最新版高速公路柔性基层沥青路面质量控制关键技术研究可行性研究报告.docx

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最新版高速公路柔性基层沥青路面质量控制关键技术研究可行性研究报告

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第一章概述

1.1本课题研究的背景及意义

我国幅员辽阔，地理气候及交通条件具有丰富的多样性，对于沥青路面使用特性的要求也千差万别，但纵观我国目前沥青路面建设的现状，路面结构型式存在着明显的单一性，设计上千篇一律，90％以上高速公路都采用了半刚性基层沥青路面，而且沥青面层厚度都非常接近，一般都是采用12～18cm（规范推荐厚度）。

这种地理气候及交通条件的多样性与路面结构型式的单一性形成了强烈反差，显然是不尽合理的。

传统的半刚性基层沥青路面结构型式，由于具有强度高、刚度大、施工方便、初期投资小等一些优点，在我国得到了非常广泛的应用，对促进我国高速公路沥青路面的迅速发展起了非常巨大的作用。

但薄沥青层的半刚性基层沥青路面在使用过程中，也暴露出了一些问题，如反射裂缝较严重、裂缝引起基层积水、唧泥、翻浆等问题，特别是传统路面中半刚性基层是主要承重层，容易产生结构性破坏，其维修往往要从基层开始，需较长时间和较大费用，对交通影响大。

对于传统强基薄面的路面结构型式，我们不应该教条式的盲目套用，当然更不能全盘否定，而是应该客观地分析其适用条件和优缺点。

同时，更应针对不同的交通、地理和气候等条件，积极探索在传统结构型式之外，是否还有其他合理的路面结构，从而丰富我国的路面结构型式。

柔性基层沥青路面，在我国早期的公路建设中也曾经得到过广泛应用，但当时面层采用沥青混凝土的很少，大多只是在碎石基层上进行简单的沥青表处或贯入，结构整体强度不足，抗疲劳和抗车辙性能都很差，之后就开始大量采用半刚性基层。

在国外，柔性基层沥青路面是被普遍采用的一种路面结构型式，国外多年的实践表明这种较厚沥青层的柔性基层沥青路面结构具有以下优点：

（1）较厚的沥青面层可减小沥青层底部拉应变，降低其产生疲劳开裂的可能性，同时可延缓裂缝发展过程，从而延长路面的使用寿命；

（2）沥青层较厚的柔性基层沥青路面不象薄沥青层半刚性基层沥青路面容易发生结构性破坏，车辙和裂缝等路面的损害主要发生在沥青层表面，因而在路面维修及重建中不必从基层开始，只需对表面沥青层进行周期性更换或维修，可极大的减小工程量，缩短工期，从而节约养护费用，减小对既有交通的影响；

（3）较厚沥青层可降低水分渗入基层和底基层的可能性，减少水损害的发生；

（4）级配碎石柔性基层通过合理设置可作为排水层，可减少路面的水损害；

（5）柔性基层几乎不产生反射裂缝，可以克服半刚性基层容易引起反射裂缝的缺点。

国外柔性基层沥青路面已经应用多年，取得了较好的效果，并且对柔性基层结构进行了较多的研究，近期对长寿命沥青路面结构的研究成果也非常值得国内借鉴。

当然，由于国外的荷载类型、地理条件、气候条件等与我国有较大的差异，云南省更是有自身特殊的地理气候条件，简单地照搬照抄国外经验显然不行，有必要在充分借鉴国内外的先进研究成果和成功经验的基础上，充分结合我国的实际情况，开展柔性基层沥青路面结构、材料及施工工艺方面的研究。

平锁高速公路是国道主干线GZ75（衡阳-南宁-昆明公路）位于云南省境内罗村口至昆明公路的重要段落，是云南省列为“九五”和“十五”期间改造的六条主要公路之一，对云南省乃至大西南经济发展起着十分重要的作用。

