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沥青路面结构层厚度与沥青混合料类型选择
发布日期:2010/4/1 11:50:53    浏览人数:3389

沥青路面结构层厚度与沥青混合料类型选择
我国高速公路沥青路面早期损坏的原因,就路面本身来说,除了沥青混合料抗水损害能力不足、路面压实度不够外,还有一个致命的原因就是沥青路面结构层厚度与沥青混合料类型选择不匹配,沥青路面结构层厚度至少应为集料最大公称尺寸3倍。我国表面层最常用的AC-16,AK-16或SMA-16,与我国表面层常用的厚度4cm相比,明显过大,从而造成沥青路面混合料容易离析、压实困难、空隙偏大,导致松散、泛油、剥落和坑洞等早期损坏。
    我国近年来修筑了许多高速公路,而一些高速公路的沥青路面在不同程度上都发现了一些早期破坏,如:松散、泛油、剥落和坑洞等现象,而这些现象的出现的主要原因,就沥青路面本身来说,可归结为沥青混合料抗水损害能力不足、路面压实度不够。我国《公路沥青路面施工技术规范》规定的水损害指标不足以防止水损害,因为马歇尔密度满足规范要求,路面空隙率仍可能超过8%。如果在马歇尔压实度的基础上规定了空隙率不8%,或者应用了较为科学的水敏感性评价方法,或采取了抗剥落剂的措施,那么是否可能避免这些早期损坏呢?回答是不一定的。因为我国沥青路面早期损坏,还有一个致命的原因就是沥青混合料类型与路面结构层厚度不匹配,由于集料最大粒径过大,公称尺寸集料偏多,因而造成混合料容易离析、压实困难、空隙率偏大,导致松散、泛油、剥落和坑洞等早期损坏。
1 现状分析⑵⑶⑷⑸
    《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ 032-94)规定:根据不同地区道路等级及所处层位的功能要求,从表7.1.3中选择适当的结构组合,并应遵循以下原则:
⑴综合考虑满足耐久性、抗车辙、抗裂、抗水损害能力、抗滑性能等多方面要求,根据施工机械、工程造价等实际条件选择;
⑵采用双层式或三层结构,至少有一层为型密级配沥青混合料;
⑶多雨潮湿地区宜采用抗滑表面层混合料;
⑷集料最在粒径宜从上至下逐渐增大,中粒式及细粒式沥青混合料用于上面层,粗粒式只能用于中下层;
⑸上面层沥青混合料的集料最大粒径不宜超过层厚的1/2,中、下面层及联结层的集料最大粒径不宜超过层厚的2/3。
    表1是规范中表7.1.3的一部份(高速公路和一级公路部份)。
表1 沥青路面各层适用的沥青混合料类型
结构层次      三层式沥青混凝土路面      两层式沥青混凝土路面
上面层      AC-13;AC-16;AC-20         AC-13;AC-16
中面层      AC-20;AC-30
下面层      AC-25;AC-30                        AC-20;AC-25;AC-30

按《公路沥青路面施工技术规范》(JTJ 032-94)条文说明第113页陈述:“根据与先进的国外标准尽社一致的原则,经组织国内专家多次协商讨沦,本规范考虑一次到位,按照日本、澳大利亚的规定,全部采用ISO565的R40/3系列的标准筛孔和按照我国习惯全部采用mm制。用于沥青路面矿料级配的筛孔为0•075、0•15、0•3、0•6、l•18、2•36、4•75、9•5、13.2、16、19、26.5、31.5、37.5、53、63、75、106mm等19个筛孔为标准筛孔”。加黑的筛孔尺寸是非标准筛孔尺寸,美国与澳大利亚的规范均没有16mm,31.5mm这两个筛孔尺寸;日本也没有16mm尺寸,但日本多出一个引31.5mm尺寸。
另外在规范2.1条术语中找不到关于集料最大粒径的定义,当然也在找不到集料最大公村尺寸的定义。从2.1.43~2.1.47关于砂粒式沥青混合料、细粒式沥青混合料一直到特粗式沥青碎石的定义中可以看出,最大集料粒径似乎就是混合料命名的尺寸。如细粒式AC-10和AC-13的最大集料尺寸分别为9.5mm和  13.2mm,中粒式AC-16和  AC-20的最大集料尺寸分别为16mm和19mm。这与规范中表7.1.2的定义是一致的。
但是如来研究一下规范表D.7沥青混合料矿粉级配及沥青用量范围(方孔筛),就会发现:如AC-16mm的通过率为95%~100%,也就是说还有5%的集料尺寸在于16.0mm,这种集料尺寸应称为什么尺寸呢?
