高性能沥青路面在西安至户县高速公路上的应用

高性能沥青路面在西安至户县高速公路上的应用

高性能沥青路面在西安至户县高速公路上的应用  
发布时间： 2003-7-17  作者：秩名  
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西安至户县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
西安至户县高速公路（以下简称西户高速公路）是国道主干线（GZ40）二连浩特至河口的一段，同时也是陕西省米字公路主骨架的重要组成路段。它既是华北、西北通往祖国西南的大通道，也是西安通往汉中地区最便捷、最重要的交通干线，对实施西部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，西户高速公路项目部(以下简称项目部)与长安大学合作，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）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、西户高速公路采用了高性能沥青路面
西户高速公路沥青路面结构原设计沿用了马歇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2~3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，项目部和长安大学公路学院组成课题组，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、西户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
①沥青
西户高速公路高性能沥青路面沥青采用美国科氏AH-90沥青，其各项指标如表1所示：
沥青试验结果 表1
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） 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
由表1中可以看出,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规定如表2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 表2
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,ASTM,D92）,min （℃） 230
粘度ASTM4402,max,2pa·s 试验温度 （℃） 135
动态剪切（SHRP B-003）G*/sinδ,min,2.0 kPa试验温度@10rad/s （℃） 64
RTFTO(ASTM D2872) 残 留 沥 青
质量损失,max (%) 1.00
动态剪切（SHRP B-003）G*/sinδ,min,2.OkPa试验温度@10rad/s （℃） 64
PAV 残 留 沥 青(SHRP B-005)
PAV 老化温度 （℃） 100
动态剪切（SHRP B-003）G*/sinδ,max,3OMPa试验温度@10rad/s （℃） 22
物理老化 实测记录
蠕变劲度,(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
②粗集料
粗集料采用西安市小峪料场生产的石料,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，课题组采用了10~15、10~20、5~10三档粗集料。集料筛分结果如表３所示：
集料筛分结果表 表３
规 格 公称粒径（mm） 孔 径（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
粗集料质量技术指标如表４所示
粗集料质量检验表 表４
项目规格 压碎值(%) 针片状含量(%) 含泥量(%) 视密度 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
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%.
③细集料及填料
细集料采用西安市沣河的天然砂和泾阳料场的石屑,其筛分结果如表５所示:
集细料筛分结果表 表５
公称粒径(mm) 孔 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2.6９１g/cm3,符合规范中“沥青面层用细集料质量技术要求”的规定，并且从表５的结果可以看出，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。对于不同级配类型的控制点和限制区如表６所示：


矿料级配的控制点和限制区 表６
通过下列筛孔（mm）的质量百分率（%）
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：表中通过量下有横线者表示控制点位置，级配线需在其中间通过；框内的数字表示限制区。 
从表６中我们可以看出，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，因此课题组对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。本次设计Super-19型级配控制点范围和限制区边界分别见表7和表8所示。
集料最大公称尺寸19mm 表7
筛子尺寸 控制点（%）
最 小 最 大
0.075 2 8
2.36 23 49
12.5 - 90
最大公称尺寸（19mm） 90 100
最大集料尺寸（25mm） 100 -

集料限制区边界 表8
禁区内筛孔尺寸（mm） 最大公称尺寸、最大最小边界（最小/最大通过百分率）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型沥青混凝土配合比设计 
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：
①设计旋转击实次数时，混合料的空气率（Va）为4%。
②Va为4%时的矿料间隙率（VMA）随标称最大集料尺寸而异。
标称最大集料尺寸（mm） 9.5 12.5 19.0 25.0 37.5
最 小 VMA （%） 15 14 13 12 11
③Va为4%时，混合料的饱和度（VFA）随设计当量标准轴次（ESAL）而异，如表9所示，饱和度的标准随设计当量标准轴次增加而减少。
饱和度（VFA）的标准 表9
交通量ESAL(×106) 设计VFA(%)
<0.3 75-80
<1 65-78
<3 65-78
3-100以上 65-75
课题组对Super-19型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%。课题组的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，课题组根据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；
试验级配表 表10
孔 径 19 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
级配Ⅰ 100 85.2 67.7 47.2 29.9 21.4 15.9 11.0 8.7 6.8
级配Ⅱ 100 85.1 66.3 45.3 30.3 22.3 16.5 11.3 9.0 7.0
级配Ⅲ 100 82.0 65.9 47.2 33.5 25.4 19.1 13.2 10.7 8.6
其次，根据公式-1估计吸入沥青体积（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 =0.176-(0.0675)lg(Sn) 公式-2
Sn --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 　公式-3
Gb--沥青密度
经过计算，级配Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ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%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，课题组选择了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2~2.5m/min，容许放慢到1~2m/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150~165℃，前场的摊铺温度控制在150℃以上，混合料超过190℃就必须废弃。课题组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12~13T双钢轮压路机静压1~2遍，其线压力不宜低于35N/mm，速度为2~3km/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12~15T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35~50HZ，振幅为0.3~0.8mm。
终压在复压后进行，用12~15T双钢轮压路机静压2遍，使沥青砼表面无明显轮迹。终压后，表面温度不能低于90℃，当路面温度低于50℃时允许开放交通。
三、结论
1、高性能沥青路面是一种考虑路用性能的沥青混合料设计方法，该方法从材料体系入手，系统地分析沥青混合料性质，通过沥青混合料配比设计，从材料组成方面控制和减少路面产生永久变形、疲劳开裂和低温开裂。它与马歇尔设计方法的不同点在于：一是课题组根据不同的交通量等级选择不同的压实参数，使荷载条件反映到沥青混合料的设计当中；二是课题组采用了旋转压实成型试件，使试件中集料分布更接近于工地现场压实情况，具有代表性；三是课题组采用了大尺寸试件，试件直径150mm，大粒径的集料可以在试件中均匀分布，减少了马歇尔试件由于尺寸小而产生的实验结果的变异性；四是课题组在试件成型过程中增加了混合料的短期老化，使混合料性质与实际生产使用的混合料一致。
2、高性能沥青路面Super-19试验路马歇尔试验结果如表11所示：
试验路马歇尔试验结果 表11
油石比 稳定度 流值 空隙率 饱和度 沥青体积百分率 粒料空隙率 压实度
室内配料 4．7 11．55 21．3 4．38 70．9 10．6 15．0 ——
现场取料 4．7 17．69 28．2 3．7 74．3 10．7 14．4 98%
由试验结果可以看出，Super-19沥青混凝土上面层满足高性能沥青路面的各项标术指标要求，并完全达到和满足现行规范马歇尔技术指标要求，高温稳定性、水稳性以及表面抗滑性能等技术指标都有很大提高。
3、西户高速公路于2002年12月正式通车，这是陕西省第一次采用这种方法对沥青上面层进行设计和施工，改善了路面的使用性能，也为高性能沥青路面的推广提供了第一手资料。

参考文献
1.沙庆林 高速公路沥青路面早期破坏现象及预防 人民交通出版社 2001
2.张登良、王哲人 沥青路面 人民交通出版社 1998
 

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