全长59.55Km，设计交通量：

2025年远景交通量为52898辆/昼夜。

原设计路面采用半刚性基层沥青混凝土结构，二阶段设计时将K67+202.10～K82+300全长16420米及平远互通式立交区域的路面结构调整为柔性基层路面结构：

4cmSMA-13+8cmSup-20+8cmSup-25+13cmATB-25+35cm骨架密实型级配碎石。

本项目拟通过平锁高速公路柔性基层沥青路面的铺筑，成功总结出柔性基层沥青路面各结构的材料要求和组合设计方法，使设计出的各结构层符合相应的功能要求。

并对各结构层的施工工艺进行总结，提出“施工指南”，为我省铺筑柔性基层沥青路面提供技术支持。

同时，通过两种结构形式（半刚性基层和柔性基层）的使用对比，提出柔性基层沥青路面适用的条件和范围。

1.2国内外研究和应用现状

1.2.1国外高速公路常用的路面结构形式的特点

欧美日等发达国家由于气候、地理、交通以及经验的不同，路面结构型式也各有差别，但总体来说主要具有以下特点：

（1）国外高速公路沥青路面结构型式多样，除了半刚性基层沥青路面外，采用得更多的是沥青碎石、级配碎石等柔性基层。

（2）国外高速公路沥青层（包括沥青面层和沥青稳定层）一般较厚，大部分超过20cm。

（3）国外水泥稳定的半刚性结构层一般不用作基层，而是作为底基层使用。

如日本的高速公路有不少采用了水稳碎石的底基层，但基层采用了15～20cm的沥青碎石，面层则为10cm的中粗粒沥青混凝土，沥青层厚度为20～30cm。

1.2.2国外柔性基层沥青路面研究

如前所述，国外柔性基层沥青路面结构是最常用的路面结构形式之一，经过多年的应用和研究，各国都形成了有自身特色的材料设计和结构设计方法。

在早期修建的柔性基层沥青路面中，一部分虽然承受了繁重的交通，但仍提供了良好的服务性能和使用寿命。

如在2002年，美国沥青路面联盟对使用寿命超过35年的爱荷华州东80号州际公路两个路段、巴尔的摩华盛顿国际机场的两个飞机跑道等九个路段授予“永久性路面奖”[1]，这些沥青道面都是在35年前修筑的，其间仅进行过有限次的周期性表面恢复,在经受了长期、繁重的交通荷载作用后，仍然表现出优异的使用性能，应该说这是卓越设计与高质量施工相结合的典范。

通过对这些路面工程的回顾和评价，欧美等国提出了长寿命沥青路面（long-lifeasphaltpavement）或永久性路面（perpetualpavements）概念。

所谓长寿命沥青路面，即沥青路面使用40年以上不发生路面结构损坏也不需要进行结构性维修，而只需要每隔一段时间（10年左右）对路面面层进行功能性维修，被认为是一种具有广泛应用前景的沥青路面结构型式[2][3],这种路面结构形式具有以下特点：

①路面的损坏只发生在表面层，如表面开裂和车辙，不存在结构性破坏；

②在养护维修上，只需要根据表面损坏的状况进行表面层的日常养护和更新，不需要进行结构性大修，表面层的养护和更新一般都能通过合理的施工组织在短时间内完成，甚至只需要在交通量较小的夜间进行面层铣刨和更新，白天开放交通，对道路交通影响很小。

近年来，为了达到长寿命的目的，在欧洲，特别是在英国，铺筑于一层或多层粒料层上的厚沥青路面的所谓“长寿命路面”观念已获得广泛接受，建议在设计长寿命的沥青路面时，即使是轻交通，沥青面层的厚度也不应低于20cm，对于设计寿命为40年的沥青路面厚度大致应在28～35cm之间。

法国1998年的道路理事会目录列出了适用于2000万当量轴载（130kN）的两种全厚式沥青路面结构：

常规沥青混凝土路面总厚度达36.5cm，而使用硬沥青的热拌沥青混凝土路面总厚度也达到了27.5cm[4]。

在美国，伊利诺斯州立大学、州运输部、热拌沥青混合料工业界正在共同开发永久性沥青路面设计方法；密歇根州、威斯康星州、德克萨斯州等也在进行着同样的工作[5]；而加州大学伯克里分校与热拌沥青混合料工业界一起，提出洛杉矶的710号州际高速公路特重交通段的水泥混凝土路面的修复战略，其设计寿命为30～40年，其中全厚式重建沥青路面结构方案采用的沥青面层总厚度为32.5cm，采取罩面设计的修复方案的沥青面层总厚度为22.5cm[6]。

