高速公路沥青面层结构组合设计

李昊，廖玲玲

（江西省天驰高速科技发展有限公司，江西 南昌 330000）

0 引言

大量工程实践表明，传统的4cm厚上面层+6cm厚中面层组合结构性能稳定且技术较为成熟。但在沥青路面维修养护过程中，必须将上面层铣刨后加铺罩面，必定增大维修养护成本。近年来出现的超薄磨耗层新型罩面技术抗滑、抗车辙及抗磨耗性能均较为优越，且设计厚度较薄，通过其替代传统厚度沥青面层，既能提升路面路用性能，又能降低铣刨厚度，节省维修养护成本。为此，本文主要结合具体工程从材料性能、施工及经济性等角度将2.5cm厚超薄磨耗层+7.5cm厚中面层的新型面层组合结构与4cm厚上面层+6cm厚中面层的传统沥青面层组合结构进行比较。

1 工程概况

某高速公路改扩建工程起讫桩号K210+110—K265+378，全长55.268km，双向四车道，路基宽28.5m，原路面结构为沥青混凝土路面，此次改建主要进行原路面局部病害处理及复合式罩面结构的加铺。该高速公路改扩建路段自2001年建成后运行，主要担负着繁重的交通运输任务，并为地区经济发展做出了巨大贡献。随着交通规模的持续增大，重载车辆日益增多，导致道路病害趋于严重，路面平整度大幅降低，通行能力下降。

该改扩建路段自投运以来，先后进行过6次小范围病害修补，且每年投入的维修养护费用逐年增加，根据相关部门得出的调查结果，该路段已经达到大修及翻新改建的标准。

2 施工原材料

本公路工程面层结构组合中超薄磨耗层和中面层设计厚度分别为2.5cm和7.5cm，根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004），热拌热铺密级配沥青混合料中，沥青层压实厚度应不小于集料最大粒径的2.5～3.0倍[1]，因此本公路中面层和超薄磨耗层应分别采用AC-20、SUP-20以及SMA-10、AC-10混合料。结合工程实际，新型面层结构采用SMA-10和AC-20混合料，而传统面层结构采用SMA-13和AC-20混合料。为保证抗车辙性能，均使用SBS改性沥青，且SMA混合料以粒径3～5mm、5～10mm、10～15mm辉绿岩碎石料为集料，以粒径0～3mm石灰岩为矿粉料，并采用密度0.45±0.05g/cm³且路用性能良好的木质素纤维；集料磨耗值和压碎值分别为13.1%和10.7%。AC-20混合料则采用石灰岩集料。材料性能均满足规范要求。

2.1 配合比设计

传统面层结构所采用的SMA-13和AC-20混合料配合比设计较为成熟，根据规范所确定的SMA-13和AC-20混合料最佳油石比分别为6.2%和4.4%。与其余粒径混合料不同，SMA-10关键筛孔为2.36mm，目前国内SMA-10混合料级配范围内，粒径2.36～4.75mm的集料含量在40%以内，较为宽泛的含量使该混合料设计难度增大[2]。结合相关研究成果，当粒径2.36～4.75mm的集料含量在8%以内以及20%～28%范围内时集料体积参数更加满足混合料性能要求，为此，本文结合集料筛分结果将SMA-10混合料中粒径2.36～4.75mm的集料含量控制在20%～28%范围内；同时将马歇尔击实次数增大至75次，并根据马歇尔试验得到超薄磨耗层SMA-10混合料各项性能指标，结果详见表1。

