改善沥青混凝土路面性能方法浅析

　　【摘要】本文通过分析出现早期损坏的原因和使用性能降低的影响因素，从路面结构设计，材料选择等方面探讨改善路面使用性能的途径和方法。在设计方面提出了改变路面结构体系，增强层间连接，优化路面结构体系等具体办法；在材料选择和使用方面，从改善沥青结合料的性能、提高骨料质量、改善沥青与骨料的粘结性和使用纤维沥青砼等方面提出了改善沥青混合料性能的理论分析和方法。
　　【关键词】沥青路面；技术措施；使用性能
　　1、前言
　　1．1沥青路面技术发展现状
　　随着我国公路运输事业的蓬勃发展，公路建设日新月异，特别是改革开放以来，我国高等级公路建设像雨后春笋般得到了突飞猛进的发展。截至2001年底，我国高速公路通车里程超过了19000km，列世界第二。在国内外的高等级公路的路面中，绝大多数为沥青路面，交通量的增长，汽车载总量的加大，以及行车速度的提高对沥青路面的使用性能提出了更高的要求。
　　在设计方面，随着计算机技术的广泛应用，有限元理论也引入了路面结构计算，同时还引入了结构设计可靠度的分析，极大地提高了路面设计的效率和可靠性。
　　在施工方面，拌和设备有趋于大型化的趋势，碾压设备有重型化的趋势。
　　高等级沥青路面还大量使用了改性沥青。美国还使用天然沥青作改性剂。国产沥青的质量也有了很大提高，许多厂家生产的沥青都达到了重交通沥青的标准。在国内一系列大型工程（也包括本人在中山设计的项目）中，还在沥青混凝土中掺加了德兰尼特等加强纤维。
　　随着路面技术的发展，我国路面施工工艺水平也普遍提高，有许多竣工路面工程的平整度能达到0.6以内。但是我们也注意到，有许多高速公路路面在通车一年后平整度衰减很快，有的通车几年就不得不进行翻修罩面，使用性能也大大降低，达不到设计的要求。这就给我们提出了如何避免或延缓路面破坏，提高路面使用性能的问题。
　　因此，结合路面技术的最新发展状况，研究如何改善路面使用性能是非常重要的。
　　1．2沥青路面使用性能改善的途径与方法
　　沥青路面的使用性能是指路面所能提供的行车条件。路面使用性能可以由路面使用者的综合感受来进行评价。路面使用性能好，行驶舒适，路面使用者对路面的评价就高。
　　要提高路面的使用性能，主要应从改善平整度，减少路面裂缝和车辙等方面着手，而要达到这些目的，我们必须从路面设计(包括结构体系和面层设计)、材料设计和施工作业等方面去考虑.
　　车辆是行驶在路面表面的，车轮与表面直接接触，路面的综合质量通过表面层反映出来。例如路基沉陷、不均匀沉降和底层裂缝，最终都会反映到路面表面，间接影响路面的使用性能，表面层则直接造成对使用性能的影响。
　　因此，笔者认为，改善路面的使用性能，要从优化路面结构体系、提高表面层的品质、合理使用材料和提高施工作业水平等几个方面寻求解决办法。
　　2、优化沥青路面结构体系
　　2．1目前沥青路面设计中值得商讨的几个问题与改进措施
　　2．1．1沥青路面设计不宜过于追求理论计算的精确性
　　沥青是一种典型弹—粘性材料。沥青在低温（高粘度）及瞬时荷载作用下，弹性形变占主要地位；而在高温（低粘度）及长时间荷载作用下，沥青的形变主要是粘性的；在负温（-5℃以下）状态下，沥青又表现出一定的脆性。而且，温度变化对沥青砼的变形性能影响也很大。沥青砼是最复杂的建筑材料之一。因此，沥青砼路面设计时，都要进行条件假设，在这种情况下，运用任何理论计算的结果都只能做参考，过细的设计和过于重视设计是不必要的，重要的是通过实践检验。目前欧美等发达国家比较流行的也是通过试验路进行半理论力学设计。我国的路面设计理念也应该朝这个方向发展。这样才能使路面技术的发展更切合我国的国情和交通运输发展的需要，避免重复不良路面结构体系，真正提高路面质量。
　　2．1．2半刚性路面有不可忽视的蔽病
　　我国高速公路上普遍应用半刚性路面，中山市的道路绝大多数也是采用的此类结构。从理论上讲，半刚性路面是一种非常理想的结构。半刚性材料具有很多优点，例如具有很高的强度和抗冲刷能力，良好的承担车辆荷载的能力，而且半刚性材料可以充分利用当地的资源，有的还利用工业废碴，工程造价比较节省，有利于保护环境，非常适合我国国情。我国在半刚性路面修建方面也积累了丰富的经验。
