长寿命沥青路面结构设计理念及工程应用

长寿命沥青路面结构设计理念及工程应用摘要：由于沥青路面结构设计理论不完善、混合料设计方法不合理等问题，使得我国沥青路面早期病害严重，导致频繁的维修改造或重建，这给公路建设的可持续发展带来了很大的挑战。长寿命沥青路面是指在设计年限内无结构性修复和重建，仅需根据表面层损坏状况进行周期性维修的路面。本文从结构原理、层位功能、混合料设计、施工质量控制四个方面，系统的阐述了长寿命沥青路面设计的基本理念，并以广州到河源高速公路惠州段路面工程为例，提出适合该地区的长寿命沥青路面结构方案。关键字：长寿命路面设计理念结构设计施工控制工程应用0引言由于沥青路面结构设计理论不完善、混合料设计方法不合理等问题，使得我国沥青路面早期病害严重，导致频繁的维修改造或重建，这给公路建设的可持续发展带来了很大的挑战。长寿命沥青路面是指在设计年限内无结构性修复和重建，仅需根据表面层损坏状况进行周期性维修的路面。本文从结构原理、层位功能、混合料设计、施工质量控制四个方面，系统的阐述了长寿命沥青路面设计的基本理念，并以广州到河源高速公路惠州段路面工程为例，提出适合该地区的长寿命沥青路面结构方案。1结构原理长寿命沥青路面，又称永久性沥青路面，结构设计的出发点是为了提高沥青路面的使用寿命，因此采用较厚的沥青层，路面上部采用模量较高的材料，下部采用抗疲劳能力较强的材料，以降低传统的半刚性基层沥青路面开裂和避免结构性车辙，使路面的损坏仅限于表面层。因此，只需要定期的表面铣刨、罩面修复，在使用年限内不需要大的结构性重建[1]。长寿命沥青面结构设计采用是一种新的理念，它是通过改变传统的路面结构组合、应力应变响应指标以及提高材料的物理力学性能达到延长路面结构寿命的目的。传统设计理念认为，在车辆荷载作用下，不管路面多厚，将不可避免地出现疲劳开裂和结性车辙。但通过研究发现，在沥青层层底存在一个极限拉应变水平，当路面在荷载作用下应变低于此水平时，不会发生疲劳破坏，这一应变水平即为疲劳极限。因此，沥青面存在一个面层厚度极限，当沥青层厚度超过此极限值后，路面结构将不会出现由下到的疲劳开裂和结构性车辙。所以，长寿命路面设计层厚应以控制在层底拉应变水平内，而使路面使用寿命延长。长寿命路面并不是一直不损坏，而是指路面的损坏仅发生在路面的表层，维修时不需要结构性的处理，只需将表面层混合料铣刨并换成等厚度的新混合料便可，维修十分方便。2结构层的功能及材料要求要进行长寿命沥青路面设计，就必须先了解长寿命沥青路面对每一结构层功能与材料要求。长寿命的概念是强调有耐久的沥青层和坚固的基础。因此，长寿命沥青路面各个层次的结构功能基本上是围绕这个概念的要求来进行设计[2]。长寿命沥青路面对各结构层功能及材料要求如图1所示，建议选用表1所示的沥青结构型式。图1长寿命沥青路面结构示意图3沥青混合料设计方法正确合理的沥青混合料配比设计，是长寿命沥青路面质量的保证。目前，国内最常用的是马歇尔设计方法，但由于马歇尔设计方法中，试件成型原理与现场实际情况有较大差别，导致用此方法设计出来的沥青混合料不能满足长寿命沥青路面的要求。Superpave沥青混合料设计方法是采用最新的工程设计理念，试件成型最接近沥青路面的碾压成型机理，矿料级配结构设计标准较为合理，沥青混合料性能最优化的一种沥青混合料设计方法。采用Superpave方法设计和施工的沥青路面比采用马歇尔方法设计的沥青路面在抵抗车辙、抗疲劳破坏、抗温度裂缝和水稳定性能方面都有较大的提高。因此，建议选择Superpave沥青混合料设计方法来进行长寿命沥青路面混合料的设计。表1长寿命沥青路面结构型式注：SP-Superpave沥青混合料；SMA-沥青马蹄脂碎石混合料；OGFC-大孔隙开级配排水式沥青磨耗层。