高速公路大修工程路面结构及材料设计研究

邓斌

（广东华路交通科技有限公司，广东 广州 510420）

0 引言

随着中国国民经济跨越式发展，高速公路交通保有量急剧增加，导致高速公路面临各种不同形式的损害，严重影响车辆运行的安全与舒适。为有效改善公路的运营品质，在实施养护时，施工单位应将工作重心放到改善高速公路的性能和对废弃材料的处置上。因此，对高速公路大修工程路面结构改建及材料设计进行研究，具有较大的现实意义。

我国高速公路网逐步完善，对高速公路的投资逐渐由建设转向养护。早期建设的高速公路已达到设计维护期限，20 世纪90 年代末修建的老路面及沥青路面已经超出设计使用期限，损毁较为严重。因此，对高速公路的特征、损伤特性、保护状况、建设项目的交通因素等进行统计分析，对水泥混凝土路面和沥青路面进行修复改建，增加路用特性和行车的舒适程度，是当前高速公路修复改建工作中亟待解决的问题[1]。对高速公路的修复改建，不仅要兼顾提高老路面的结构特性，还要提高行车的舒适性。同时，还须对废弃材料进行管理及再利用，特别是对废弃沥青路面中的耐久性材料的处置。废弃材料含有大量有毒化合物，降解速度慢，还会严重污染土壤和水体；因此在旧路面养护施工中，对沥青路面废弃材料的管理与使用至关重要。

1 工程概况

某高速公路建于2008 年，随着车流量的不断增加，路基损坏严重，已难以满足汽车负载的需要。沥青混合料的抗压能力对沥青用量极为敏感，尤其是在沥青用量较大时，一旦沥青混合料内部的自由沥青量不足，则会导致沥青层偏厚，集料颗粒内部的黏聚性和附着力降低，在受到车辆荷载时，轨辙能力会偏大。目前，该高速公路已开通多年，承载着该区域内重要的交通流量。然而，汽车数量已明显超标，特别是高速大货车比重较高且超载情况较突出。随着汽车数量和轴载的增长，原高速公路的损坏情况越来越严重，导致服务质量不断降低，事故越来越多，已无法满足日益增长的汽车负载要求。该高速公路的交通组成状况如图1 所示，水泥混凝土承载能力相关指标检测结果见表1。从2022 年开始，该高速公路启动了改造项目，经过实地考察和分析，确定了该高速公路的路面结构改建方法。

表1 某高速公路水泥混凝土承载能力相关指标检测结果

图1 某高速公路交通组成状况

2 高速公路路面结构改建方法选择

2.1 水泥混凝土路面结构改建方法

水泥混凝土路面结构的改建方法通常包括两种。一是“白改黑”的路面结构改建方法。这种路面改建方法首先将原有的水泥混凝土路面全部铲除，再铺设一层沥青混合物，使之重新形成高速公路路面，原来的水泥混凝土路面便从刚性转变为柔性沥青路面[2]。二是“白加黑”的路面结构改建方法。这种路面改建方法主要是以原来的水泥混凝土路面为基底，并对旧的水泥混凝土板块进行灌浆处理，确保水泥路面厚度一致，再直接摊铺沥青面层。相比于全面拆除原有路面重新铺设的方法，这种改建方法可以大幅度节约时间和成本，并对原有路面的破坏程度较小，适合于在车流量较大、维护工期较短的情况下进行道路改建。

该高速公路的沥青路面破损严重，原因有几个方面。首先，由于目前交通量较大，且重载车辆较多，导致旧沥青路面损坏严重，尤其是宽域沥青段。其次，原有公路的沥青路面结构保护层厚度偏薄，沥青面层总厚度仅为10cm，路基结构总厚度为60cm。最后，大部分公路使用普通的石油沥青，抗疲劳性和抗车辙能力不足，部分公路的整体承载能力严重欠缺，且弯沉值较大。针对该高速公路的交通量负荷状况和原有公路的实际状况，通过比较新旧沥青路面的应用要求和结构性能特点，选择不同的病害处治方法。