　　半刚性路面具有明显的优点。但是也有不可忽视的蔽病，就是半刚性材料易产生干缩裂缝。半刚性材料还容易产生温度裂缝。从中山市已修建的半刚性路面道路来看，半刚性材料不产生裂缝是不太可能的，国内的研究资料证明了干缩裂缝对其承载能力不会产生什么影响，但是由于裂缝的存在，给水浸入路基提供了通道，对路面的外观和耐久性产生很大的影响，路面的使用性能也大大降低。
　　柔性路面与半刚性路面相比较，最大的优势在于柔性路面的基层和底基层没有裂缝产生，结构层整体水密性好。缺点是造价高。
　　2．1．3路面设计中几个尤其需要重视的问题及其对路用性能的影响
　　1、路面结构层防水与排水
　　通常情况下，由于水的影响，沥青路面很容易产生早期破坏。典型的破坏是坑洞，或出现唧浆、网裂和形变。造成路面早期破坏的主要原因之一是水的破坏。路面浸水直接导致路面的早期破坏；路面出现其它病害破坏以后，遇水浸入会加剧、加速路面的破坏。
　　要避免水对路面的破坏，一是要防止或减少水进入结构层内，二是要想办法将进入结构层内部的水排出结构层外。作为一名合格的道路设计工程师，应该从这两方面入手，把水对沥青路面的影响降到最低，尤其在广东中山这个高温多雨的地区，这一点显得极为重要。
　　笔者认为，无论沥青路面采用几层面层，各层都应该选用密实型沥青砼。为了保证中面层和底面层足够的抗车辙能力，可以选择粗骨架密级配型式，而不可拘泥于传统的Ⅰ型级和Ⅱ型级配。这样，结构层既可以有比较好的防水性能，又有很好的结构稳定性与耐久性。
　　设置路面结构防水层和排水层，是阻止水渗入基层的很好的措施。另外，应建立渗水排出通道，使结构层内的水迅速排出路基，如可以在硬路肩下设置碎石（或砂砾）垫层或肓沟，以达到上述目的。[!--empirenews.page--]
　　
　　2．2面层厚度与集料粒径的确定
　　一般来说，沥青混合料的最大粒径与层厚的比值愈大愈容易出现离析，而且愈不容易碾压密实。因此，我国《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）规定：上面层沥青混合料的集料最大直径不宜超过层厚的1/2，中下层及联结层的集料最大粒径不宜超过2/3层厚。
　　我国沥青路面表面层一般为4cm，混合料类型多采用AK-16和AC-16，最大粒径与层厚之比为16/40=2/5，比值大于1/3，但小于2/3。这是符合规范要求的。但是，研究表明，当最大粒径与层厚比值超过1/3，容易引起离析，而且不容易压实，容易出现路面早期破坏，这也是我国高速公路普遍出现早期损坏现象的原因之一。因此，面层厚应设计为集料最大尺寸的3倍以上，而不应是传统设计的2倍或1.5倍。也就是说表面层为4cm时，混合料的最大粒径应不大于13.2mm。
　　
　　2.3层间连接
　　以前，在沥青路面设计中对层间连接没有引起高度的重视。路面裂缝处出现唧浆现象，主要是层间连接不紧密，有缝隙可供水浸入，或者说层间夹有浮灰或松散细颗粒，水进入层间缝隙后，缝隙中的水在行车荷载作用下产生动水压力，在行车荷载重复作用下，对缝隙产生重复冲刷，形成唧浆，使缝隙处结构层强度相应降低，以致形成空洞，造成路面损坏。
　　为了避免上述现象的发生，一定要在基层与基层间、基层与面层间、各层不同级配的面层间设置连接，连接方式可以根据不同层间的性能选取。这样处理后，结构层整体连接在一起，层间连接紧密，形成一个类似全厚式的结构体系，无论是对受力和防止水损坏都起非常好的作用。这样做虽然增加少量的工程造价，但与路面的使用性能提高和使用寿命延长带来的效益相比是很小的。加强层间连接是非常必要的，也是值得的。
　　笔者在中山市早期的道路改造中对多层沥青面层的结合重视不够，在随后的观察中发现了出现了一些小问题。所以在随后的道路设计中强化了各沥青面层间必须设置粘层油，而且粘层油的用量要适中，少了粘结不够，多了容易泛油。经过几年的道路投入使用来看，层间连接是非常重要而且必须的。
　　3、合理选择和改善路面建筑材料的性能
　　3．1改善沥青结合料的性能
　　沥青面层的低温裂缝和温度疲劳裂缝，以及在高温条件下的车辙深度、推挤、拥包等永久变形都与沥青有很大的关系。改善沥青的温度敏感性、低温稳定性和流变性对提高混合料的高温和低温力学性质效果非常显著，沥青改性对提高路面长期使用性能有着非常重要的作用。