加州在I-710公路修筑的一段长寿命沥青路面结构组合为：

2.5cmOGFC+7.5cm改性沥青混合料＋15cm沥青混合料（采用较硬的沥青提高抗车辙性能）＋7.5cm沥青混合料（沥青用量比最佳用油量提高0.5%，以提高抗疲劳性能）；结构要求沥青混合料的底层拉应变小于70με，路基顶面压应变小于200με，以满足永久性路面的抗疲劳抗车辙性能要求[6]。

伊利诺斯州一个由运输部工程师、学者、建筑商、供应商组成的团队对长寿命沥青路面的结构设计、材料选择、施工进行了研究，于2000年提出了一个延长沥青路面使用寿命的草案，提出的长寿命路面结构组合为：

5～15cm改性沥青SMA混合料＋密级配沥青混合料（厚度根据结构计算确定）＋10cm低孔隙沥青混合料（采用Superpave方法设计，设计空隙率2.5％）；基层采用30cm石灰土或粒料基层；要求沥青混合料底层拉应变小于60με[7]。

目前美国许多州如加州、德州、伊利诺斯州、密歇根州、肯塔基州等都开展了长寿命沥青路面的研究，并修筑了试验路[8]~[10]。

1.2.3国内柔性基层沥青路面结构和材料的研究现状

柔性基层沥青路面，早期在我国的一些非高速公路的省道或国道上也曾经得到过广泛应用，如：

（1）广西321国道南宁三塘至五塘段旧路面改造采用了柔性基层，路面结构为：

5cm沥青碎石+1cm封层+17cm级配碎石+10cm未筛分碎石+原路面。

1989年竣工后，到1997年未进行大中修，虽然路表弯沉已大大超过容许弯沉，但除了由于路基下沉导致路面部分损坏外，路面状况完好[11]。

（2）国道322线南宁～梧州二级公路采用类似结构，到1997年路面良好，路面平整、无坑槽、无车辙。

使用8年未进行大中修。

玉林－山口二级公路4.8km倒装结构试验路，路面结构厚度为3cm沥青表面处治+10-15cm级配碎石层过渡层+17-24cm掺5％的水泥稳定山砂砾。

试验路于1990年10月份竣工，该路段日混合交通量超过6000次且在有大量超载的煤矿车通行下，使用至2000年才罩面中修，路面使用期间无横缝，处于良好状态[12]。

（3）北京市101国道京沈路（京密一级公路）、老107国道、京周公路等铺筑于20世纪70年代，沥青层大部分是贯入式路面或上拌下贯式路面，面层厚度一般不到10cm，天然砂砾和碎石基层材料也很不规范，但都经过约10年才开始第一次加铺罩面[13]。

柔性基层沥青路面在我国高速公路的应用，最早始是广深高速公路，其路面沥青层厚32cm（面层22cm+10cm沥青碎石上基层），下基层采用23cm水泥稳定碎石，底基层采用23cm的级配碎石，垫层为厚22～32cm的未筛分碎石。

与广深高速几乎同期建设的京津塘高速公路1993年全线通车，该公路路面沥青层厚23cm，其中包括12cm的沥青碎石上基层。

从使用情况来看，这两条高速公路早期破坏现象较其他高速公路少。

2002年5月起对广深高速公路全路段的路面进行了检测，裂缝类的破坏比较少，较厚的面层对防止反射裂缝、疲劳裂缝的产生起到了至关重要的作用，从而也减少了路面因裂缝而产生的各类早期破坏现象。

1990年9月正式开工，1995年12月全线竣工通车四川成渝高速公路，共铺筑了140km级配碎石基层的沥青路面，其结构为5cm沥青混凝土＋7cm沥青碎石，基层为20cm级配碎石。

