高速公路沥青加铺层混合料类型的选择

　　摘要：高速公路沥青加铺层改造旧水泥混凝土路面具有工期短、对交通影响小、投资少、行车舒适等优点，已成为国内外的一种简单有效的修复措施。本文结合高速公路的路况特点，探讨了沥青加铺层混合材料类型的选择。为以后水泥混凝土路面的维修和改建方案的设计、决策提供一些有益的经验和借鉴。
　　关键词：高速公路；水泥混凝土路面；沥青加铺层；设计
　　
　　水泥混凝土路面具有强度高、耐久性好、使用寿命长、施工简单、取材方便、造价低廉等优点。因此，早期修建的高速公路路面结构大多采用水泥混凝土路面。大部分路面已经接近或超过了其设计年限，大多出现不同程度的损坏，对旧水泥混凝土路面进行维修或改建已是必然。旧水泥混凝土路面的加铺改建工程中，沥青加铺层所起的主要作用在于改善路面的表面使用性能，它对降低旧水泥路面板的荷载应力很有限，旧路面仍起关键的承载作用。本文将对沥青加铺层混合材料类型的选择进行探讨。
　　针对高速公路的公路气候及交通特点，重点解决沥青罩面层的高温稳定性与水稳定性问题。
　　1、上面层
　　目前，上面层主要采用最大公称尺寸为16mm、13mm的混合料，为了保证路面的均匀性和便于施工控制，趋向于采用最大公称尺寸为13mm的沥青混合料。混合料级配类型主要有AC、SMA、AR-AC等。
　　《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2006）中提出了AC-13C型沥青混合料，它是AK-13A沥青混合料的改进型。将AK型沥青混合料空隙率由4%~10%降低为3%~5%，将马歇尔试验击实次数从50次提高到75次，现场空隙率要求小于7%；将原空隙率较大的抗滑面层AK型向密实型调整，连续级配AC型向S型调整，使各地的级配多数向粗集料为主的骨架密实型级配靠近，这些改变使AK型级配的渗水性大大减小。大量实体工程实践证明，经过对体积指标的调整，AK-13A沥青混凝土表面层可以达到粗糙、致密、均匀的效果，调整后的级配更名为AC-13C。在上面层选择中，可以将AC-13C型沥青混合料作为考虑方案。但AC型混合料面层抗滑性能较差，行车安全性能差，尤其是在多雨的珠江三角洲地区建议慎用。
　　SMA（StoneMasticAsphalt）即沥青玛蹄脂碎石混合料，它是按照内摩擦角最大的原则，以间断级配的粗集料形成相互嵌挤的矿料骨架;然后按照空隙率较小的原则，以沥青玛蹄脂填充骨架的空隙，形成一种骨架密实结构的沥青混合料。
　　SMA的级配组成特点：三多一少，即粗集料用量多：70~80%；沥青用量多：6%；矿粉用量多：8%；细集料用量少：15~20%。
　　SMA沥青混合料的特点：
　　嵌挤的骨架——高温稳定性好,抗车辙能力强；
　　粗集料用量多——路表粗糙抗滑、行车安全；
　　空隙率较小——抗水害、耐老化；
　　沥青用量多——抗裂性好，耐久性好。
　　SMA比常规的路面结构造价高20%左右，但SMA设计、施工技术已经成熟，使用SMA路面能够减少养护维修费用，延长使用寿命，从全寿命周期成本考虑，对于多雨气候、超重交通高速公路，SMA路面无疑是非常好的选择。
　　橡胶沥青作为一种性能优秀的改性沥青，在国外被广泛用于水泥路罩面和应力吸收层，美国已有1万多公里的工程应用，取得了理想的使用效果。国内近年来也开始重视橡胶沥青的研究，在水泥路加铺工程中迅速得到了认可和应用。橡胶沥青混合料（AR-AC）具有以下性能特点：①优秀的弹性和变形能力，尤其适用于对抗疲劳性能要求较高的工程环境。②针入度减小，软化点提高，粘度增大。沥青的高温稳定性提高，对高温下车辙、推挤现象有明显改善。③增强粘附性，石料表面粘附的橡胶沥青膜厚度增加，可提高沥青路面抗水损害性能，延长公路寿命。④减少和消除废轮胎堆放导致的公害，同时又得到合理的二次资源利用，获得资源和环境的双重效果。国外研究表明，橡胶沥青的以上特点决定了橡胶沥青混合料具有优良的高温稳定性、低温抗裂性、抗水损害能力，其抗老化性能和抗疲劳性能更优于其它改性沥青混合料，用橡胶沥青混合料铺筑的高速公路有平稳、舒适、噪音低等优点，能明显改善路面的质量并延长其使用寿命。