根据美国Superpave的定义:集料最大公称尺寸为筛余第一次大于10%的筛号的上一级筛子定义为集料最大公称尺寸;集料最大尺寸:集料最大公称尺寸上一级筛号定义为集料最大尺寸。
根据这个定义检验规范表D.7中的AC-25Ⅰ和AC-16Ⅰ。先看AC-25Ⅰ,筛余第一次大于10%的筛号为19mm,19mm上一级筛号为26.5mm,称为集料最大公称尺寸,再上一级为31.5mm是非标准筛号,规范中所列的几个国家中只有日本一个国家有,美国、澳大利亚、西班牙均没有这个尺寸,26.5mm上边应为37.5mm这才是集料最大尺寸。再看AC-16Ⅰ,第一次筛余大于10%的筛号为13.2mm,它的上一级16.0mm定义为集料最大公称尺寸,它的再上一级为19.0mm,定义为集料的最大公称尺寸,由于规范中所有国家均没有16.0mm这一尺寸,按这些国家的规定13.2mm上一级应是19.0mm。

表2  表D.7中沥青混合料矿料级配及沥青用里范围(方孔筛) 筛孔尺寸/mm 31.5 26.5 19.0 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
AC-25Ⅰ 100 95~100 75~90 62~80 53~75 43~63 32~52 25~42 18~32 13~25 8~18 5~13 3~7
AC-16Ⅰ  100 95~100 75~90 58~78 42~63 32~50 22~37 16~28 11~21 7~15 4~8

如果说26.5mm和16.0mm为集料最大公称尺寸,按照经验的规定路面结构层最小至小应为集料最大公称尺寸的3倍。也就是说中面层AC-25至少7.5cm,表面层AC-16至少5cm。
我国现行高速公路的沥青路面结构层厚度与沥青混合料类别大体有下列几种典型结构,见图1。
图1 我国现行高速公路沥雷路
(1)            (2)            (3)            (4)
LH-20      5Cm            长平-13      4Cm            AC-16B      4cm            AK-13      3Cm
LH-30      6Cm            AC-20Ⅱ      5Cm            AC-25Ⅰ      6Cm            AC-20Ⅰ      5Cm
LS40      12Cm            AC-25Ⅰ      6Cm            AC-25Ⅱ      6Cm            AC-30Ⅰ      7Cm
(5)            (6)            (7)            (8)
SAC16      4Cm            AC-16Ⅰ      4Cm            SMA-16      4Cm            AK-16      4Cm
中密      4Cm            AC-25Ⅰ      5Cm            AC-25Ⅰ      6Cm            AC-20Ⅰ      5Cm
粗密      6Cm            AC-25Ⅱ      7Cm            AC-25Ⅱ      8Cm            AC-30Ⅰ      6cm

图1中的(1)是京津塘高速公路沥青路面结构图。京津塘高速公路沥青路面使用的LH20相当于AC-16,京津塘高速公路表面层是5cm。中面层LH30相当于AC-25,它的最小厚度应为7.5cm,由于北方雨量少,又是密级配,下面密度稍微差一些也不会象南方出现严重的水损害问题。下面层LS40相当于AC-35,它的最小厚度应是10.5cm。
图1(6)为南方某省正在建设的一条高速公路,AC-25沥青混合料的厚度只有5cm,由于集料太大、路面太薄,所以沥青混合料非常容易离析而且不易压实,将来路面很容易受损害。