2.2 沥青路面结构改建方法

2.2.1 沥青路面结构改建方法分类

目前，沥青路面结构的改建方法通常分为两类。

一是保留老旧的水泥混凝土路面，并进行病害处治后再进行补铺的方法，称为复合式路面结构改建方法。

二是对原有沥青路面结构破损处治之后，再直接加铺混凝土路面或半刚性补强层+沥青层，形成半刚性基层混凝土路面或混合地基水泥沥青路面的结构形式；该改建方法包括多锤头碎石化、共振瓦砾、新门板粉碎、旧混凝土面破碎复原等方法，并根据路面的不同情况进行选择和应用，以达到最佳的改建效果。这些方法在改善路面的承载能力、提高路面的平整度和耐久性等方面都有着显著的效果。

2.2.2 沥青路面结构改建方法选择

通过对该高速公路的交通规模、公路组成情况、新旧混凝土路面的磨损状况、处治方案、交通要求、沿途筑路条件、水文地质情况等因素的综合评估，最终选定了合理、实用、符合大修后使用年限、性价比最高的新旧混凝土路面处治及混凝土加铺面大修的改建方法。

2.2.3 实际改建情况

在实际改建沥青路面结构时，需根据高速公路原有水泥混凝土的实测路况以及高速公路水泥混凝土路面层的测量数据，制定有效的改建方案。在方案设计时，需从寿命周期价值进行综合考量，确保高速公路至少15 年的使用寿命，以作出更具性价比的选择。该项目应用了厂拌冷再造技术，在进行厂拌冷再造处理之后，加铺混凝土层罩面。厂拌冷再造主要是将水泥沥青路面的铣刨废弃物运至拌制厂，经过粉碎、筛分后，根据规定的配比和新集料、高活性填充料等进行混用[3]。这项技术主要应用在公路改建项目的基层和底基层部分，能够高效处理旧料、废气和环境污染问题。该改建方法特别适用于混凝土面层损坏严重、承载能力不足的地段。在改建过程中，施工人员需将原有的混凝土面层分离，铺上新面层，并进行病害处治。通过适当配比设计，可以得到优良的热再生沥青混凝土产品，以提高路面的承载能力和耐久性。

3 高速公路大修的路面结构工程

3.1 粗细集料的选择

在该项目中，粗集料的选用非常重要，须具备组织牢固、硬度大、耐磨性高的特性；为此，可以选用相应的瓦砾材质和玄武岩作为粗集料。此外，还可采用硬度大、黏着力强的石灰岩碎石作为中基层的改性沥青材料，同时也可将部分老旧的沥青混合料掺入中基层的集料颗粒中。在使用厂拌冷再生技术时，需对原料进行准确配比，并经搅拌均匀后，以确保再生后的混凝土材料质量符合要求。

在粗集料的选用上，需选用由石灰石加热后磨成的石灰石或机制砂，优质的机制砂可直接应用于改性沥青的上面层，而中下面层则可采用岩屑料。在粗集料的选择中，还需确保天然砂石、人工砂、石灰石等成分的含量，同时粗集料粒度中的天然有机质含量不得超过5%，塑性指标宜小于5%，液限宜小于33%。在连续配筋混凝土细集料中可使用河砂，在粗集料中则可采用经旧混凝土板粉碎后的再生粗集料。粗集料粒度的最大碾碎值不得超过1/3，单个颗粒的最大粒径不得超过33mm。在选择粗细集料后，还需对矿粉石进行过滤。在该路面施工项目中，所使用的矿粉石需由4.8mm 以上的石灰石磨制而成，在磨制的过程中还需保证矿粉的新鲜度。

3.2 废旧材料的处置

在高速公路的维修工程中，不可避免会产生一些废旧材料。对于废旧材料的处置，必须遵循一定的处置原则，选择适当的处置方法。在处置原则方面，应确保高速公路大修工程中大部分废旧材料可用于路面改建，如废旧沥青、砂石废料等。在处置方法方面，若采用直接添加的方法，则需根据路面具体的要求，添加少于1/3 的废旧材料，其余废旧材料则可作为路面下层或地基材料。同时，需要限制施工人员乱扔垃圾，并配备洒水车，以防止施工过程中对周边环境的破坏。从效果来看，利用废旧材料可以节省运输费用，充分利用再生资源。废旧材料利用技术主要包括就地冷再生技术、就地热再生表面翻修技术以及场拌再生技术。在废旧材料“变废为宝”的过程中，需制定符合现阶段实施要求的技术标准，并进行反复验证。