自1993年通车以来，半刚性基层和柔性基层沥青路面都发生了不同程度损坏。

2001年调查发现部分柔性基层路面部分路段发生了破坏，主要是因为使用了极易风化的泥质页岩，遇水后软化，致使路面破坏，但仍有40余公里的柔性基层沥青路面，由于采用了合格的级配碎石材料，使用良好，基本没有产生裂缝、车辙、水损害等病害[11]。

在上述3条高速公路修建之后，强基薄面的设计思想在国内得到普遍应用，修建的高速公路沥青路面基本上都采用了半刚性基层沥青路面结构，2006年底高速公路通车里程已突破4万公里，其中绝大多数都采用了薄沥青层或较薄沥青层的半刚性基层沥青路面结构。

这种强基薄面的半刚性基层沥青路面结构，基层一般采用水泥稳定粒料、石灰稳定粒料等半刚性材料，而沥青面层厚度则大部分都在12～20cm范围内。

该路面结构基本满足了近十年公路交通运输的高速发展需要，极大减轻了过去公路上的网裂、龟裂，尤其是翻浆、沉陷、鼓包等严重病害。

然而，国内高速公路建设实践表明，沥青路面普遍存在着如开裂、水损害、抗滑性能不足、车辙等早期损坏现象，造成了巨大的经济损失和不良的社会影响。

除了设计、施工方面的原因外，半刚性基层材料和沥青面层材料性能差是导致沥青路面早期损坏的重要原因。

半刚性基层材料抗冲刷性能和抗裂性能不足是导致沥青路面开裂、水损害等早期破坏的直接原因之一。

为了解决这类早期破坏现象，可以采取两种措施：

一是采用抗裂性能和抗冲刷性能较好的半刚性基层，充分挖掘半刚性基层应用潜力，最大限度地提高半刚性基层抗裂性能和抗冲刷性能；二是采用柔性基层。

2004年，一些大学和研究机构为了提高路面的使用寿命开始进行柔性基层的研究，陆续开始在河北青红高速公路、重庆武合高速公路等高速公路上尝试性地铺筑柔性基层沥青路面试验段。

2004～2005年，江苏沪宁高速公路、江苏省沿江高速公路、广东省云浮河高速公路等铺筑了各种不同结构形式的柔性基层沥青路面结构试验段。

国内对柔性基层研究刚刚起步，对其配合比设计和路用性能缺乏系统的研究。

因此，有必要深入开展半刚性基层和柔性基层材料的合理组成设计、参数、性能与工艺的研究，优化现有路面结构，以适应不同自然气候特点及交通组成的要求。

1.2.4柔性基层的定义及本项目采用的柔性基层

国内对于沥青路面结构的分类比较混乱，如柔性基层沥青路面、半柔性基层沥青路面、全厚式沥青路面、组合式基层沥青路面等等。

国内对于柔性基层的定义也各不相同，有的认为柔性基层包括级配碎石等粒料基层，也包括沥青碎石基层，有的则将沥青碎石层单独称为联结层。

实际上，就柔性基层沥青路面的概念而言，在国内更多地是为了区别过去传统的半刚性基层沥青路面而提出来的，因此，本项目研究所指的柔性基层是采用柔性的级配碎石等粒料材料+沥青碎石等沥青稳定材料的沥青路面基层结构。

1.3课题的研究内容及技术路线

1.3.1研究内容

本项目研究开展了各结构层的配合比设计、路用性能研究、施工工艺及质量控制研究、技术经济分析等四方面的研究工作。

（一）配合比设计

级配碎石混合料结合设计规范及施工规范，设计3种级配的混合料，以最大干密度及最大CBR值为判别指标，选取本项目的设计配合比。

沥青混合料以2004年《沥青路面施工技术规范》沥青混合料配合比方法为基础，根据该路段的气候及交通条件选择不同的材料组成，设计3种混合料，比较其马歇尔技术指标，并在后面的路用性能研究中进行对比研究，提出各结构层的级配范围及目标配合比。

