公路大修改造施工技术进步与发展（培训）

沥青路面结构质量控制技术进步与发展,城建道桥建设集团有限公司,主要内容：第一部分 高性能沥青路面典型结构组合设计第二部分 路面材料质量控制标准与管理 第三部分 工程设计级配与沥青混合料设计方法的改进第四部分 提高路面抗车辙性能的施工实践,一、高速公路路面早期破坏原因及分析 2001年，交通部组织专家对高速公路达1000公里省份进行调查路面早期破坏现象主要形式： （1）路面坑槽与剥落 （2）路面车辙与推挤 （3）路面网裂与唧浆 （4）路面水损害破坏,第一部分 高性能沥青路面典型结构组合设计,路面早期破坏的主要原因: （1）沥青与路面集料质量波动与管理失控 （2）沥青混合料设计方法存在不足 （3）路面结构厚度组合与工程级配设计不当,二、我国沥青路面结构类型使用分析 1. 目前我国沥青路面的典型结构,2. 关于半刚性基层的适应性 反射裂缝难以避免结构内部排水不畅结构厚度计算以设计弯沉为控制指标设计参数属静态指标国家指导或钢领性规范与地方规范标准,国外采用的沥青稳定碎石基层有两种结构: 一种是空隙大于15%18%的开式沥青混合料，代表性结构为铺筑在沥青的底部的排水式沥青稳定基层(asphalt-treatedpemeblebase,ATPB)； 一种是公称最大粒径大于19mm（大部分大于26.5mm）的密级配沥青混合料，其空隙率最多宽到不大于8%10%，粒径大于37.5mm的特粗式沥青稳定碎石混合料也称为大粒径沥青混合料（large-stone asphalt mixes）。,也就是说，在我国，沥青碎石混合料有三种： （1）我国传统上的半开级配沥青碎石（规范中的AM类），空隙率较大，通常在10%以上，其公称最大料径有小有大，没有限制 ，它只用于表面封水比较好的低级公路的下面层，不宜在高等级公路中使用。 （2）用于碎石基层上面的密级配沥青稳定碎石基层（空隙率常为3%8%,日本为3%12%），其粒径一般大于26.5mm，实际上相当于粗粒式沥青混凝土。国外的大粒径沥青混凝土也属这一种，称为ATB。,（3）用于碎石基层上面的大空隙排水式开级配沥青稳定碎石基层（空隙率常大于18%），基粒径一般大 于26.5mm。我国已经开始铺筑试验段，国外称为ATPB.,3. 复合式路面结构组合设计 碾压混凝土+水泥混凝土 （RCC+PCC） 水泥混凝土+沥青混凝土 （PCC+AC） 水泥混凝土+沥青混凝土 （PCC+AC）,3.1 RCC+AC技术,上世纪末，美国高速公路扩宽改造已大量采用此种技术，欧洲西班牙、英国和日本已形成技术指南和规范。我国几乎也是同时起步研究，通过试验路，同时在河南、厦门等地的应用，已初步形成复合式路面施工成套技术。,国内适宜采用的RCC+AC典型结构： 一级、高速公路: 2025cm RCC+1012cm AC 一级、高速公路：,AC,RCC,半刚性基层,1012cm,2025cm,20cm,一般国省道: 2025cm PCC+1012cm AC 一般国省道：,AC,PCC,半刚性基层,58cm,1820cm,1820cm,3.2 PCC+AC技术 我国公路大修改造工程中，对旧水泥混凝土路面（简称PCC）通常采用加铺罩面沥青混凝土（简称AC层）。这种旧水泥混凝土路面加铺AC层的复合式路面结构主要特点和影响因素有： （1） 加铺厚度组合受到一定限制； （2） AC层应当具有较强的整体抗剪切能力及抗车辙 能力； （3） AC层应当具有较强的抵抗来自旧混凝土板反射 裂缝能力； （4） 工程造价与投资规模受到一定控制。,目前，国内外加铺层设计方法一般有三种：有效厚度法、挠度法、与力学经验法。在美国AASHTO设计指南提供了基于有效厚度法的较完善的设计方法。该方法根据交通调查和预测确定加铺路面的结构能力，以此来计算满足此结构能力的混凝土路面厚度，然后根据加铺前的路面调查状况确定原混凝土路面的有效厚度，由此计算所需加铺的混凝土路面厚度，最后根据混凝土与沥青混凝土厚度转换系数确定沥青加铺层的厚度。