[01271516]重载交通长寿命沥青路面关键技术研究

1) 任务来源　　随着我国公路交通事业的蓬勃发展，交通运输呈现出“大流量、重载和渠化”的特点，导致路面出现严重的早期破坏现象，其中对沥青路面使用性能和使用寿命影响最大的为结构性破坏、水破坏和辙槽。许多地区出现了“当年修，当年坏”的现象。　　长沙理工大学、同济大学、河北省交通勘察设计研究院、河北省沿海高速公路筹建处、湖南省醴潭高速公路建设开发有限公司、中海油气开发利用公司、交通部公路科学研究院经过充分交流与协商，决定就交通部西部交通建设科技项目“重载交通长寿命沥青路面关键技术研究”(项目编号：2005 318 000 01)共同进行研究。项目组于2005年3月向交通部西部项目管理中心提出了科技项目申请，2005年6月交通部批准了此项目，并下达了项目任务书。　　2) 应用领域和技术原理　　本课题的研究对象是重载交通公路的沥青路面，研究内容是我国研究最深入，使用得最普遍最成功的半刚性基层沥青路面。试验路的路面结构是按照20世纪60年代初交通部公路科学研究所路面研究组提出的“强基薄面稳土基”路面设计理论及四个设计内容，即路面结构设计、材料(含原材料和混合料)设计、厚度设计与路基路面综合设计进行的。　　项目研究目的意义是要成功铺筑一条长寿命半刚性基层沥青混凝土面层试验路。试验路的路面结构强度足够承担重载交通的反复作用，在40年内不产生结构性破坏。其沥青混凝土面层有优秀的使用性能，如密实不透水，不易产生明显的水破坏，表面有优良的抗滑性能，在10年内沥青面层的辙槽深度小于15mm。总之，表面层的重铺或加铺一层的周期在10年以上。成功的沥青面层可推广应用于新建高速公路和旧沥青面层的重建；可以基本解决我国高速公路半刚性基层沥青路面的早期破坏，显著减轻日益增大的路面养护维修的压力。试验路的成功经验可以推广应用于今后新建和改建的重载交通国道主干线、高速公路的长寿命半刚性基层沥青路面。　　长寿命半刚性基层沥青路面的成功，可在国际会议上介绍，将对世界路面技术水平的提高做出贡献。　　3) 性能指标（写明合同要求的主要性能指标和实际达到的性能指标）　　研究目标是使重载交通公路的半刚性基层沥青路面达到长寿命的要求。这是一个崭新的课题。一些国家已有的可谓长寿命路面，是从以往建成的很多高速公路和干线公路中按照暂定的条件挑选出来的。例如，2002年美国联邦沥青技术中心，以35年无结构性破坏，每次表面层需罩面或重铺修复的间隔大于12年为标准，颁布了长寿命路面奖，约20个州的近40个路段获奖，大部分为州际高速公路或公路主干线，但其交通状况属轻交通量。　　本课题不是简单的室内分析与室内试验，而是要真正建成一条达到研究目标要求的试验路。在本课题的研究过程中，充分吸取了我国半刚性基层沥青路面已有的设计与施工正、反两方面的经验以及最新的研究成果。　　课题的研究内容：　　1) 确定长寿命半刚性路面的结构设计，使其承载能力能满足重载交通和长寿命的需要；　　(1) 减少路面承载能力的变异性；　　(2) 保持路面承载能力的稳定性；　　2) 多碎石沥青混凝土SAC系列的室内外试验验证；　　(1) 紧密骨架密实结构、一般骨架密实结构、疏松骨架密实结构和悬浮式密实结构SAC各自的适用场合；　　(2) 长寿命路面紧密骨架密实结构SAC的试验路验证。　　3) AH-30硬质沥青的应用；　　4) 完善沥青混凝土抗剪强度的简易测试方法；　　5) 水泥碎石CBG基层的级配设计和密实性检验；　　6) 保证CBG和SAC级配及其稳定性的新施工工艺； 　　7) 铺筑长寿命半刚性路面结构试验路段；　　8) 试验路段的观测和检验。　　解决的关键技术问题：　　(1) 长寿命半刚性路面的结构设计；　　(2) 长寿命路面粘结防水层和粘结层的设计与施工；　　(3) 新SAC系列的矿料级配设计、检验与施工；　　(4) AH-30硬质沥青的应用技术；　　(5) 新水泥碎石基层CBG-25的设计与检验；　　(6) CBG和SAC拌和机的机械配置和改造。　　