瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度與瀝青混合料類型選擇

瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度與瀝青混合料類型選擇
我國高速公路瀝青路面早期損壞的原因，就路面本身來說，除了瀝青混合料抗水損害能力不足、路面壓實度不夠外，還有一個致命的原因就是瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度與瀝青混合料類型選擇不匹配，瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度至少應(yīng)為集料大公稱尺寸3倍。我國表面層常用的AC-16，AK-16或SMA-16，與我國表面層常用的厚度4cm相比，明顯過大，從而造成瀝青路面混合料容易離析、壓實困難、空隙偏大，導(dǎo)致松散、泛油、剝落和坑洞等早期損壞。
我國近年來修筑了許多高速公路，而一些高速公路的瀝青路面在不同程度上都發(fā)現(xiàn)了一些早期破壞，如：松散、泛油、剝落和坑洞等現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象的出現(xiàn)的主要原因，就瀝青路面本身來說，可歸結(jié)為瀝青混合料抗水損害能力不足、路面壓實度不夠。我國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的水損害指標(biāo)不足以防止水損害，因為馬歇爾密度滿足規(guī)范要求，路面空隙率仍可能超過8%。如果在馬歇爾壓實度的基礎(chǔ)上規(guī)定了空隙率不8%，或者應(yīng)用了較為科學(xué)的水敏感性評價方法，或采取了抗剝落劑的措施，那么是否可能避免這些早期損壞呢？回答是不一定的。因為我國瀝青路面早期損壞，還有一個致命的原因就是瀝青混合料類型與路面結(jié)構(gòu)層厚度不匹配，由于集料大粒徑過大，公稱尺寸集料偏多，因而造成混合料容易離析、壓實困難、空隙率偏大，導(dǎo)致松散、泛油、剝落和坑洞等早期損壞。
1 現(xiàn)狀分析⑵⑶⑷⑸
《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 032－94）規(guī)定：根據(jù)不同地區(qū)道路等級及所處層位的功能要求，從表7．1．3中選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)組合，并應(yīng)遵循以下原則：
⑴綜合考慮滿足耐久性、抗車轍、抗裂、抗水損害能力、抗滑性能等多方面要求，根據(jù)施工機械、工程造價等實際條件選擇；
⑵采用雙層式或三層結(jié)構(gòu)，至少有一層為型密級配瀝青混合料；
⑶多雨潮濕地區(qū)宜采用抗滑表面層混合料；
⑷集料在粒徑宜從上至下逐漸增大，中粒式及細(xì)粒式瀝青混合料用于上面層，粗粒式只能用于中下層；
⑸上面層瀝青混合料的集料大粒徑不宜超過層厚的1/2，中、下面層及聯(lián)結(jié)層的集料大粒徑不宜超過層厚的2/3。
表1是規(guī)范中表7.1.3的一部份（高速公路和一級公路部份）。
表1 瀝青路面各層適用的瀝青混合料類型
結(jié)構(gòu)層次 三層式瀝青混凝土路面 兩層式瀝青混凝土路面
上面層 AC-13；AC-16；AC-20 AC-13；AC-16
中面層 AC-20；AC-30
下面層 AC-25；AC-30 AC-20；AC-25；AC-30

按《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 032－94）條文說明第113頁陳述：“根據(jù)與先進(jìn)的國外標(biāo)準(zhǔn)盡社一致的原則，經(jīng)組織國內(nèi)專家多次協(xié)商討淪，本規(guī)范考慮一次到位，按照日本、澳大利亞的規(guī)定，全部采用ISO565的R40/3系列的標(biāo)準(zhǔn)篩孔和按照我國習(xí)慣全部采用mm制。用于瀝青路面礦料級配的篩孔為0•075、0•15、0•3、0•6、l•18、2•36、4•75、9•5、13．2、16、19、26．5、31.5、37．5、53、63、75、106mm等19個篩孔為標(biāo)準(zhǔn)篩孔”。加黑的篩孔尺寸是非標(biāo)準(zhǔn)篩孔尺寸，美國與澳大利亞的規(guī)范均沒有16mm，31.5mm這兩個篩孔尺寸；日本也沒有16mm尺寸，但日本多出一個引31.5mm尺寸。
另外在規(guī)范2.1條術(shù)語中找不到關(guān)于集料大粒徑的定義，當(dāng)然也在找不到集料大公村尺寸的定義。從2.1.43~2.1.47關(guān)于砂粒式瀝青混合料、細(xì)粒式瀝青混合料一直到特粗式瀝青碎石的定義中可以看出，大集料粒徑似乎就是混合料命名的尺寸。如細(xì)粒式AC－10和AC－13的大集料尺寸分別為9.5mm和 13.2mm，中粒式AC－16和 AC－20的大集料尺寸分別為16mm和19mm。這與規(guī)范中表7.1.2的定義是一致的。
但是如來研究一下規(guī)范表D.7瀝青混合料礦粉級配及瀝青用量范圍（方孔篩），就會發(fā)現(xiàn)：如AC-16mm的通過率為95%~100%,也就是說還有5%的集料尺寸在于16.0mm，這種集料尺寸應(yīng)稱為什么尺寸呢?