图1中(3)为南方已建成的某高速公路,1996年通车,面层为AC-16B,为多碎石沥青混合料,由于级配远离最大密度线,空隙率较大,通车1年后就有局部水损害现象发生,个别路段中面层的沥青膜剥落殆尽,雨季时路面水损害十分严重。
图1中(4)为北方某高速公路,建好不到1年就发生了严重的早期破坏,如果上面层AK-13的路而厚度由3cm改为4cm,可能情况就会好很多。
除了京津塘高速公路以外,几乎所有高速公路的沥青路面结构层与沥青混合科类型相比,均不能满足集料最大公称尺寸3倍的经验法则。根据调查表明:表面层空隙率在6%~13%之间时,是发生水损害最危险的空隙率。因为空隙率大于13%时水很容易而走,空隙率小于6%时,水不容易流进去;而在这一范围的空隙率是水容易进而不容易出的状态,在行车作用下路面逐步压实,原来联通的空隙不联通了,这些空隙中的水在行车作用下产生空隙水压力,重车再加上超载车多,空隙水压力也大,更容易产生水损害,这也是一些高速公路在建好不久后就出现水损害的原因。
2 国外状况
德国沥青路面修订技术合同条件及及规范(德国交通部公路局)1994年版本中关于承重层(顶层,相当于我国沥青面层三层式的下面层)的混合料采用0/16的沥青混凝土,其铺筑厚度要求5.0~10cm。其结构层厚度与混合料公称尺寸的比为3.1~3.8。
作为表面层的热拌沥青混合料,铺筑厚度和结构层厚度与混合料公称尺寸比值见表3。
表3
混合料类型      0/16s      0/11s      0/11      0/8      0/5
铺筑厚度/cm      5.0~6.0      4.0~6.0      3.5~4.5      3.0~4.0      2.0~3.0
结构层厚度混合料公称尺寸      3.1~3.8      3.96~4.5      3.2~4.1      3.8~5.0      4.0~5.0
作为联结层的执拌沥青混合料(相当于我国的中面层热拌沥青混合料)铺筑厚度和结构层厚度与混合料公称尺寸比值,见表4。
表4
混合料类型      0/22      0/16      0/11
铺筑厚度/cm      7.0~10.0      4.0~8.5      只用于找平
结构层厚度混合料公称尺寸      3.2~4.5      2.5~4.3     
从表3、表4可以看出德国表面层沥青混合料比我国明显要细得多,即使是16mm混合料,最小厚度也是5.0cm,表面层结构层厚度与各种混合料公称尺寸的比值均在3~5倍左右。
澳大利来沥青混合料手册(1995年11月草稿)中规定结构层厚度至少为混合料公称尺寸的2.5倍,以便于压实。澳大利亚的热拌沥青混凝土有下列几种,见表5。
表5
公称尺寸/mm      5      7      10      14      20      28      40
典型层厚/mm      15~20      20~25      25~35      35~45      >45      >50      >100
结构层厚度/混合料公称尺寸      3.0~5.0      2.9~3.6      2.5~3.5      2.5~3.2      >2.3      >1.8      >2.5
用途  用于人行道和居民区      中等交通磨耗层      重交通磨耗层      最常用联结层和基层      很少用      广泛用于基层
从表5中可以看出澳大利亚沥青路面面层最常用的重交通面层为14mm沥青混凝土,其厚度35~45mm为公称尺寸的2.5~3.2倍,其名称为0/14,实际上集料最大公称尺寸为13.2mm,其比值也在2.7~3.4之间。
