重载交通长寿命沥青路面关键技术的研究.docx

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重载交通长寿命沥青路面关键技术的研究

重载交通长寿命沥青路面关键技术的研究

报告简本

课题的研究对象是重载交通公路的沥青路面，研究目标是使半刚性基层沥青路面达到长寿命要求，这是一个崭新的课题。

课题除室内分析、试验研究外，要真正建成一条达到研究目标的试验路。

路面结构按20世纪60年代初交通部公路科学研究所路面组提出的“强基薄面稳土基”设计理论及其所含四个内容进行。

即路面结构设计、材料设计、厚度设计、路基路面综合设计。

取得的主要研究成果有：

1.新SAC系列在工程实践中的成功应用

新SAC系列的设计理念：

将沥青面层的早期破坏与达到面层的功能要求结合在一起同时解决。

采用《多碎石沥青混凝土SAC系列的设计与施工》一书的研究成果。

SAC系列包括常用做基层、底面层、中面层和表面层的SAC-30、SAC-25、SAC-20、SAC-16、SAC-13和SAC-10等多种。

矿料级配中粗细集料的分界筛孔统一为4.75mm，即≥4.75mm的颗粒称粗集料，≤4.75mm的颗粒称细集料，<0.075mm的颗粒称填料。

因此，粗、中、细SAC的粗集料可筛分的粒级是不同的。

例如，SAC-25的粗集料可筛分成26.5~19mm、19~13.2mm、13.2~9.5mm和9.5~4.75mm四个粒级；SAC-16的粗集料，只能筛分成16~13.2mm、13.2~9.5mm和9.5~4.75mm三个粒级。

而全部SAC的细集料都可以筛分成4.75~2.36mm、2.36~1.18mm、1.18~0.6mm、0.6~0.3mm、0.3~0.15mm和0.15~0.075mm共六个粒级。

1.1SAC粗集料断级配的矿料级配设计

所谓粗集料断级配是指矿料级配中以粗集料为主，或占多数（通常不少于60%），设计粗集料的级配时，是一个幂函数，设计细集料的级配时，又是另一个幂函数。

提出的矿料级配设计方法，分粗、细集料各个筛孔通过量的设计。

所用的基本方程为式

（1）。

（1）

此式中的Dmax是实际最大粒径。

以往标称最大粒径以上还有0~10%的较大颗粒。

此少量大颗粒不利于室内平行试验的均匀性，也不利于施工现场该层表面的均匀性；所以在SAC的设计中，设定Dmax的通过率为100%。

由于式

（1）中有两个未知数A和B，要解这两个未知数必须建立两个联立方程。

设计SAC粗、细集料各个筛孔的通过量需要有三个控制点，一个是Dmax的通过量100%，第二个是4.75mm的通过量30%~40%，第三个是0.075mm的通过量4%~8%，且Dmax愈大，0.075mm的通过量愈小。

计算SAC-25粗集料各个筛孔通过量的方程式为式

（2）

（2）

计算SAC-25细集料各个筛孔通过量的方程式为（3）

（3）

1.2建立了两阶段检验理论和检验方法

为了检验规定矿料级配是否适合某种岩石品种的粗集料，研究得到了两阶段检验理论和检验方法。

第一阶段对原材料进行检验，称VCADRF方法，第二阶段对沥青混凝土试件进行检验，称VCAAC方法。

这两个方法的基本原理都是粗集料骨架间的孔隙率恰好被细集料、填料、沥青的体积填满，同时保留部分空气率（如2%~4%）。

上述粗集料断级配沥青混凝土矿料级配方法和检验方法，于2007年3月7日获国家知识产权局颁发的发明专利证书。

1.3完善并提出了SAC系列的四种不同结构，即紧密骨架密实结构（粗集料含量70%左右），一般骨架密实结构（粗集料含量65%左右），疏松骨架密实结构（粗集料含量约60%）和悬浮式密实结构（粗集料含量不足60%）。

这四种结构分别用于不同场合。

1.4新SAC系列的六个优点

1）密实透水性小，不易产生水破坏；

2）SAC是国内所用级配中，高温抗永久形变能力最强的；

3）表面构造深度大，秦皇岛试验路竣工后，测得50个点的表面构造深度TD平均1.18mm，变异系数Cv=14.2%；

4）可以趁沥青混合料温度高时，用振动压路机从开始到复压终了都振动碾压。

既不会产生沥青混合料推移，也不会出现横向裂纹现象；

5）很少粗细集料离析，表观现象美观；

6）价格低廉，由于SAC沥青混合料的油石比小，SAC-25的油石比只有3.4%~3.5%，SAC-16只有4.4%~4.5%，SAC-13只有4.5%~4.6%，它比SMA的油石比（6.0%）小得多，也比规范中的AC-I型明显小，但性能好。