根據(jù)美國Superpave的定義：集料大公稱尺寸為篩余一次大于10%的篩號的上一級篩子定義為集料大公稱尺寸；集料大尺寸：集料大公稱尺寸上一級篩號定義為集料大尺寸。
根據(jù)這個定義檢驗規(guī)范表D.7中的AC-25Ⅰ和AC-16Ⅰ。先看AC-25Ⅰ，篩余一次大于10%的篩號為19mm，19mm上一級篩號為26.5mm，稱為集料大公稱尺寸，再上一級為31.5mm是非標(biāo)準(zhǔn)篩號，規(guī)范中所列的幾個國家中只有日本一個國家有，美國、澳大利亞、西班牙均沒有這個尺寸，26.5mm上邊應(yīng)為37.5mm這才是集料大尺寸。再看AC-16Ⅰ，一次篩余大于10%的篩號為13.2mm，它的上一級16.0mm定義為集料大公稱尺寸，它的再上一級為19.0mm，定義為集料的大公稱尺寸，由于規(guī)范中所有國家均沒有16.0mm這一尺寸，按這些國家的規(guī)定13.2mm上一級應(yīng)是19.0mm。

表2 表D.7中瀝青混合料礦料級配及瀝青用里范圍（方孔篩） 篩孔尺寸/mm31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075
AC-25Ⅰ10095～10075～9062～8053～7543～6332～5225～4218～3213～258～185～133～7
AC-16Ⅰ10095～10075～9058～7842～6332～5022～3716～2811～217～154～8

如果說26.5mm和16.0mm為集料大公稱尺寸，按照經(jīng)驗的規(guī)定路面結(jié)構(gòu)層小至小應(yīng)為集料大公稱尺寸的3倍。也就是說中面層AC-25至少7.5cm，表面層AC-16至少5cm。
我國現(xiàn)行高速公路的瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度與瀝青混合料類別大體有下列幾種典型結(jié)構(gòu)，見圖1。
圖1 我國現(xiàn)行高速公路瀝雷路
(1) (2) (3) (4)
LH-20 5Cm 長平-13 4Cm AC-16B 4cm AK-13 3Cm
LH-30 6Cm AC-20Ⅱ 5Cm AC-25Ⅰ 6Cm AC-20Ⅰ 5Cm
LS40 12Cm AC-25Ⅰ 6Cm AC-25Ⅱ 6Cm AC-30Ⅰ 7Cm
(5) (6) (7) (8)
SAC16 4Cm AC-16Ⅰ 4Cm SMA-16 4Cm AK-16 4Cm
中密 4Cm AC-25Ⅰ 5Cm AC-25Ⅰ 6Cm AC-20Ⅰ 5Cm
粗密 6Cm AC-25Ⅱ 7Cm AC-25Ⅱ 8Cm AC-30Ⅰ 6cm

圖1中的（1）是京津塘高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)圖。京津塘高速公路瀝青路面使用的LH20相當(dāng)于AC－16，京津塘高速公路表面層是5cm。中面層LH30相當(dāng)于AC－25，它的小厚度應(yīng)為7.5cm，由于北方雨量少，又是密級配，下面密度稍微差一些也不會象南方出現(xiàn)嚴(yán)重的水損害問題。下面層LS40相當(dāng)于AC-35，它的小厚度應(yīng)是10.5cm。
圖1（6）為南方某省正在建設(shè)的一條高速公路，AC-25瀝青混合料的厚度只有5cm，由于集料太大、路面太薄，所以瀝青混合料非常容易離析而且不易壓實，將來路面很容易受損害。
圖1中（3）為南方已建成的某高速公路，1996年通車，面層為AC-16B，為多碎石瀝青混合料，由于級配遠(yuǎn)離大密度線，空隙率較大，通車1年后就有局部水損害現(xiàn)象發(fā)生，個別路段中面層的瀝青膜剝落殆盡，雨季時路面水損害十分嚴(yán)重。
圖1中（4）為北方某高速公路，建好不到1年就發(fā)生了嚴(yán)重的早期破壞，如果上面層AK－13的路而厚度由3cm改為4cm，可能情況就會好很多。