(7) 沥青混凝土抗剪强度的简易测试方法。　　4) 与国内外同类技术比较　　本课题从总结已建高速公路半刚性基层沥青路面正负两方面的经验开始，通过理论研究、室内试验和试验路的实施，达到了预定目标。　　主要研究成果：　　(1) 新多碎石沥青混凝土SAC的设计、检验与施工　　沥青面层采用了已于2007年获得国家发明专利证书的研究成果，并已有被评为全国三个一百之一的原创性著作。　　SAC系列的四种不同结构，即紧密骨架密实结构(粗集料含量70%左右)，一般骨架密实结构(粗集料含量65%左右)，疏松骨架密实结构(粗集料含量约60%)和悬浮式密实结构(粗集料含量不足60%)。这四种结构分别用于不同场合。　　粗集料断级配SAC的矿料级配设计，分粗集料各个筛孔通过量的设计和细集料各个筛孔通过量的设计。以往标称最大粒径以上还有0－10%的较大颗粒。这少量大颗粒不利于室内平行试验的均匀性，也不利于施工现场该层表面的均匀性。所以在SAC的设计中，设定Dmax的通过率为100%。　　为了检验规定矿料级配是否适合某种岩石品种的粗集料，研究得到了两阶段检验理论和检验方法。第一阶段对原材料进行检验，称VCADRF方法，第二阶段对沥青混凝土试件进行检验，称VCAAC方法。这两个方法的基本原理都是粗集料骨架间的孔隙率恰好被细集料、填料、沥青的体积填满，同时保留部分空气率(如2%－4%)。　　(2) 水泥稳定碎石基层级配设计与检验方法　　水泥碎石基层粗集料断级配CBG-25的级配设计和检验方法。此成果于2006年9月申请国家发明专利，已于2007年公示。　　检验方法的基本原理是，混合料设计用重型击实试验法得到7天龄期设计强度6MPa的水泥剂量、最佳含水量和最大干密度后，计算试件中粗集料的含量，孔隙率；此孔隙率被水泥、细集料、粉料和有效水的体积填满后，还余留2%空气率。　　满足此条件的水泥碎石基层养生结束后，曝晒2.5－3个月，其表面虽被行车跑散3－5mm，但无坑洞，扫除松散料后仍是一块完整板体，在约4km的路段上，只有363m一小段，由于施工时下雨产生了7条横向收缩裂缝，90%多路段无裂缝。被认为是奇迹。研究还得到了对CBG-25强度很不敏感的级配范围。其上限是美国用于沥青混凝土的富勒公式的级配曲线，下限是我国得到的中断级配。　　(3) 路基隔断层的设置　　在土基下1.5m处设置水平沥青膜隔断层，阻止气态水上升，底基层底面向下两侧用防水土工膜做垂直向下直至隔断层的防水墙，以保持此深度范围内的土基强度稳定。这是国内首次实现稳土基和路基路面综合设计的要求。国外未见相似技术报导。　　(4) 研制成功粗集料单一粒级专用筛分机。　　可将CBG-25和SAC25-1的粗集料筛成26.5－19mm，19－13.2mm，13.2－9.5mm和9.5－4.75mm四个单一粒级的料。此设备是我国发明的。第一台样机在秦皇岛试验路的碎石厂首次试用，基本成功。筛得的粗集料中很少粉尘和泥土颗粒，除满足上述新施工方法外，还有利于提高混合料的质量。　　(5) 水泥碎石基层和沥青面层施工方法　　研究得到的新工艺主要针对CBG和SAC的拌和厂的设备配置和改造。如料斗增加到6个，每个料斗下各配一条称量准确度在±0.5%以内的电子秤，以准确称量各个料斗供给主输送带的数量，保证冷料有要求的稳定的级配。　　基层与沥青混合料的施工方法于2006年11月申请了国家发明专利，2007年正式公示。　　(6) 重载交通长寿命沥青路面实体工程的修筑　　实体工程之一是2007年5月完成的基本符合要求的湖南省醴潭高速公路上重载交通长寿命沥青路面试验路，长2910m。另一条是完全实现设计思想的河北省沿海高速公路秦皇岛重载交通长寿命沥青路面试验路，长2740m，另加对比段共约5km，含一座大桥长880.7m。　　