表1 SMA-10混合料性能指标

2.2 室内试验

为保证本公路沥青面层结构设计的合理性，必须保证超薄磨耗层SMA-10替代原上面层后具备与原上面层SMA-13沥青混合料同样的力学及路用性能。本文通过冻融劈裂试验、低温弯曲试验、摆值试验、构造深度试验、单轴贯入试验分别进行SMA-10和SMA-13混合料水稳性、低温抗裂性、抗滑性能、高温稳定性能等检验。根据试验结果，SMA-10混合料构造深度1.02mm、摆值61BPN、低温弯曲破坏应变4 080με、冻融劈裂强度比89.7%、单轴贯入抗剪切强度1.02MPa；SMA-13混合料构造深度1.07mm、摆值64BNP、低温弯曲破坏应变3 342με、冻融劈裂强度比87.8%、单轴贯入抗剪切强度0.96MPa均满足规范要求，且超薄磨耗层SMA-10混合料路用性能不亚于原上面层SMA-13混合料。

3 面层结构组合性能

沥青路面性能既受原材料及配合比设计影响，也与路面结构设计有关。根据相关试验结果，面层结构从上至下3～8cm范围内剪应力最大，发生车辙的可能性也最大，因此中上面层结构整体性能的提升对于路面抗车辙能力的提高十分关键。

3.1 车辙试验

利用混合料轮碾振动成型机进行面层结构车辙试验，各结构层混合料实际质量根据马歇尔标准密度与体积的乘积计算，并依次成型中面层和上面层。考虑到材料用量大、成型工艺复杂，故仅成型厚度分别为2.5cm和7.5cm的SMA-10+AC-20新面层组合试件以及厚度4cm和6cm的SMA-10+AC-20传统面层组合试件各1块。将所成型试件均切割成长×宽×高为30cm×30cm×10cm的试块进行车辙试验，根据试验结果，新型面层组合试块动稳定度3 600次/mm、最终变形量为2.384mm；传统面层组合试块动稳定度3 299次/mm、最终变形量为2.799mm。

3.2 抗剪强度试验

通过单轴贯入试验进行不同面层组合结构抗剪性能评价，试验加载速率1mm/min、压头直径28.5mm、试验温度60℃；还应同时展开无侧限抗压强度试验，通过比较两组试验结果，得出内摩擦角和黏聚力值。应用相同方式成型两种结构试块，并通过钻芯法钻出直径10cm、高10cm的圆柱体试件，1组5个试件展开单轴压缩和单轴贯入平行试验，所得到的新型面层组合试件上、中面层空隙率为3.5%和3.9%、抗剪强度0.853MPa、黏聚力0.163MPa、内摩擦角42.3°；传统面层组合试件上、中面层空隙率为3.8%和3.9%、抗剪强度0.760MPa、黏聚力0.154MPa、内摩擦角42.5°。由以上结果发现，新型面层组合结构抗剪强度、内摩擦角及黏聚力均比传统面层组合结构高，故新型面层组合结构抗剪性能更优，这与车辙试验结构基本一致。

4 试验段试铺

在该高速公路改扩建工程中选取起讫桩号K210+110—K211+610段（左幅）为试验段试铺2.5cm厚超薄磨耗层SMA-10混合料+7.5cm厚AC-20混合料中面层。

4.1 配合比设计

对SMA-10和AC-20所用沥青、集料等性能展开现场试验，在优选原则下确定出不同粒径集料比和最佳沥青用量。SMA-10混合料中粒径0～3mm、3～5mm及5～10mm集料和矿粉比为10%∶19%∶3%∶68%，最佳油石比6.6%；AC-20混合料中粒径0～3mm、3～5mm、5～10mm、10～20mm集料和矿粉比为2%∶28%∶8%∶21%∶41%，最佳油石比4.5%。

结合目标配合比，还进行了各热料仓材料级配、密度等的取样检测，通过室内试验和拌和机取样试验结果确定最佳沥青用量。该试验路段沥青面层组合结构混合料生产配合比技术指标详见表2。

表2 生产配合比技术指标

4.2 铺筑要求

与传统沥青面层组合结构相比，新型沥青面层组合结构的施工难点主要在超薄磨耗层施工方面，为此，在进行超薄磨耗层施工过程中必须加强沥青混合料生产、运输、摊铺及碾压环节的温度控制，压实度及平整度控制，面层厚度控制。