除了京津塘高速公路以外，幾乎所有高速公路的瀝青路面結(jié)構(gòu)層與瀝青混合科類型相比，均不能滿足集料大公稱尺寸3倍的經(jīng)驗法則。根據(jù)調(diào)查表明：表面層空隙率在6％～13％之間時，是發(fā)生水損害危險的空隙率。因為空隙率大于13％時水很容易而走，空隙率小于6％時，水不容易流進(jìn)去；而在這一范圍的空隙率是水容易進(jìn)而不容易出的狀態(tài)，在行車作用下路面逐步壓實，原來聯(lián)通的空隙不聯(lián)通了，這些空隙中的水在行車作用下產(chǎn)生空隙水壓力，重車再加上超載車多，空隙水壓力也大，更容易產(chǎn)生水損害，這也是一些高速公路在建好不久后就出現(xiàn)水損害的原因。
2 國外狀況
德國瀝青路面修訂技術(shù)合同條件及及規(guī)范（德國交通部公路局）1994年版本中關(guān)于承重層（頂層，相當(dāng)于我國瀝青面層三層式的下面層）的混合料采用0/16的瀝青混凝土，其鋪筑厚度要求5.0~10cm。其結(jié)構(gòu)層厚度與混合料公稱尺寸的比為3.1~3.8。
作為表面層的熱拌瀝青混合料，鋪筑厚度和結(jié)構(gòu)層厚度與混合料公稱尺寸比值見表3。
表3
混合料類型 0/16s 0/11s 0/11 0/8 0/5
鋪筑厚度/cm 5.0~6.0 4.0~6.0 3.5~4.5 3.0~4.0 2.0~3.0
結(jié)構(gòu)層厚度混合料公稱尺寸 3.1~3.8 3.96~4.5 3.2~4.1 3.8~5.0 4.0~5.0
作為聯(lián)結(jié)層的執(zhí)拌瀝青混合料（相當(dāng)于我國的中面層熱拌瀝青混合料）鋪筑厚度和結(jié)構(gòu)層厚度與混合料公稱尺寸比值，見表4。
表4
混合料類型 0/22 0/16 0/11
鋪筑厚度/cm 7.0~10.0 4.0~8.5 只用于找平
結(jié)構(gòu)層厚度混合料公稱尺寸 3.2~4.5 2.5~4.3
從表3、表4可以看出德國表面層瀝青混合料比我國明顯要細(xì)得多，即使是16mm混合料，小厚度也是5.0cm，表面層結(jié)構(gòu)層厚度與各種混合料公稱尺寸的比值均在3~5倍左右。
澳大利來瀝青混合料手冊（1995年11月草稿）中規(guī)定結(jié)構(gòu)層厚度至少為混合料公稱尺寸的2.5倍，以便于壓實。澳大利亞的熱拌瀝青混凝土有下列幾種，見表5。
表5
公稱尺寸/mm 5 7 10 14 20 28 40
典型層厚/mm 15~20 20~25 25~35 35~45 >45 >50 >100
結(jié)構(gòu)層厚度/混合料公稱尺寸 3.0~5.0 2.9~3.6 2.5~3.5 2.5~3.2 >2.3 >1.8 >2.5
用途 用于人行道和居民區(qū) 中等交通磨耗層 重交通磨耗層 常用聯(lián)結(jié)層和基層 很少用 廣泛用于基層
從表5中可以看出澳大利亞瀝青路面面層常用的重交通面層為14mm瀝青混凝土，其厚度35~45mm為公稱尺寸的2.5～3.2倍，其名稱為0/14，實際上集料大公稱尺寸為13.2mm，其比值也在2.7～3.4之間。
芬蘭瀝青規(guī)范連續(xù)級配熱拌瀝青混凝上（AC）共有6個類型，表面層：AC8、AC12；聯(lián)結(jié)層：AC16、AC20／ACB20、AC25／ACB25；下面層：AC20/ACB20、AC25／ACB25以及AC32/AC32/ACB32。
可以看出芬蘭表面層瀝青混合料AC8和AC12比我國明顯要細(xì)得多。
美國Superpave建議的混合料類型如表6。
表6
路面層位 集料大公稱尺寸/mm
表面層 9.5~12.5
聯(lián)結(jié)層 19~37.5
底面層 25~37.5
根據(jù)1998年出版的Superpave施工指南的建議，作為經(jīng)驗法則，瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度應(yīng)等于或大于集料大公稱尺寸的3倍，對于粗的混合料，這個比例還應(yīng)增加。