可以说SAC是价廉物美。

2.设计新水泥碎石级配的理念

粗集料断级配密实水泥稳定粒料的级配设计方法及其密实性检验方法的研究成果于2006年9月申请国家发明专利，并于2007年公开。

设计方法采用的基本方程同式

（1）。

其粗、细集料各个筛孔通过量（%）的设计方法与SAC的设计方法基本相同。

为了求解式

（1）中A和B的值，需要建立两个联立方程。

为此设定，di=26.5mm时，P26.5=100%；di=4.75mm时，P4.75=36%。

采用P4.75=36%是因为现场容易碾压密实。

由此可得计算粗集料（4.75mm~26.5mm）各个筛孔通过量的方程为式（4）。

（4）

计算细集料级配的方程时，一个控制点是4.75mm的通过量36%，另一个控制点是0.075mm的通过量，其值为3%~5%。

为提高水泥碎石的抗弯拉强度和回弹模量，矿料级配中应有3%~5%＜0.075mm的粉料。

用此建立两个联立方程后，得计算细集料各个筛孔通过量的方程式为式（5）。

（5）

检验方法的基本原理是，混合料设计用重型击实试验法得到7天龄期设计抗压强度6MPa的水泥剂量、最佳含水量和最大干密度后，计算试件中粗集料的含量，孔隙率；此孔隙率被水泥、细集料、粉料和有效水的体积填满后，还余留1.6%~2%空气率。

秦皇岛试验路满足此条件的水泥碎石基层养生结束后，曝晒2.5~3个月，其表面虽被行车跑散3~5mm，但无坑洞，扫除松散料后仍是一块完整板体，在近5km的路段上，只有363m一小段，由于施工时下雨产生了7条间距8~106m的横向收缩裂缝，90%多路段无裂缝。