挠度法是以路面挠度与加铺层厚度之间的关系为基层来验算得出加铺层厚度，美国地沥青协会、加拿大道路和运输协会、英国等都应用过此方法。,力学经验法是用力学模型确定现有路面和加铺层路面的极限应力、应变或挠度，利用一些经验破坏准则预估由交通和环境引起的损伤，评估旧路面状况或剩余寿命，由此得出加铺层的厚度。综上所述，旧水泥混凝土路面加铺沥青罩面层的设计方法完全基于理论计算的几乎没有，大部分是经验法。因此，在根据计算结果分析和参考现有其他设计方法的基础上，提出基于有效厚度的设计方法。,这一方法的基本概念是加铺层所需的厚度是新路面所需厚度与旧路面有效厚度之差： holL（hnhe） （ 1-1） 式中： holAC加铺层厚度； hn新路面厚度； he旧路面有效厚度； L应力吸收层系数,此处hn是指全厚式沥青路面的厚度，即直接铺筑在土基上的沥青厚度。在已知土基计算回弹模量和荷载参数时其值可通过弹性层状体系理论求得，也可通过程序软件计算得到。旧路面有效厚度的计算是将各层实际厚度乘以换算系数并求和得到： he hiCi （1-2） 式中：he旧路面有效厚度； hi和Ci第层的厚度和换算系数， Ci可按表1-1选取,确定旧路面有效厚度所用的换算系数 表1-1,采用应力吸收层能很好地缓和裂缝区加铺层底的不利应力，因此在达到相同加铺层使用寿命前提下，使用该层可减小沥青加铺层的厚度。为此，在设计中引入了应力吸收层系数的概念。考虑安全性，对于沥青橡胶类应力吸收层取0.8。 按式11求得的加铺层厚度还应满足最小厚度要求。,美国旧混凝土路面上加铺AC层的最小厚度，考虑了施工、AC混合料最大集料尺寸、交通量及投资等多种因素。美国联邦公路局的调查结论表明，AC层的最小厚度为3in（7.6cm）。根据近今年河南、广东、湖南等省的试验路初步结果，综合考虑施工水平、AC层抗反射裂缝、抗车辙能力以及投资等因素，建议我国旧水泥混凝土路面加铺AC层的最小厚度为：高速公路、一级公路为8cm，二级公路为7cm。 根据我国近今几年公路大修改造项目的施工实践，通过对已建成或通车的大修改造工程使用情况的调查分析，旧水泥混凝土路面加铺AC层的复合式路面结构设计可根据不同公路等级、交通量组成特征及气候环境选用以下典型结构，见表12：,我国（PCC+AC）复合式路面推荐典型结构（建议） 表12,第二部分 路面材料材料质量控制与管理,1. 关于改性沥青标准 我国标准： 按针入度（粘度）指标进行分级。 即：SBS、SBR、EVA、PE按四级划分。 分级指标：针入度或针入度指数 PI、延度、 软化点但不能回答适应气候条件及交通荷载条件 美国的PG等级： 根据沥青的高、中、低温粘弹特性，按照路面的 最高与最低设计温度，并结合交通条件来确定沥 青的性能等级。,按高分子聚合物的不同,我国将改性沥青分三类： （1）橡胶类：SBS （2） 热塑性橡胶类：SBR、SIS （3） 热塑性树脂类：PE、EVA,美国superpave中，按高、低温6 为一等级： 高温等级： T20mm（Tair0.00618Lat+0.2289Lat+42.2)0.954517.78 T20mm 路面设计高温 Tair1520年每年连续7天高温平均按98概率的统 计 Lat地理纬度,设计低温按最低平均气温的统计值计取 . 对改性沥青应考虑储存性能指标 主要检验软化点差 试验表明：当第3天，达到极值，第9天已超过允许值，因此，不超过四天贮存改性沥青储存性能衰减变化规矩试验，根据同三线全线均采用成品改性沥青供应的现状，对壳牌SBS改性沥青进行储存性能变化规律试验研究，试验成果汇总见下表1和图一：,表2-1 同三线SBS改性沥青离析试验汇总表由上表4分析可知，改性沥青贮存时间在第3天时软化点，离析差已达到允许极值，当贮存时间达到第9天，已超过允许值，因此，在工地现场，改性沥青贮存时间不宜超过4天，若超过4天，需对改性沥青主要指标重新进行检测，当贮存时间超过9天，改性沥青将舍弃，即降等级使用。