過去常用的瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度的經(jīng)驗規(guī)則為2：1，層的厚度為集料大尺寸的2倍，過去所謂集料大尺寸是一個100％通過率的篩號。
現(xiàn)在新的Superpave，集料大公稱尺寸有明確定義，通常不可能100％通過這個尺寸，因此，過去19mm大尺寸就是現(xiàn)在的12.5mm公稱尺寸。因此，可以將過去2：1的大尺寸可用現(xiàn)在的3：1的大公積尺寸來替代。但由于我國級配尺寸增加了2個不規(guī)范的16mm和31.5尺寸，尤其是16mm尺寸，在使用上造成了極大的混亂。認(rèn)為16 mm的上一級19 mm為大尺寸，按19mm的2倍，4cm厚面層應(yīng)該說是沒有問題的，但是按16cm集料大公稱尺寸的3倍來計算4cm是不夠的，問題就出在沒有大公稱尺寸的定義，而且級配尺寸不規(guī)范。如果我們看規(guī)范的尺寸，大公稱尺寸13.2mm的3倍為39.6mm與大尺寸和大尺寸19mm的2倍38mm是差不多的，大公稱尺寸25mm的3倍為75mm與大尺寸37.5mm的2倍也是一樣的，但是31.5mm的2倍就只有63mm。AC-25瀝青混合料過去一般人認(rèn)為6cm就夠了，這是錯誤的，這是因為26.5mm的上一檔應(yīng)該是37.5mm，所以結(jié)構(gòu)層厚度至少7.5cm才足夠。
3 結(jié)論與建議
我國高速公路瀝青路面早期損壞現(xiàn)象是普遍的，在某些地方甚至是很嚴(yán)重的。瀝青路面早期損壞的原因是多方面的，有材料原因，有施工原因，也有管理方面的原因。一般認(rèn)為施工引起的原因（如路面厚度不夠，壓實度不夠等）是主要的，因為總可以找到一些施工方面的原因。為什么我們從材料、施工和管理各方面都十分認(rèn)真，嚴(yán)格按規(guī)范要求去做，路面還會發(fā)生損壞？美國在二十世紀(jì)80年代按規(guī)范修筑的路面也發(fā)生了許多早期損壞，如車轍、剝落等等，這就是美國為什么會開展美國公路戰(zhàn)略研究計劃的原因他就是說要從傳統(tǒng)的經(jīng)驗規(guī)范向性能規(guī)范發(fā)展。我們應(yīng)認(rèn)真學(xué)習(xí)美國的經(jīng)驗教訓(xùn)，少走彎路。
3.1結(jié)論⑵⑶⑷⑸ ⑴瀝青路面早期破壞的原因很多，本文提到的瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度和混合料類型不匹配，只是其中的一個原因，但這是一個十分重要的原因，應(yīng)該引起足夠的重視。
⑵瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度與瀝青混合料類型應(yīng)相匹配，還常路面結(jié)構(gòu)層厚度應(yīng)是集料大公稱尺寸的3倍以上。
⑶我國的瀝青路面表面層多采用AC-16、AK-16或SMA16，與常用的4cm路面厚度不匹配，是我國瀝青路面產(chǎn)生早期破壞的重要原因之一。
⑷瀝青表面層的功能主要為抗磨耗，因此也稱為磨耗層，這一層同時要抗老化。因此可以選用優(yōu)質(zhì)瀝青和集料，作者的觀點是3cm厚度經(jīng)濟，3cm的面層只能選用集料大公稱尺寸9.5mm的混合料。
⑸國外瀝青路面表面層的混合料類型明顯比我國常用的混合料要細(xì)。
⑹世界瀝青路面技術(shù)日新月異，新材料、新結(jié)構(gòu)、新概念、不斷涌現(xiàn)，特別是美國公路戰(zhàn)略研究計劃（SHRP）的研究成果-Sperpave技術(shù)更應(yīng)引起我們的重視，并認(rèn)真總結(jié)我們的經(jīng)驗教訓(xùn)，將我國瀝青路面質(zhì)量提高到一個新水平。
3.2 建議
（1） 建議立即對瀝青混合料級配，尤其是對16mm的各種混合料進(jìn)行深入研究。
（2）建議將車轍試驗的試件厚度改成4cm，對16cm混合料進(jìn)行試驗看看將會發(fā)生什情況

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