4 材料设计比选优化

4.1 填充物以及添加剂使用

用于高速公路大修工程的沥青混合料，通常由沥青、矿粉、骨料等混合而成，为保证路面质量，碎石材料的直径应在5.34mm 以上。沥青的黏度对路面质量也至关重要，因此混凝土面层的混合料应具有高黏度和良好的高温性能。若不添加外掺剂，则必须全面调整改性沥青工艺条件，确保最低温度不低于70℃，弹性恢复不低于85%。若下面层继续使用混凝土，则应符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）中的a 级—90 号混凝土的标准要求，并将针入度限制在80～90 之间。

沥青混合料通常由沥青、矿粉、骨料和其他添加剂混合而成，其强度与沥青层的厚度有直接关系。若沥青层过厚，则会形成自由沥青层，影响集料颗粒内部的相互嵌挤，并降低沥青混合料的抗剪强度，在城市重载交通的作用下，极易产生车辙[4]。因此，针对高速公路的重载通行路段要求，在孔隙率符合要求的范围内，建议比对中、下面层的最佳沥青用量减少0.1%左右，作为合理的沥青设计用量。

随着国外公路工程科技的发展，越来越多的新型添加剂被应用到公路工程中[5]。为应对公路中存在的车辙等特殊情况，研制出了较多新型制品，如抗车辙剂。在横向坡度超过5%以上的大横向坡度公路或者高重载公路的中基层和上层沥青混合料中，应添加抗车辙剂，以改善沥青路面的耐久性、抗车辙特性，同时不会降低施工和易性。例如，添加抗车辙剂时，要求改性沥青的软化点不低于65℃，弹性恢复不低于80%。为改善路面摊铺的施工效果，要求在路面下面层摊铺时添加聚酯纤维，以增强耐受性。

研究人员需针对该工程的预测交通量、公路结构状况和工程所在区域的自然气象特征等，在规范推荐的基础上，完善级配标准，从而使沥青混合料技术指标适应该区域的自然特性。

4.2 废旧材料的综合利用策略与方法

目前，在我国高速公路大修工程中，“绿色环保”和“循环低碳”已成为主旋律，因此“变废为宝”备受关注。为实现有效处理建筑垃圾、减少石灰使用量、避免扬尘污染等目的，多个省市在对高速公路进行大修时，均采用废旧材料。高速公路大修工程产生的废旧材料较多，包括废旧水泥混凝土板、破损的废料和铣刨的废旧沥青混凝土料。在实际大修过程中，合理的建议是对废旧材料实施统一处治，对采用的废旧材料进行筛选、破碎、再加工等处理。处置的主要方法和标准是：对90%以上的工业废弃物进行科学、综合利用。采用此方法可大幅度降低高速公路工程大修的成本，且符合我国现阶段倡导的绿色环保理念。废旧材料利用主要包括以下几点：

首先，对废旧沥青材料的利用。废旧沥青材料可被再加工成冷拌再生沥青和厂拌热再生沥青，具有抗压反射裂缝的功能，且可重复利用。再生材料可达到100%的循环再生利用效果，从而减少自然污染。

其次，对废弃水泥混凝土板的利用。废弃水泥混凝土板可通过以下处理方式得到综合利用：先采用移动式粉碎设备对废弃水泥混凝土板进行粉碎，再根据等级进行筛分。5.56mm 以上的粗集料可用于水泥稳定碎石下基层结构，5.56mm 以下的粗集料可用于中央隔断的封面以及其他防护砌体结构。通过这种方法，可实现对废弃水泥混凝土板的有效利用。

5 结语

综上所述，随着交通工具的发展和道路运输的日益繁忙，高速公路路面不可避免出现破损问题，严重影响交通安全，迫切需要对高速公路进行大修改造。基于此，立足工作实践，通过对高速公路大修工程路面结构及材料进行了深入研究，并提出了高速公路改建过程中废旧材料的再利用，为今后我国高速公路大修工程积累了宝贵经验，同时促进新工艺、新材料的引进和使用，对我国高速公路工程的现代化建设具有一定指导意义。