基于路面使用性能分析和设计路面结构及路面材料技术在工程上的应用

姚建喜，杨 平

河南省公路工程局集团有限公司，河南 郑州 450000

我国高速公路建设起步晚、时间段、发展迅猛，在十几年的时间内，通车里程已近7万km，跃居世界第二位。造成高速公路路面早期损坏严重，根本达不到设计年限，通车三、五年就进行大中修。

1 基于路面使用性能对早期损坏现象机理分析

第一，半刚性基层引起收缩裂缝的反射缝问题，沥青面层较薄时半刚性基层开裂引起反射缝的问题。我国高等级公路经过十几年的建设，积累了丰富的经验，在路面结构方面形成了一种主流模式——半刚性基层沥青路面，但半刚性材料、沥青材料对温度和湿度变化比较敏感，在其强度形成过程中以营运期间会产生干缩裂缝和低温收缩裂缝。在路面交通荷载重复作用下，半刚性基层的干缩裂缝和收缩裂缝会扩展到沥青路面面层形成反射裂缝而具有弱点。路面裂缝不仅影响路面美观、减低平整度，而且会削弱路面的整体平整度。特别是路面开裂后水分通过裂缝渗到路面基层、底基层甚至土层，削弱基层、土层的强度，从而加剧路面的破坏，缩短路面的使用寿命。由于半刚性基层中细颗粒部分较多，比例一般超过20%。半刚性基层中的粗集料已经不能或很难形成嵌挤，完全成为一种悬浮密实状态。由于一般认为路面破坏是由于弯沉不足造成的，容许弯沉值随之不断减小，对半刚性基层的强度要求也不断提高。再加上不少施工单位、监理人员，总认为强度越高越好，只控制下限，不控制高限，使工程实际的半刚性基层强度更高，但又算不上贫混凝土。大量的工程实践证明，半刚性基层的强度过高将使基层开裂及反射性裂缝的问题更严重。这个问题在最近几年更加突出。

第二，唧浆问题，产生唧浆病害的原因，除了受气候条件影响外，主要还与路面结构类型、面层碎石级配、路基路面排水、超载车辆通行等有关。半刚性基层的强度主要来自于结合料的剂量和严格的压实(良好的压实本身是没有错的)，半刚性基层本身非常致密，几乎成为完全不透水的层次。但目前国、省道多数采用沥青碎石路面，沥青碎石路面由于空隙率大、抗渗性差，公路建成后，来自沥青层及基层的水将积存在基层表面，无法通过基层排走，受地表水侵蚀以及各种外因条件的影响，路面早期容易出现唧浆病害，进一步发展导致路面大面积破坏。而且我国路面及结构层排水长期以来不完善或者根本就没有考虑。当沥青层渗水不能通过基层扩散，滞留在基层表面的水将逐渐使基层软化，形成泥浆时，沥青面层越薄，作用到沥青层底部的荷载压力较大，在荷载作用下，基层表面越容易破坏。以往大部分高速公路沥青层的下面层常常采用空隙率较大的Ⅱ型沥青混凝土，甚至还有半开级配的沥青碎石，这一层厚度薄，集料最大粒径又大，离析比较严重，半刚性基层的灰浆逐渐充满下面层的空隙，并通过裂缝泵吸到路面上来，即产生通常所说的唧浆，成为沥青面层的早期损坏的重要原因。

第三，半刚性基层与沥青层之间的联结是个很大的困难。路面设计规范规定路面设计是按照界面完全连续的界面条件考虑的。但实际上，当沥青层渗水不能通过基层扩散，滞留在基层表面的水将逐渐使基层软化，形成泥浆时，沥青层和基层之间的界面条件将从想象中的连续状态变为滑动状态或半连续半滑动状态。我国在沥青层施工过程中往往不恰当地要求先将沥青层下面层修通，表面层又拖到通车前最后才铺。这中间开挖中央分隔带，埋管道、绿化、安装护栏等施工使路面污染严重，严重妨碍了沥青层成为一个整体，致使多条高速公路均不同程度出现了较严重的车辙，有些路段通车的第一个高温期就产生深度为10～50 mm的车辙，有的甚至达100mm以上，而且桥面上也过早地出现了车辙，远超出《公路沥青路面设计规范》 (JTG D50-2006)要求的使用期末车辙深度不大于15 mm。这不仅使路面平整度变差，影响行车安全，而且很快出现推移、网裂、坑洞、坑槽等早期病害。在这样的界面条件下，沥青层底部的弯拉应变将可能成为控制性指标，将有可能在荷载作用下早于基层首先发生弯拉开裂，并逐渐向上扩展，成为破坏的根源。

沥青层厚度薄、级配不合理、石料质量差、施工时的沥青混合料离析、压实不足，造成路面车辙、泛油、松散、沉陷。

2 基于路面使用性能的创新技术和管理在郑州至尧山高速公路上的应用

针对上述问题，借鉴国外SUPERPAVE经验，开展了对沥青路面厚度、沥青混合和半刚性基层的骨架密实型级配、路面材料、施工管理等高速公路沥青路面的成套技术的科研课题，并将科研成果应用到工程上，基本上解决了高速公路路面的早期损坏的问题，取得了明显的经济效益和社会效益。

1）路面结构

18cm、2.5%水泥稳定碎石底基层+36cm、3%水泥稳定碎石基层+1cm稀浆封层+10cmTAB下面层+7cmAK-16中面层+5cmAK-16上面层，上基层洒透层油，沥青面层之间洒粘层油。

运用旋转振动（GMT）技术，设计沥青混凝土、水泥稳定碎石的骨架密实型的配合比，控制沥青、水泥用量，使得沥青混凝土AK-13的密度达到2.48kg/cm。水泥稳定碎石的水泥用量控制在3%以下，其密度达到2.44 kg/cm左右，强度控制在4～5MPa。

2）路面材料

沥青下面层用70号沥青，稀浆封层、中上面层用BSB改性沥青，沥青软化点在65℃以上。粗集料碎石首先选开采有一定的时间，基本没有风化岩的石质为优质石灰岩的石料厂。再要求厂家对碎石设备、筛分设备进行改造。生产现场派驻监理，从石头爆破、到各级碎石都要派人捡除风化石。细集料采用优质机制砂和矿粉。

3）施工控制

拌合现场建石料大棚防止石料雨淋。拌和机要求为进口机械，生产能力300t/h，生产时拌和机每天都要打印拌合记录，由监理核对。拌和机吐出的粗细集料不准再用。

运输拌合料的车辆用保温布覆盖，摊铺现场使用拌和运转车向摊铺机供料。压实有专人监控压实温度。有一台摊铺机全半幅摊铺。

调整施工顺序，实现零污染。下基层施工后，先把中央分隔带内的排水、通讯、防撞护栏柱、填土，路肩土的填筑施工完毕，再进行上基层的施工。在上基层碾压完成后，立即洒透层油，并封闭交通至上面层施工完毕。

3 结论

郑州至尧山高速公路在交、竣工时，工程质量均被评为优良，平整度在当年通车河南省13个项目中排第二。在通车已两年多的时间内没有出现高速公路路面早期损坏。