　　研究和工程成果表明，橡胶沥青混合料可以有效减少水泥路面改造项目中反射裂缝的产生，是一种性能优良水泥路面加铺层材料。
　　综上所述，可结合高速公路的特点，综合技术、经济等因素，选择上面层沥青混合料的类型为改性沥青SMA-13混合料，在有条件的情况下可选择断级配橡胶沥青AR-AC13混合料。从层厚与粒径相匹配的原则出发，上面层厚度应为4cm。
　　2、中、下面层
　　随着经济快速发展和重载及超载交通日益严重，车辙问题逐渐成为沥青路面主要病害类型，特别是在爬坡路段，重车、超载车多的路段，在持续高温的作用下，沿行车道上轮迹带的路面出现严重的纵向车辙、或推拥变形。据调查沥青混合料的推移、变形主要是产生在中、下面层，少数在上面层。车辙产生的原因一是运输车辆严重超重，夏季气温持续高温，这是外因；二是沥青混合料设计或施工不当，沥青混合料的级配中细料偏多，空隙率偏小，有的沥青用量偏大，沥青稠度偏低等。因而对沥青中、下面层混合料尤为重要。
　　中面层采用SBS改性沥青能有效提高中面层抗车辙能力，是非常可行的技术措施。
　　近年来，沥青混合料由密实悬浮级配转向骨架密实型粗级配，大大提高了沥青混合料的嵌锁能力，提高了沥青混合料的内摩擦角。中、下面层宜选择骨架密实型级配，以提高其热稳性和水稳性。AC型沥青混合料吸收了Superpave的设计思想，改进了传统AC型混合料的级配，使之靠近“S”型，工程应用及试验研究表明其施工均匀性、密水性好，又能改善中下面层抗车辙能力。《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2006）中吸收了各省份级配研究的成果，对AC型沥青混合料级配范围进行优化调整。
　　Superpave混合料采用旋转压实设计方法进行沥青混合料的设计。经过大量的室内试验对比分析和实体工程验证，Superpave路面骨架嵌挤高温稳定性优于传统的AC型结构，同时Superpave路面均匀密实，有效减少了路面的级配离析，确保了路面密水性能，能有效防止沥青路面的水损害问题。Superpave技术目前在我国已得到了广泛的应用，至2006年，我国Superpave通车总历程已超过5000公里，大量工程实践证明Superpave具有优良的路用性能。因此，Superpave路面是重载交通、多雨潮湿地区路面沥青混合料类型的最佳选择。
　　Superpave路面最大的特点能有效提高沥青路面的抗车辙性能，且不增加工程造价。与传统AC类混合料相比，Superpave只需要施工监理单位配备旋转压实仪（约30万元/台），不需要额外配备其他施工设备，目前我国已拥有旋转压实仪80余台，其中施工单位拥有量占到约1/4，Superpave技术推广已不存在设备障碍。此外，Superpave的施工工艺没有特殊要求，除配合比设计与AC类混合料不同外，其他工序与AC类混合料相同，所以不特别要求施工单位具有Superpave的施工经验。以沪宁高速公路扩建工程为例，在11家施工单位中，约有6家是首次接触Superpave技术，从沪宁高速公路扩建工程的建设情况来看，这些没有任何Superpave施工经验的单位一样能优质地完成施工任务。
　　建议沥青中面层采用改性沥青AC-20，厚度为8cm混合料级配可参照Superpave-20的级配范围进行合理优化。
　　下面层或调坡段基层可采用普通沥青密级配沥青稳定碎石（ATB）。密级配沥青稳定碎石（ATB）混合料最大粒径通常为26.5~31.5mm，设计空隙率3%~6%。该类混合料适用于重交通荷载，粗集料嵌锁成骨架，细集料填充空隙而构成骨架密实型或骨架空隙型结构，以抵抗车辆荷载作用下的永久变形。密级配沥青稳定碎石在充分压实后，对提高路面的疲劳寿命，减少永久变形，减少水敏感性，提高强度和稳定性有利。对比同厚度的沥青混合料，ATB造价较低。
　　从层厚与最大公称粒径相匹配的原则出发，AC-20型混合料压实厚度范围为6cm～10cm；ATB-25型混合料压实厚度范围为8cm～12cm；施工时应根据路面加铺厚度选择合适的施工厚度。
　　参考文献：
　　1.黄晓明等编著.沥青与沥青混合料[M].东南大学出版社,2002.
　　2.乔英娟.沥青混合料位移场测定与流动性车辙分析[D].大连理工大学,2008.