（二）路用性能研究

在完成配合比设计的基础上，检验的设计混合料的抗变形能力（高温稳定性）、水稳定性能等。

重点放在各结构层的抗变形能力的的检验上，方法主要有两种：

对级配碎石采用击实试验、CBR试验获取最大干密度，并通过试验路铺筑测定其真是的干密度进行检验。

对于沥青混合料采用车辙试验（包括变温车辙试验）进行检验。

（三）各结构层施工工艺及质量控制技术研究

通过试验路段的铺筑，总结各结构层的施工工艺及质量控制方法。

（四）平锁半刚性基层沥青路面和柔性基层沥青使用效果对比

通过对两种结构形式的成品进行检测及通车一段时间后的路用性能指标检测，比较两种类型的路面结构的使用效果。

1.3.2技术路线

资料查询—专题调研—形成研究大纲—开展专题研究—各结构层的配合比设计研究—沥青混合料的路用性能研究—试验路铺筑—施工控制研究—路面ch成品检测—路面使用一段时间后检测—编写研究报告—申请验收。

1.4研究报告概况

本研究报告总结了课题研究的全部内容和实体工程铺筑情况，主要取得了以下研究成果:

1、为平锁高速公路一合同段设计了柔性基层沥青路面各结构层混合料的配合比，并检验了其性能。

从各检验指标得到课题组所设计的各结构层混合料的级配范围是合理的，各结构层混合料具有较强的抗永久变形性能和抵抗轮载直接作用的能力。

2、通过柔性基层路段路面和半刚性基层路段路面的渗水试验检测、车辙检测、平整度检测、弯沉检测、抗滑性能检测等结果的对比分析，证明经过正确设计和优质施工的柔性基层沥青路面结构，其整体抗车辙性能并不比半刚性基层沥青路面结构差，甚至有可能更好。

3、通过试验路及实体工程的铺筑，编写出了较全面的柔性基层沥青路面的《施工指南》，可以用于指导云南铺筑柔性基层沥青路面。

4、通过该课题的研究和全方位的柔性基层施工的指导和监控，高质量地铺筑了云南最长里程的柔性基层沥青路面，提高了云南高速公路的修建技术。

第二章各结构层的配合比设计

2.1结构形式

平锁高速公路K67+202.10—K82+300全长16420米及平远互通式立交立交区域采用柔性基层结构（见下图），其余路段采用半刚性结构。

图1柔性基层路面结构图

2.2级配碎石混合料配合比设计

1集料检验

优质级配碎石基层强度主要来源于碎石本身强度及碎石颗粒之间的嵌挤力。

因此，对于级配碎石基层应保证高质量的碎石，有研究表明【1】集料中小于0.5mm含量及其塑性指数对级配碎石的力学性质有明显的影响，因此本路段规定小于0.5mm的细料应无塑性，如果确实难以做到，则塑性指数要求小于4。

的m5anli半刚性基层抗裂性能和抗冲刷性能；二是采用柔性基层，________________________________________________________________________________________________

