智能沥青延伸度仪(干线公路沥青路面“长寿命”关键技术应用)

Posted 2023-05-29

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智能沥青延伸度仪(干线公路沥青路面“长寿命”关键技术应用)

朱玉虎

滁州市公路管理局

摘要：干线公路沥青路面普遍采用二或三层水泥稳定碎石基层(约34～54cm)加铺二至三层沥青面层(约10～18cm)的结构形式。但半刚性基层反射裂缝问题一直未得到妥善解决，可以说反射裂缝是半刚性基层的“癌症”。薄层沥青面层(10cm左右)，通常情况下在使用2～3年后出现反射裂缝; 5～8年后，裂缝、唧浆等病害迅速发展，导致结构性损坏，使用寿命一般在10年左右，就需进行结构性大修。结合滁州大道工程实践，采用填充式大粒径水泥稳定碎石基层关键技术，大幅提高干线公路沥青路面使用寿命。

关键词：“长寿命”沥青路面;反射裂缝;大粒径水泥稳定碎石;

目前，由于半刚性基层承载能力强、造价相对低廉，在我国公路沥青路面工程中仍将被广泛使用。干缩和温缩是半刚性基层材料的固有物理特性，水泥稳定碎石基层成型和长期使用过程中，因结合料的粘结作用，收缩应变不能如级配碎石那样分散释放，当其受到约束时，在材料内部产生收缩应力，超出抗拉强度时，将产生开裂。在沥青面层厚度较薄的国省干线工程中，基层开裂快速向上延伸，在2～3年内形成对位的反射裂缝。

长期以来，公路工程技术人员对以水泥稳定碎石为代表的半刚性基层材料的组成设计与施工技术进行了有效改良，裂缝的数量和程度得到了一定程度的控制，但没有实质性的改变。填充式大粒径水泥稳定碎石基层技术，通过增大粗集料粒径，增加混合料中粗集料的比例，结合相应施工工艺，使水泥稳定碎石基层形成既具有一定的承载能力又具有消散收缩应力的柔性特征，该柔性化水泥稳定碎石基层具有“刚柔相济”和“韧性”特点，有利于克服沥青路面的反射裂缝，是对现有半刚性基层抗裂技术的有效补充和完善。

1 项目概况

滁州大道洪武路至创业南路段工程(新建)，全长9.111km。红线宽60m，双向八车道，设计标准为一级公路兼顾城市道路功能，沥青砼路面，设计行车速度为80km/h。于2017年6月开工，2019年11月完工。

2 路面结构设计

结构组成设计及厚度见表1。

表1 滁州大道各结构层厚度、设计弯沉、实测弯沉值、实际模量值及泊松比下载原图

3 抗裂机理

填充式大粒径水泥稳定碎石基层是采用物理的方法，由大粒径主骨料框架嵌锁产生的拒压作用，使结构内部少量的填充水泥稳材料处于“欠密”状态，形成裂缝源，裂缝沿主骨料界面拓展延伸，对基层材料的整体收缩应力进行释放，从而弱化了整体半刚，保留大粒径主骨料框架内填隙料的局部半刚，产生收缩时，在基层结构内部形成大量的、随机分布的均匀的微裂缝，产生以微裂缝松弛的方式，使应力不集中，应变不叠加，达到克服干缩和温缩裂缝的目的。

4 混合料组成设计

(1)填充式大粒径水泥稳定碎石混合料为断级配组成。主骨料采用单一的大粒径碎石，一般采用53～73mm的粗碎石。

(2)填充水泥稳定碎石填隙料采用连续级配，参照普通水泥稳定碎石材料组成设计方法，最大粒径宜采用13.2mm，水泥剂量为8%左右。7d无侧限抗压强度按5.0～6MPa控制。

(3)为保证填充料在主骨料空隙间能被很好的压实，以主骨料在振实状态下的空隙率来确定填充料的数量，保证填充料能够填满主骨料间的空隙并略有富余。主骨料与填充料的体积比一般在50∶50左右，根据主骨料的空隙率做适当调整，施工控制偏差不超过±5%。

5 施工工艺

(1)大粒径碎石摊铺。用摊铺机直接摊铺在下层层上，如条件受限可采用挖掘机配合人工摊铺，但要保证表面基本平整，同时边部要有侧挡。松铺厚度系数通过试验段确定，基层设计厚度在20cm以内的，一般主骨料松铺厚度为基层设计厚度减1cm。

(2)填隙料拌和及摊铺。填充的水泥稳定碎石在后场采用拌和机拌和;填充料摊铺采用摊铺机直接摊铺在大粒径碎石上，条件受限时可采用挖掘机配合人工摊铺。

(3)翻拌。采用旋耕机进行翻拌，旋耕拌和从边部向中间翻拌，翻拌时纵向应重叠15～20cm，不得有遗漏。拌和要求专人现场挖坑检查翻拌均匀性及填隙料是否填充至结构层底，如果不符合要求要继续翻拌。边部、纵横向接缝要翻拌到位。

