出初始沥青量Pbj。Pbj = Gb×(Vbe + Vba)/Gb×(Vbe + Vba)+Ws Gb-沥青密度经过计算，级配、的初始沥青用量分别为4.4% 、4.4%和4.3%。最后，课题组根据交通量等级和平均设计气温选择压实力，按照选择的试验级配和计算出的相应初始沥青用量压实试件，确定设计集料级配为级配I。第二阶段：设计沥青用量的选择设计集料级配确定以后，就要选择设计沥青用量。设计沥青用量是指在设计旋转压实次数条件下产生空隙率为4

17、%的沥青用量，因此，需要在几个不同沥青用量下压实沥青试件，然后进行选择。对于级配I，选择了4.2%、4.4%、4.7%、5.2%、5.7%五个不同的沥青用量，按照集料级配压实试件，根据压实结果，通过沥青用量和空隙率、密度、VMA和VFA的关系，选择空隙率为4%的沥青用量即4.5%做为设计用量。2、高性能沥青路面的施工（1）摊铺连续稳定的摊铺是提高路面平整度的主要措施。Super-19型沥青混凝土在施工中用一台摊铺机摊铺，根据拌和机的产量、施工机械配套情况及摊铺厚度课题组将摊铺机的摊铺速度定为22.5m/min，容许放慢到12m/min，并且要求均匀、不间断地摊铺。摊铺机应调整到最佳状态，调试好

18、螺旋布料器两端的自动料位器，并使料门开度、链板送料器的速度和螺旋布料器的转速相匹配。螺旋布料器的料位应高于螺旋布料器中心，使熨平板的档料板前混合料在全宽范围内均匀分布，并在起步前将料位整好，然后实施摊铺，避免摊铺层出现离析现象。Super-19沥青混凝土出料温度控制在150165，前场的摊铺温度控制在150以上，混合料超过190就必须废弃。根据每天的气温确定混合料出料温度采用上限还是下限。（2）压实Super-19沥青混凝土的压实程序与普通沥青混凝土相同，也分为初压、复压和终压三个步骤。初压紧跟在混合料摊铺后进行，温度不低于150，采用1213T双钢轮压路机静压12遍，其线压力不宜低于35N/mm，速度为23km/h，并不得产生推移和发裂现象。复压时先用25T左右重型轮胎压路机进行揉搓碾压2遍，轮胎充气压力不少于0.55Mpa，然后用1215T双钢轮振动压路机碾压1遍，前进时关闭振动，后退时打开振动，振动频率宜为3550HZ，