本项目采用金银洞石料场的1#料，2#料，3#料，4#料，检测的结果见表2.2-1，从表中可以看出，集料各项指标均满足设计要求。

表2.2-1集料性质检测结果

检验顶目

试验结果

技术要求

试验方法

1#

2#

3#

4#

石料压碎值（%）

19.3

≤26

T0316

针片状颗粒含量（%）

2.25

3.3

3.2

—

≤20

T0312

细集料水洗法<0.075mm颗料含量（%）

0.76

0.57

0.77

1.41

≤7

T0302

塑性指数（%）

1.4

≤4

T0118

2级配碎石的级配设计思路和设计结果

级配是影响级配碎石强度和刚度的重要因素。

一般来说，密实的级配易于获得高密度，从而使级配碎石获得高的CBR值和回弹模量。

本项目级配碎石级配设计思路就是使设计出的级配碎石其级配能获得最大密度的集料，并具有良好的透水性。

关于级配碎石的级配范围，我国《公路路面基层施工技术规范》（JTJ2.2-2位和骨架结构提出了级配组成范围如表2.2-3所示。

筛孔尺寸（mm）

通过率（％）

级配范围1

级配范围2

37.5

100

——

31.5

90～100

100

19

73～88

85～100

9.5

49～69

52～74

4.75

29～54

29～54

2.36

17～37

17～37

0.6

8～20

8～20

0.075

0～7

0～7

筛孔尺寸（mm）

通过率（％）

上基层

基层

底基层及垫层

级配范围1

级配范围2

级配范围3

级配范围4

级配范围5

级配范围6

级配范围7

37.5

100

95～100

100

31.5

90～100

100

100

85～95

85～100

100

26.5

100

79～95

90～100

85～95

75～90

65～85

80～100

19

60～85

75～95

66～80

60～82

16

85～100

53～80

66～88

44～56

53～78

42～67

56～87

13.2

48～74

59～82

37～48

48～74

9.5

60～80

40～65

46～71

31～41

40～65

20～40

30～60

4.75

30～50

25～50

30～55

28～38

25～50

10～27

18～46

2.36

18～40

18～40

18～28

18～40

1.18

15～30

13～32

13～32

12～20

13～32

8～20

10～33

0.6

10～20

9～25

9～25

8～14

9～25

5～18

5～20

0.3

6～20

6～20

5～11

6～20

0.15

3～13

3～13

3～9

3～13

0.075

0～5

0～7

0～7

0～6

0～7

0～10

0～10

备注

防治反射裂缝两过渡层

连续型

骨架密实型

连续型

骨架型

连续型

由于37.5mm最大粒径的级配碎石混合料比31.5mm最大粒径的混合料容易离析，因此实体工程中级配碎石基层考虑采用31.5mm作为最大粒径。

初拟级配采段所备集料3＃、4＃料偏细，无法逐级填充达到骨架密实型的要求，当骨架形成时，孔隙率始终偏大，混合料不能获得最大密度的集料。

综合考虑离析和抗变形性能的影响因素，经多次试配，本项目最终以JTJ034规范中级配2为控制范集料掺配比例为1#料:

2#料:

3#料:

4#料=10%:

28%:

18%:

44%目标级配,该级配集料密度为2.307g/cm3,最佳含水量3.7%。

采用《公路土工试验规程》（JTJ051-93）中CBR承载比试验方法浸水96小时CBR值为193.0%。

级配组成如表2.2-4和图2.2-1所示。

表2.2-4级配碎石设计级配组成

通过下列筛孔子（mm）的质量百分率（%）

筛孔

31.5

19.0

9.5

4.75

2.36

0.6

0.075

级配范围

100

85-100

52-74

29-54

17-37

8-20

0-7

设计级配

100

91.2

65.7

47.4

32.3

15.7

4.9

掺配比例

1#料:

2#料:

3#料:

4#料=10%:

28%:

18%:

44%

图2.2-1设计级配示意图

2.3ATB-25沥青碎石混合料配合比设计

2.3.1目标配合比

1集料检验

ATB-25采用水城石料场提供的1#料、2#料、3#料、4#料、矿粉，检测的结果见表2.3-1、2.3-2，各项指标均满足设计及规范要求。

表2.3-1集料性质检验结果

检验项目

试验结果

技术

要求

试验方法

1#料

2#料

3#料

4#料

洛杉矶磨耗损失

21.1

≤30

T0317

针片状颗粒含量（%）

4.0

---

---

---

≤15

T0312

---

6.0

---

---

≤15

---

---

3.6

---

≤20

坚固性（%）

---

7.4

≤12

T0314

压碎值（%）

21.0

---

≤28

T0316

砂当量（%）

---

65

≥60

T0334

软弱颗粒（%）

1.4

≤5

Y0320

粗集料与沥青的粘附性（级）

五级

≥4

T0616,T0663

表2.3-2矿粉性质检测

项目

单位

实测

规范要求

试验方法

表观密度

t/m3

2.57

≥2.50

T0352

含水量

%

0.6

≤1

T0103

粒度范围

%

100

＜0.6mm

T0351

外观

--

无团粒结块

无团粒结块

--

亲水系数

--

0.5

＜