(7) 秦皇岛试验路设计的5个创新思想　　① 设置沥青膜隔断层和垂直防水墙；　　② 将厚8cm、11cm和14cm的中下面层合成一层称底面层，采用AH-30沥青SAC25-1级配，便于备料和一次摊铺及一次碾压；　　③ 考虑水泥碎石基层CBG可与SAC底面层用同一种岩石破碎的粗集料，采用CBG级配的最大粒径与SAC-25相同，便于备料。所备粗集料可先用于CBG-25，后用于SAC-25。　　④ CBG-25采用粗集料含量64%的中断级配，既易于用普通双钢轮双驱动振动压路机压实，强度也高；　　⑤ 从源头抓起，狠抓备料。　　(8) 秦皇岛试验路的竣工路面结构与施工技术措施　　为实现创新设计思想，施工采用了6个创新措施：　　① 在2740m长的试验路上，随路基高度而变，实施了隔断层和防水墙，隔断层的实际深度为0.8m－1.5m。土基竣工时用贝克曼梁测得土基顶面97.7%概率的代表弯沉值在1.95mm－2.72mm之间。相当于回弹模量62MPa－43MPa。　　② 使用了国内外第一台粗集料单一粒级专用筛分机。　　③ 水泥碎石拌和机与沥青混合料拌合机的料斗都增加到6个，其中4个装单一粒级粗集料，2个装合适的细集料。　　④ 每个料斗与冷料仓下面都安装一台称量准确度达到±0.5%以内的电子秤，达到狠抓原材料的目的。　　⑤ 用两台有效拌和长度达不到3m要求的水泥碎石拌和机串联在一起，先加粗细集料、水泥和水入前一台拌和机拌和；初步拌和的混合料由输送带送入第2台拌和机再次拌和，使水泥碎石混合料更均匀，强度更高。　　⑥ 新型羊足碾的应用及其奇特效果　　新型羊足碾是指圆形钢碾轮表面密布着一个一个长方形梯形断面凸块，凸块厚10cm。新型羊足碾碾压后，土基表面会密布一个一个长方形的凹坑。利用这个特点，课题负责人向施工单位提出一项特殊要求，即要求土基碾压结束前，再用羊足碾碾压几遍，使土基表面密布一个个凹坑，必要时可先喷洒适量水，使土基表层稍湿，容易形成凹坑。据观测，凹坑的深度约5－6mm。在密布凹坑的土基上，铺筑二灰土底基层的下层。下层二灰土碾压结束后，约过10h(小时)，再用新型羊足碾碾压数遍，使二灰土层表面也密布一个个凹坑。然后铺筑上层二灰土底基层。此层与下层一样，最后也用新型羊足碾碾压数遍，使其表面也密布一个个凹坑。　　在密布凹坑的上层二灰土上铺筑水泥碎石基层的下层，下基层碾压结束后，形成二灰土下层与土基互相紧固嵌入，两层二灰土互相紧固嵌入，水泥碎石下基层与二灰土底基层互相紧固嵌入。它与一层层互相粘结叠加在一起的作用有本质上的差别。前者，哪一层都不是独立的，都不可能在其底面产生任何拉应力和拉应变，即哪一层都不可能产生破坏，它将保证路面结构是长寿命的。而后者，一层层的底部都会产生拉应力和拉应变，哪一层都可能产生单独破坏。　　5) 成果的创造性、先进性　　主要创新点如下：　　1) 首次提出了SAC沥青混凝土级配设计方法，研究得到了两阶段检验理论和检验方法。第一阶段对原材料进行检验，称VCADRF方法，第二阶段对沥青混凝土试件进行检验，称VCAAC方法。　　2) 首次提出了水泥碎石基层粗集料断级配CBG-25的级配设计和密实性检验方法。　　3) 首次在国内实现稳土基和路基路面综合设计的要求，即在土基下1.5m左右处设置水平沥青膜隔断层，阻止气态水上升，底基层底面向下两侧用防水土工膜做垂直向下直至隔断层的防水墙，以保持此深度范围内的土基强度稳定。　　4) 研制出了粗集料单一粒级专用筛分机，可将CBG-25和SAC-25的粗集料筛成26.5－19mm，19－13.2mm，13.2－9.5mm和9.5－4.75mm四个单一粒级的料。　　5) 完善了主要针对CBG和SAC拌和厂的设备配置和改造的新工艺。　　6) 完善了能提高生产效率的碎石加工与施工工艺。考虑水泥碎石基层CBG与SAC底面层可用同一种岩石破碎的粗集料，采用CBG级配的最大粒径与SAC25-1相同，便于备料。同时将厚8cm、11cm和.14cm的中下面层合成一层称底面层，采用AH-30沥青和SAC25-1级配，便于备料和一次摊铺及一次碾压。　　7) 提出了路面结构层层间可靠的粘结与防水技术。在表面层下设置粘结防水层，使表面