(4)二次撒布填隙料。旋耕拌和后人工整平，致表面基本平整，主骨料裸露并有开口空隙;人工找补主骨料表面开口空隙，使其均匀、平整。检查平整度和路拱，并进行人工修整，平整度不大于8mm。二次撒布的填充料约占总填充料的5%，填充料应完全嵌入主骨料裸露的缝隙，表面不能“结壳”。

(5)压实。每个作业面配备22J以上的振动压路机一台，21～25T三轮压路机或26T胶轮压路机一台。振动碾压时，压实遍数“宁过勿欠”，三轮压轮机或胶轮压路机静压不少于3遍;加强对中缝、边部部位的振动压实，以确保边部密实。振动碾压时应有专人对表面空隙的地方补充填充料，同时检查平整度，不符合要求的及时修整。

(6)养生。不需封闭养生，碾压结束后，即可开放交通，洒水养生7天以上。通车期间，7天以内，如遇雨天应封闭交通。

6 理论使用寿命计算

6.1 滁州大道路面各层结构层实际模量计算

根据滁州大道实际弯沉平均值及各层厚度，如表1所示，首先根据落锤式弯沉仪计算公式对实际的路基顶面回弹模量进行计算，如公式(1)所示。

式中:E0P为用落锤式弯沉仪测得的回弹模量(MPa);p，δ为测定车轮胎接地压强(MPa)与当量圆半径(mm);μ0为泊松比;l为实测的弯沉值(0.001mm)。

经公式(1)计算，路基实际的顶面回弹模量约为215MPa。同理可求得各层实际模量如表1所示。

6.2 疲劳寿命计算

标准轴载作用于滁州大道路面结构时，应用BISAR程序对各结构层底产生的拉应力进行计算，其中各层材料模量及泊松比按表1取值，并对该路面结构的疲劳寿命进行预测，如表2所示，具体计算方法及公式如下所示。

(1)利用公式(2)计算使用年限内一个车道上的累计当量轴次Ne。

式中:Ne为使用年限内一个车道的累计当量轴次(次/车道);t为使用年限(年);N1为营运第一年双向日平均当量轴次(次/d);γ为设计年限内交通量的平均增长率(%);η为车道系数。

根据设计文件中竣工后15年设计年限累计当量轴次为2018万次，取设计年限内交通量的平均增长率γ=15%，即可得到计算所需使用年限的累计当量轴次。

(2)利用公式(3)-(4)计算抗拉强度结构系数。

式中:Ac为公路等级系数，计算中取1.0。

其中公式(3)适用于沥青混凝土层的抗拉强度计算，公式(4)适用于无机结合料稳定集料类层的抗拉强度计算。

(3)各层的极限劈裂强度σS由初始设计文件得到。

(4)通过式(5)计算路面各结构层材料在不同使用年限下的容许拉应力。

(5)通过BISAR程序对各结构层底产生的拉应力进行计算，当使用到73年时5%水泥稳定碎石下基层底容许拉应力临界层底最大拉应力，结果如表2所示。

由表2及相关计算可知，当使用年限达到74年时，5%水泥稳定碎石下基层的层底最大拉应力就会超过此时的容许弯拉应力，路面结构发生破坏。因此该路面结构的理论疲劳寿命约为73年，疲劳的不利层位为5%水泥稳定碎石下基层。

表2 路面结构层疲劳寿命下载原图

7“长寿命”关键技术运用12年效果

滁州至腰铺段一级公路，1994年建成，原为水泥混凝土路面，属于“特重交通”，使用12年后，损坏严重。2006年进行加铺沥青路面改造，创新采用了填充式大粒径水泥稳定碎石基层材料，首次尝试将公路“长寿命”结构应用到旧路改造工程。通车12年后，仅有表层沥青老化和部分车辙，无反射裂缝等病害，路况良好，经检测无任何结构性损坏，沥青层顶面弯沉代表值为10.3(0.01mm)，承载能力没有丝毫衰减。证明了干线公路路面结构“长寿命”关键技术的可行性。2018年，为提高公路服务水平，对上面层进行铣刨罩面。

8 结语

多项工程实践证明了公路沥青路面“长寿命”关键是要有合理的结构组成设计，即沥青面层下需设置“刚柔相济”和“韧性”特征的过渡层，同时路基也要有足够的强度。经实践采用填充式大粒径基层技术，一级公路沥青面层采用4cmAC-13沥青砼+8cmAC-25沥青砼即可满足使用功能，比常规一级公路沥青面层厚度减少6cm，每平方米节约工程投资约60元，在全国推广运用后，每年可为国家节约投资上万亿元。根据使用该技术12年公路的效果和理论计算滁州大道公路寿命至少可达30年，可显著减少大修次数，最大限度的实现资源节约、绿色环保公路建设新理念。

参考文献

[1] 中国工程建设标准化协会标准《填充式大粒径水泥稳定碎石基层技术规程》(T/CECS G:K23-01-2019)。