4施工质量控制长寿命沥青路面沥青混合料在施工过程中，除了应满足《公路沥青路面施工技术规范（JTGF40—2004）》相关要求外，在施工质量控制方面，还应特别注意以下几点（以Superpave沥青混合料为例）：（1）所使用石料要堆放在经过硬化具有3%倒坡坡度的场地上，粗集料的堆放高度不应超过3米，以防止由于集料不均匀导致沥青混合料离析；（2）在拌合站生产中，若干拌时间过长，会将粗集料打碎，细集料磨成矿粉，改变了混合料级配和增加了0.075mm筛的通过量，降低了设计混合料的VMA，影响混合料的路用性能。湿拌时间不宜过短，它决定了混合料拌和的均匀程度，决定了出场混合料的品质。建议干拌时间不应超过5秒，普通沥青混合料的湿拌时间不应少于28秒，SBS改性沥青混合料的湿拌时间不应少于32秒；（3）在运料车装料时要严格按照三点装料法，即前、后、中的顺序前后挪动车辆位置进行装料。对需要四盘以上才能装到车斗槽帮高度的车辆，要分两层均按前、后、中的装料顺序装满整个车斗，以最大限度地降低沥青混合料在装料过程中产生的离析；（4）摊铺时要把摊铺速度设置到最大并能保持速度进行连续摊铺的状态。当沥青拌和站具有足够的生产能力时，沥青混合料的摊铺速度不应低于4米，在摊铺过程中不宜过多调整摊铺速度。当摊铺机前有料车积压时，要提高摊铺速度，可以达到6米，避免沥青混合料在现场停留时过长，造成沥青混合料温度散失过大；（5）初压采用双钢轮振动压路机，开始的第一轴要紧跟摊铺机，以后的每一次倒轴的停驶位置要超过前一轴的1.5-2.0米，每一次错轴停驶位置应该形成45度的角度。错轴重叠宽度在10-20cm即可。在开始下一个碾压区间前，要用双钢轮振动压路机沿上一个碾压区间停驶位置45度的方向振动碾压一遍，以消除由于压路机停驶产生的推移波浪。每天开始的第一个碾压区间不易太长，最好不要超过30米，以后每一个碾压区间尽量提升到50～60m。每一段碾压区间不易过短，以免影响平整度。复压采用两台胶轮压路机揉搓碾压，每一台轮胎压路机负责半幅同时进行碾压，形成表面纹理并可消除初压时可能产生的热裂纹。终压相当重要，除了可以消除胶轮轮迹外，还可以提升压实度2～3个百分点。终压应采用三钢轮光轮静碾压路机，要求达到25吨以上，进行静碾2～3遍，所有终压均不得采用双钢轮振动压路机进行起振碾压。5工程实例广河高速公路是广东省、地、市高速公路连接线的重要组成部分，是联系粤赣高速和京珠高速这两条出省主要通道的重要横向联系道路，也是广州四环四联络十八射主骨架之一。广州至河源高速公路惠州段位于惠州市北部。路线呈东西走向，起点位于龙门县永汉镇，经过龙门县南部、博罗县北部，终点位于河源市石坝镇，路线全长75.61km。全线采用设计汽车荷载公路-I级双向六车道高速公路标准建设，设计速度120km/h，整体式路基宽度34.5m，分离式路基宽度17m，主线及主线桥面铺装，隧道采用沥青混凝土路面。本项目所在地属为Ⅰ4区，路线地处夏炎热冬温潮湿大路气候区。设计年限为15年，设计年限内一个车道上的累计标准轴载为（100kN）作用次数Ne=2.40×107次/车道，属特重交通等级。按照长寿命沥青路面设计理念，结合该地区的实际情况，确定了路面结构设计方案，如表2所示。在混合料设计过程中除了根据国内现行标准规范以外，还兼顾了Superpave相关设计标准，并且充分考虑了沥青路面整体强度，各结构层配比均符合要求并满足性能试验要求。沥青路面实测的各种技术指标，如压实度、平整度、摩擦系数、渗水系数等都符合现行规范与设计文件的要求，路面整体质量良好。6结语长寿命沥青路面设计的理念主要在于选择合理的路面结构方案、采用正确的混合料配比设计方法、运用科学的路面施工质量控制手段，来提高沥青路面的使用寿命，使得路面的损坏仅限于表层。因此，采用这种理念设计的沥青路面，虽然初期建设费用较高，但养护维修简单、费用低、使用年限增加，大大提高了综合经济效益与社会效益。系统的研究