被认为是奇迹。

研究还得到了对CBG-25强度很不敏感的级配范围。

其上限是美国100年前用于沥青混合料的富勒公式的级配曲线，下限是笔者研究得到的中断级配曲线。

3.在土基下1.5m处设置水平沥青膜隔断层，阻止气态水上升，底基层底面向下两侧用防水土工膜做垂直向下直至隔断层的防水墙，以保持此深度范围内的土基强度稳定。

这是国内首次实现稳土基和路基路面综合设计的要求。

4.水泥碎石基层和沥青面层施工方法

研究得到的新工艺，主要针对CBG和SAC的拌和厂的设备配置和改造（详见p.7中8.2.3~8.2.4），保证冷料有达到要求的稳定的级配。

水泥碎石基层与沥青混合料的施工方法于2006年11月申请了国家发明专利，2007年正式公开。

5．研制成功粗集料单一粒级专用筛分机。

可将CBG-25和SAC25的粗集料筛成26.5~19mm，19~13.2mm，13.2~9.5mm和9.5~4.75mm四个单一粒级的料。

此设备是我国发明的。

第一台样机在秦皇岛试验路的碎石厂首次试用，基本成功。

筛得的粗集料中很少粉尘和泥土颗粒，除满足上述新施工方法外，还有利于提高混合料的质量。

6.应用上述研究成果的实体工程

实体工程之一是2007年5月完成的基本符合要求的湖南省醴潭高速公路试验路，长2910m。

另一条是2007年10月完成的完全实现设计思想的河北省沿海高速公路秦皇岛试验路，长2740m，另加对比段共约5km，含一座大桥长880.7m。

以下介绍秦皇岛试验路。

7.秦皇岛试验路设计的5个创新思想

7.1设置沥青膜隔断层和垂直防水墙。

7.2将中下面层总厚无论是8cm、11cm或14cm合成一层，称为底面层，采用SAC25-1级配和AH-30硬质沥青，便于备料及一次摊铺一次碾压。

7.3考虑水泥碎石基层CBG可与SAC底面层用同一种岩石破碎的粗集料，采用CBG级配的最大粒径与SAC25相同，便于备料。

所备粗集料可先用于CBG-25，后用于SAC25-1。

7.4CBG-25采用粗集料含量64%的中断级配，既易于压实，强度又高，干缩性也显著减小。

7.5.从源头抓起，狠抓备料。

8．秦皇岛试验路的路面结构

8.1试验路的竣工路面结构见图1，SAC均为紧密骨架密实结构。

8.2试验路施工采用的6个创新措施

8.2.1在2740m长的试验路上，随路基高度而变，实施了隔断层和防水墙，隔断层的实际深度为0.8m~1.5m，见图2。

土基竣工时用贝克曼梁测得土基顶面97.7%概率的代表弯沉值在1.95mm~2.72mm之间，相应的土基回弹模量为61.7~43.2MPa。

图2隔断层和防水墙示意图

8.2.2使用了国内第一台粗集料单一粒级专用筛分机见图3。

图3粗集料单一粒级专用筛分机

8.2.3水泥碎石拌和机与沥青混合料拌合机的料斗都增加到6个，其中4个料斗或冷料仓用于装4种单一粒级碎石，另2个料斗或冷料仓用于装两种细集料。

8.2.4每个料斗与冷料仓下面都安装一台称量准确度达到±0.5%的电子秤，见图4。

达到狠抓原材料的目的。

8.2.5用两台有效拌和长度达不到3m要求的水泥碎石拌和机串联在一起，先加粗细集料、水泥和水入前一台拌和机拌和；初步拌和的混合料由输送带送入第2台拌和机再次拌和，见图5，使水泥碎石混合料更均匀。

图4冷料斗下的电子秤

图5两台水泥碎石拌和机串联拌和

8.2.6新型羊足碾的应用及其奇特效果

新型羊足碾是指圆形钢碾轮表面密布着一个一个长方形或梯形断面凸块，凸块厚10cm。

图6表明新型羊足碾碾压后，土基表面密布一个一个长方形的凹坑。

利用这个特点，课题负责人向施工单位提出一项特殊要求：

在土基碾压结束前，再用羊足碾碾压几遍，使土基表面密布一个个凹坑，凹坑的深度约5~6mm。

在密布凹坑的土基上，铺筑二灰土底基层的下层和上层时，都重复上述工艺。

其效果是下基层碾压结束后，形成二灰土下层与土基互相紧固嵌入，两层二灰土互相紧固嵌入，水泥碎石下基层与底基层互相紧固嵌入。

总共57cm半刚性材料层与土基互相紧固嵌入，形成一个紧固的整体，见图7。

它与一层层互相粘结叠加在一起的作用有本质上的差别。

前者，哪一层都不是独立的，都不可能在其底面产生任何拉应力和拉应变，即哪一层都不可能产生破坏，它将保证路面结构是长寿命的。

而后者，一层层的底部都会产生拉应力和拉应变，哪一层都可能产生单独破坏。

图6新型羊足碾

图7半刚性材料层层间与土基互相紧固嵌入示意图

9.项目的经济、社会、环境效益及推广应用前景

我国已建高速公路中，约90%是半刚性基层沥青路面。

虽然设计使用期是15年，但多数高速公路通车后不到6~7年，路面就开始产生结构性破坏，需要翻开路面重建。

沥青面层往往2~3年后就产生显著的水破坏、泛油和辙槽，需要开始罩面或局部铣刨重铺。

不仅多花很多养护费用，而且对交通运输产生很大影响，使公路使用者的费用增加很多，造成的社会影响也不好。

如果我国新建和改建的高速公路设计使用期仍是15年，则在40年内，至少要翻修重建三次。

如今后新建、改建和扩建高速公路都按长寿命路面设计和施工，可取得很大技术效益、经济效益和社会效益。

长寿命路面的特点可简言为“一长（寿命长）、一多（常认为建设投资应稍多，但由于试验路沥青面层的厚度比生产路段的薄，油石比小，仅表面层用了改性沥青等，所以实际投资并不多，试验路建安费明显减少）、三少（大、中、小修的费用少；使用者费用少；全寿命周期总费用少）”。

9.1.试验路包括透层油、隔断层和两侧边坡垂直防水土工膜的共

3段，长2730m（不计小桥）：

1）12cmSAC-1859m

2）15cmSAC-1973m

3）18cmSAC-1897.8m

9.2.河北省交通勘察设计研究院最新提供的预算结果：

如将2730m正规试验路与对比路段合在一起共长4976m与相同长度的生产路段比较，则试验路节约250000元。

9.3.铺筑试验路增加的设备费用

1）粗集料单一粒级专用筛分机（含运费和安装费）共66万元；

2）增加12台电子秤，共31.2万元；

前述预算中未计入设备折旧费。

9.4竣工路面的技术效果

1）路面竣工后的弯沉测定结果表明：

试验路的路面承载能力大于正式生产路段，试验路可能使用40年以上，其表面层的维修周期可能不少于10年。

2）因受抢工和本应报废的沥青混合料拌和机等的影响，试验路沥青面层的质量未满足要求。

总之，21世纪新建或翻修重建高等级公路，其路面结构类型将主要是各种不同结构的长寿命沥青路面。

应该说，建设长寿命半刚性路面最符合十七大提出的又好又快的精神，也最符合实践科学发展观的要求。

它在我国将会迅速推广应用。

21世纪将是发展长寿命半刚性路面和路面技术水平全面快速提高的新时代。