芬兰沥青规范连续级配热拌沥青混凝上(AC)共有6个类型,表面层:AC8、AC12;联结层:AC16、AC20/ACB20、AC25/ACB25;下面层:AC20/ACB20、AC25/ACB25以及AC32/AC32/ACB32。
可以看出芬兰表面层沥青混合料AC8和AC12比我国明显要细得多。
美国Superpave建议的混合料类型如表6。
表6
路面层位      集料最大公称尺寸/mm
表面层      9.5~12.5
联结层      19~37.5
底面层      25~37.5
根据1998年出版的Superpave施工指南的建议,作为经验法则,沥青路面结构层厚度应等于或大于集料最大公称尺寸的3倍,对于粗的混合料,这个比例还应增加。
    过去最常用的沥青路面结构层厚度的经验规则为2:1,层的厚度为集料最大尺寸的2倍,过去所谓集料最大尺寸是第一个100%通过率的筛号。
    现在新的Superpave,集料最大公称尺寸有明确定义,通常不可能100%通过这个尺寸,因此,过去19mm最大尺寸就是现在的12.5mm公称尺寸。因此,可以将过去2:1的最大尺寸可用现在的3:1的最大公积尺寸来替代。但由于我国级配尺寸增加了2个不规范的16mm和31.5尺寸,尤其是16mm尺寸,在使用上造成了极大的混乱。认为16 mm的上一级19 mm为最大尺寸,按19mm的2倍,4cm厚面层应该说是没有问题的,但是按16cm集料最大公称尺寸的3倍来计算4cm是不够的,问题就出在没有最大公称尺寸的定义,而且级配尺寸不规范。如果我们看规范的尺寸,最大公称尺寸13.2mm的3倍为39.6mm与最大尺寸和最大尺寸19mm的2倍38mm是差不多的,最大公称尺寸25mm的3倍为75mm与最大尺寸37.5mm的2倍也是一样的,但是31.5mm的2倍就只有63mm。AC-25沥青混合料过去一般人认为6cm就够了,这是错误的,这是因为26.5mm的上一档应该是37.5mm,所以结构层厚度至少7.5cm才足够。
3 结论与建议
    我国高速公路沥青路面早期损坏现象是普遍的,在某些地方甚至是很严重的。沥青路面早期损坏的原因是多方面的,有材料原因,有施工原因,也有管理方面的原因。一般认为施工引起的原因(如路面厚度不够,压实度不够等)是主要的,因为总可以找到一些施工方面的原因。为什么我们从材料、施工和管理各方面都十分认真,严格按规范要求去做,路面还会发生损坏?美国在二十世纪80年代按规范修筑的路面也发生了许多早期损坏,如车辙、剥落等等,这就是美国为什么会开展美国公路战略研究计划的原因他就是说要从传统的经验规范向性能规范发展。我们应认真学习美国的经验教训,少走弯路。
3.1结论⑵⑶⑷⑸    ⑴沥青路面早期破坏的原因很多,本文提到的沥青路面结构层厚度和混合料类型不匹配,只是其中的一个原因,但这是一个十分重要的原因,应该引起足够的重视。
    ⑵沥青路面结构层厚度与沥青混合料类型应相匹配,还常路面结构层厚度应是集料最大公称尺寸的3倍以上。
    ⑶我国的沥青路面表面层多采用AC-16、AK-16或SMA16,与常用的4cm路面厚度不匹配,是我国沥青路面产生早期破坏的重要原因之一。
    ⑷沥青表面层的功能主要为抗磨耗,因此也称为磨耗层,这一层同时要抗老化。因此可以选用优质沥青和集料,作者的观点是3cm厚度最经济,3cm的面层只能选用集料最大公称尺寸9.5mm的混合料。
    ⑸国外沥青路面表面层的混合料类型明显比我国最常用的混合料要细。
⑹世界沥青路面技术日新月异,新材料、新结构、新概念、不断涌现,特别是美国公路战略研究计划(SHRP)的研究成果-Sperpave技术更应引起我们的重视,并认真总结我们的经验教训,将我国沥青路面质量提高到一个新水平。
3.2 建议
(1) 建议立即对沥青混合料级配,尤其是对16mm的各种混合料进行深入研究。
(2)建议将车辙试验的试件厚度改成4cm,对16cm混合料进行试验看看将会发生什情况

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