　　在广东地区，比较各种改性沥青的性能，SBS改性沥青无论从高温、低温性能，弹性恢复性能、感温性哪个方面，都有明显的优势。SBS的优越性突出表现在使软化点大幅度提高的同时，又使低温延度明显增加，感温性得到很大改善，不仅高温稳定性大幅度提高，而且低温性能也同时改善，并且弹性恢复率特别大，所有指标都有明显提高，这是非常难得的。SBS改性沥青具有其他改性剂无法相比的优点，而且在价格上也可以与PE、EVA竞争，所以改性沥青以选用SBS为佳。目前，世界上使用最多的是SBS，约占改性沥青总量的40%～44%。
　　所以，在中山地区使用的改性沥青绝大多数都是采用的SBS改性沥青。
　　3．2提高集料的质量
　　沥青对沥青混合料的有着非常重要的影响，然而集料的影响同样不能忽视。集料质量差，必然结果是混合料的质量也差，要提高沥青混合料的性能，必要条件是保证集料的质量，然后再考虑矿料级配的控制。要提高路面抗车辙的能力，集料要符合下面两项要求：一是碎石表面微观粗糙度大，且形状接近立方体，质地坚硬；二是使用人工砂，限制使用圆形颗粒的天然砂。为此，我们应该采取有效措施，提高矿料质量，保证颗粒组成的稳定性。
　　笔者在过去的工作中对集料的重要性深有体会。笔者在2001年参与设计了兴中道及中山三路的改造设计，这两条道路使用的是中山本地石料；随后在2002设计的中山四路中尝试使用玄武岩作为面层沥青混凝土的集料。两条道路使用的沥青相同，都是SBS改性沥青，区别仅为集料不同。对比中山三路和中山四路这两条交通量基本一致的道路质量可以发现，中山三路的沥青面层在中山地区的强烈日照和高强度降雨的联合作用下，已经开始出现泛白现象，并有一些裂缝出现。然而使用了高质量玄武岩集料的中山四路却保持了良好的乌黑外观，裂缝数量也非常之少。由此可以看出，集料的质量对于沥青混凝土的整体性能的影响是非常大的。
　　3．3改善沥青与集料的粘结性
　　前面提到过，在路面早期破坏中，水损害是其中一个重要原因。水损害产生的原因除了施工和配合比设计方面的原因以外，沥青结合料与集料表面的粘结力丧失而导致集料松散剥离是其中的主要原因。沥青混合料的粘附性差（水稳性不好），容易导致面层严重辙槽，局部松散和坑洞等水损坏现象。
　　为解决沥青与矿料遇水剥落的问题，长期以来国内外都采用不同的添加剂来改善沥青混凝土的水稳性。国内外道路工程师们常采用两种方法。一是利用碱性矿料处理酸性矿料的表面，使后者活化，传统做法是使用石灰或水泥。笔者在中山五六路改造中使用磨细消石灰或水泥代替部分矿粉作为抗剥落剂取得了良好的效果。这种方法价格便宜，施工简单，只要用它代替一部分矿粉就可以了。实践证明，使用这种方法的效果是好的，而且长期使用性能或耐久性好。
　　另外一种方法是向沥青中加入少量液体抗剥落剂。但由于液体抗剥落剂较碱性矿料昂贵，所以在中山地区较少使用。但随着材料价格的下降，这种方法也是一个不错的选择。
　　3．4使用纤维沥青混凝土
　　沥青混凝土加筋技术是一项能较好改善沥青混凝土路面质量且经济实用的高新技术。它能显著改善沥青混凝土的耐久性、高温稳定性、低温抗裂性等一系列路面性质，所以在近年来的我国公路建设、城市道路建设中得到了广泛应用
　　纵横交错的纤维所吸附的沥青，增大了结构沥青的比例，减少了自由沥青，使沥青砂浆的粘滞性增强，软化点提高，其提高的程度比传统沥青混合料中沥青砂浆的软化点要提高20℃以上，从而使沥青混合料温度稳定性提高。
　　笔者在中山市小榄镇的民安路与升平路改造中也使用了聚脂纤维沥青混凝土，并取得了良好的效果。[!--empirenews.page--]
　　4、改善沥青混凝土面层的使用性能
　　沥青混合料的性能要求往往是矛盾的或相制约的，照顾了某一种性能，很可能会降低另一方面的性能。这里最突出的有以下两对矛盾：
　　第一是高温稳定性和疲劳性能与低温抗裂性能的矛盾。为了提高高温抗车辙能力，应尽量采用粗级配，增加集料数量，减少用油量，采用粘稠度小的沥青，但这样的混合料低温很容易开裂，疲劳性能差；而为了提高耐久性和低温抗裂性能，则要近可能使用粘稠度大的沥青，而且要增加用量，用细集料、密集配混合料，但这样到了夏天很容易产生泛油和车辙病害。