,由上表2-1分析可知，改性沥青贮存时间在第3天时软化点，离析差已达到允许极值，当贮存时间达到第9天，已超过允许值，因此，在工地现场，改性沥青贮存时间不宜超过4天，若超过4天，需对改性沥青主要指标重新进行检测，当贮存时间超过9天，改性沥青将舍弃，即降等级使用。,2. 路面集料加工性指标的讨论 目前，沥青路面已成为我国高速公路和重交通道路主要路面结构类型。在我国高速公路罩面大修与国省道高等级公路大修改造工程建设中，沥青路面发生早期破坏现象屡见不鲜。沥青路面早期破坏形式主要表现为二类。一类为雨季后出现的水损害，一类为高温季节出现的车辙。沥青路面早期破坏发生的原因应当说是多方面的，但是路面集料的质量管理失控是其主要原因之一。集料质量差是目前公路大修改造工程建设中比较严重的问题，突出的表现为：材料不洁净、粉尘多、针片状含量超标、级配不规格等。我国工程建设中的路面集料大多数取自社会料场，各料场质量、规格参差不齐，使用时离析严重，混合料级配波动误差大，因此，加强现场集料加工质量的控制，这是提高和保证路面使用性能的重要措施。,在现行规范关于集料指标的技术要求中，按其性质可分为二类：一类是反映材料来源的“资源特性”，即材料的天然特性，它是石料产地所决定的，如密度、压碎值、磨光值等。另一类是反映加工水平的“加工特性”，如石料的级配组成、针片状含量、棱角型、砂当量、亚甲蓝值、细粉含量等。属于“资源特性”的指标往往受到产地和成本的制约，可选择和变更的余地不大。因此，正确理解与合理选择集料的加工性指标，且在施工现场从严控制，这是加强路面集料质量管理的重要内容。,2.1 粗集料针片状颗粒含量指标的取值与试验 路面集料中的细长扁平形状的针片状颗粒对沥青混合料的性能有重大影响。由于针片状颗粒很容易在施工过程中被刚性轮碾压和振动碾压所粉碎、折断，施工性能极差，而且在沥青混合料内部遗留下相当数量没有被沥青膜裹覆的折断面，成为混合料内部的微裂缝。这些微裂缝将使沥青路面在受力作用时产生应力集中而导致裂缝扩展开裂。 集料的针片状颗粒含量与石质有关，越坚硬的石料越容易产生针片状颗粒。而针片状颗粒的数量更取决于破碎设备的类型。压碎式的颚板式破碎机生产的碎石中针片状颗粒含量较多，撞击破碎的冲击式破碎机、锥式破碎机则要少得多。即使同样为打击式破碎机，但锤重、锤的数量、打击频率对针片状颗粒的数量也有较大影响。,因此，粗集料针片状颗粒含量是集料的一个重要指标，试验结果表明，针片状颗粒在施工中和在交通荷载作用下容易破碎，路面集料的破损情况与粗集料的针片状颗粒含量关系密切。关于测定方法，我国公路工程集料试验规程（JTG E422005）已明确规定，对于沥青混合料及基层、底基层集料统一采用游标卡尺量取，而规准仪适用于水泥混凝土集料。 关于采用什么样的指标标准来评价粗集料针片状颗粒含量问题，在SUPERPAVE中仅规定1：5一个标准，要求在交通量大于100万辆的路段不得超过10%。但实际上小于1:5的颗粒含量很少，所以研究认为以1:3或1:2来评价针片状颗粒含量比1:5要好。尽管对粗集料的规定中有1：3和1：5两个不同标准的要求，但实际上只有1：3的有用，并且要求针片状颗粒含量小于20%。,上世纪90年代，在我国，采石场集料破碎机械仍比较落后，针片状颗粒含量超标的问题非常突出，所以在制定规范时对此指标的争议较大，当初在制订公路沥青路面施工技术规范（JTJ032-94）时要求不大于15%，是出于促使我国集料加工水平的目的从严要求，为了达到此要求，必须改变破碎设备有颚板式破碎为锤击式才有可能。后来公路沥青路面设计规范（JTJ014-97）的条文说明中又提到要求粗集料的针片状颗粒含量应不大于10%，据施工单位反映，此要求有时实在难以达到，即使达到要求，但粗颗粒的棱角性损失较多，因此根据国外标准和我国的具体情况，目前仍维持要求小于1：3比例的颗粒含量必须不大于15%的要求是合理的。即要求小于1：3的比例的颗粒含量不大于15%。,