SMA-10混合料降温速度较快，故在其拌和过程中应使混合料出料温度接近规范上限；运输时尽量缩短运距，并在运料车顶部进行覆盖保温；摊铺施工过程中，在确保AC-20中面层混合料厚度、压实度、平整度等均符合规范要求的基础上均匀洒布黏层油。SMA-10混合料层摊铺厚度较薄，下卧层的混合料受温度影响较大，故其摊铺温度应控制在170℃及以上，且路表温度应不低于15℃。碾压施工应遵循紧跟、慢压、高频、低幅的原则，压路机必须紧跟摊铺机施工，采用10t以上钢轮压路机初压1遍、12t以上钢轮压路机以静压方式及5.0km/h以下的速度复压3～4遍，最后终压1～2遍。该试验路段在高温碾压下混合料无推移，则可以初步判断SMA-10混合料骨架密实级配已经形成。

4.3 施工检测

施工过程中，应将检测重点放在超薄磨耗层各施工阶段温度方面，所测得的环境温度、路表温度、混合料出厂温度、摊铺温度、初压、复压及终压温度分别为32℃、45℃、180℃、176℃、172℃、165℃及143℃，均满足规范要求。随机抽取混合料进行燃烧试验，试验结果所得到的级配和油石比十分接近生产配合比，成型试件马歇尔空隙率也较为接近目标空隙率。

完成试验路段施工后进行现场取芯试验，所得芯样空隙率均值为5.9%，压实度均值为97.9%，渗水系数为98.4mL/min， 厚 度 均 值 为2.5cm， 构 造 深 度 为0.94mm，抗滑摩擦系数为69BPN，平整度为0.67mm。各项施工参数均符合规范要求，试验段施工效果良好。

4.4 抗剪强度

为进一步分析试验路段新型沥青面层组合结构抗剪强度，从不同位置取出8个新型面层芯样和4个传统面层芯样，按照试验要求切割成高度和直径均为10cm的圆柱体试块进行单轴贯入试验，并比较两种沥青面层结构抗剪强度。根据试验结果，在60℃的试验温度下，不同位置芯样抗剪强度差异较大，通过分析发现，施工质量差异应为主要原因。而且，试验路段新型面层组合结构芯样的抗剪强度普遍比传统面层组合结构芯样高，这与室内试验结果基本一致。可见，通过施工温度及施工条件控制，新型沥青面层组合结构抗车辙性能更加优异，能有效提升沥青路面结构耐久性，避免早期病害的发生。

4.5 经济性

根据该高速公路工程建设期间各类原材料价格、人工费用、机械价格、租赁价格来看，超薄磨耗层SMA-10混合料、上面层SMA-13混合料及中面层AC-20混合料单位造价分别为1 780元/m³、1 600元/m³和1 195元/m³，虽然超薄磨耗层单位造价比传统上面层高，但超薄磨耗层设计厚度较薄；在路面运行过程中若发生浅层裂缝、车辙、拥包等病害且中下面层和基层状况良好的情况下，铣刨、填补、加铺过程中所消耗的材料也更少；超薄磨耗层结构比传统上面层使用寿命更长[3]。

5 结语

本文通过对2.5cm厚超薄磨耗层+7.5cm厚中面层的新型面层组合结构和4cm厚上面层+6cm厚中面层的传统沥青面层组合结构路用性能的室内试验分析和试验段性能比较发现，最大公称粒径较小的沥青混凝土也具备较好的路用性能，并能替代传统意义上的上面层；新型沥青路面组合结构抗剪强度更高，抵抗车辙等病害的性能也更加优越。然而，超薄磨耗层因厚度较薄，沥青混合料失温较快，碾压难度大，故其施工难度比传统意义上的上面层更大，必须通过加强温度控制及优选碾压工艺等方式来保证超薄磨耗层施工质量。总而言之，超薄磨耗层新型面层组合结构比传统的沥青面层结构性能更为优越，具有更广阔的应用前景。