　　第二是路面表面特性和耐久性的矛盾。要求抗滑性能好，不溅水，雨雾小，噪音轻，必须提高表面粗糙度，采用构造深度大的粗集料、开级配或半开级配的沥青混合料。但是这样的混合料空隙率必然较大，而孔隙率大的混合料空气接触面大，老化快，耐久性差，耐疲劳性能差；为了提高耐久性，就要采用较小空隙率的混合料。
　　为了解决这两对矛盾，我们尝试使用了下面几种方法，实践证明应用效果非常显著。
　　4．1使用多碎石沥青混凝土
　　国内研究统计资料显示，SAC-16混凝土的稳定度可达到传统AC25-Ⅰ型混凝土的2.67倍，表面构造深度TD一般都在0.8～1.1（mm）之间，最大可超过1.2mm。且SAC有优良的磨擦系数和表面构造深度，可达到密级配，并具优良的抗辙槽能力。
　　由于施工控制等方面的原因，SAC在国内的一些工程项目应用时出现了一些早期损坏现象，如表面松散，泛油等，因此引起了对SAC的争论。实际上，只要施工控制达到了要求，SAC是能满足使用性能要求的。
　　笔者在小榄镇的民安路与升平路改造中，上下面层均使用的是SAC结构，上面层采用的SAC-13改性沥青混凝土，下面层采用的是SAC-20沥青混凝土，从近两年多的投入使用的效果来看，达到了设计预期的效果。
　　4．2使用沥青玛蹄酯碎石混合料（SMA）
　　SMA由于具有相互嵌锁的骨架，它的抗形变能力受高温影响不大。此外，它的卓越封闭性（由于其高沥青含量在每一碎石周围形成了厚沥青膜）能抵抗风化作用。但是SMA受材料波动性的影响较为敏感。
　　SMA有很好的高温稳定性和耐久性，其寿命较普通沥青混凝土长20%～40%。而且有很好的耐磨性能、抗滑性能、摊铺和压实性能，即可用于铺筑表面层，也可以用于铺筑底面层。
　　由于粗集料（大于4.75mm）碎石相互接触形成碎石骨架有良好的传力功能，SMA有高抗车辙能力。同时SMA有较多的沥青砂胶包裹于集料表面形成相当的厚度，因此，SMA有较高的抗疲劳强度、抗老化能力、抗松散性和很好的耐久性，特别适合需要高磨擦的位置，如环道、交叉口等。
　　4．3使用新型高性能沥青混凝土
　　为了适应重交通的需要，各国开展了新型高性能沥青混合料的研究。总的趋势看，为了适应日趋重型化、大交通量和快速舒适的要求，沥青混合料的发展向着粗骨架方向发展。而且趋向于粗骨料相互接触、嵌锁。骨料空隙一般是用高含量的胶砂填充形成密实结构；或者保留空隙，而在底面层设置粘层防水，这样既可保证混合料有良好的抗车辙能力，另一方面有很好的耐久性，而且可以降低噪音。
　　5、结论
　　笔者认为，要改善路面的使用性能，下述问题应引起高度重视：
　　1、半刚性路面的收缩和温缩裂缝似乎是不可避免的，这也是影响我国路面使用性能的致命因素。国外绝大多数发达国家，包括亚州的日本等国都采用柔性路面，许多国家基层都采用沥青稳定柔性基层，我国也应在路面结构体系上一改沥青路面清一色半刚性路面的局面，开发和应用其他路面结构体系。
　　2、基层与基层、基层与面层、各种不同面层之间应设置连接层，使结构层能形成一整体，同时提高结构层的水稳性。
　　3、为了满足大交通量重载交通的需要，面层配合比应该放弃使用经验证明已经达到极限应用状态的传统Ⅰ型和Ⅱ型沥青混合料。二层或三层体系必须全部采用粗骨架密实级配的混合料，如SAC、SMA等新型结构。
　　4、SBS改性沥青混合料和掺聚脂纤维的混合料为路面在重交通和严酷气候条件下具有较好的热稳性和耐久性提供了保证，虽然增加了一部分工程成本，但是一定情况下是一种能够保证路面的使用性能的途径。
　　5、骨料均匀性偏差在我国极为普遍，影响了路面质量，同一工程项目应统一石料加工机具、工艺和筛孔尺寸，保证材料均匀。
　　沥青混合料是一种非常复杂的材料，其物理力学特性随材料组成、温度、环境和外荷作用型式不同而发生变化，沥青混凝土路面是由沥青混合料铺筑而成的，因此路用性能的研究也是非常复杂的。笔者仅就过去在工程实践中注意到的几个问题做了肤浅的分析，肯定存在一定的不足以及局限性，缺点和错误之处，还望专家们提出宝贵意见。

《改善沥青混凝土路面性能方法浅析》

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