重载交通长寿命沥青路面关键技术的研究

1 重载交通长寿命沥青路面关键技术的研究 报告简本

课题的研究对象是重载交通公路的沥青路面，研究目标是使半刚性基层沥青路面达到长寿命要求，这是一个崭新的课题。课题除室内分析、试验研究外，要真正建成一条达到研究目标的试验路。路面结构按20世纪60年代初交通部公路科学研究所路面组提出的“强基薄面稳土基”设计理论及其所含四个内容进行。即路面结构设计、材料设计、厚度设计、路基路面综合设计。 取得的主要研究成果有： 1. 新SAC系列在工程实践中的成功应用 新SAC系列的设计理念：将沥青面层的早期破坏与达到面层的功能要求结合在一起同时解决。采用《多碎石沥青混凝土SAC系列的设计与施工》一书的研究成果。 SAC系列包括常用做基层、底面层、中面层和表面层的SAC-30、SAC-25、SAC-20、SAC-16、SAC-13和SAC-10等多种。矿料级配中粗细集料的分界筛孔统一为4.75mm，即≥4.75mm的颗粒称粗集料，≤4.75mm的颗粒称细集料，<0.075mm的颗粒称填料。因此，粗、中、细SAC的粗集料可筛分的粒级是不同的。例如，SAC-25的粗集料可筛分成26.5~19mm、19~13.2mm、13.2~9.5mm和9.5~4.75mm四个粒级；SAC-16的粗集料，只能筛分成16~13.2mm、13.2~9.5mm和9.5~4.75mm三个粒级。而全部SAC的细集料都可以筛分成4.75~2.36mm、2.36~1.18mm、1.18~0.6mm、0.6~0.3mm、0.3~0.15mm和0.15~0.075mm共六个 2

粒级。 1.1 SAC粗集料断级配的矿料级配设计 所谓粗集料断级配是指矿料级配中以粗集料为主，或占多数(通常不少于60%)，设计粗集料的级配时，是一个幂函数，设计细集料的级配时，又是另一个幂函数。提出的矿料级配设计方法，分粗、细集料各个筛孔通过量的设计。所用的基本方程为式(1)。 BidiD

dAP

max (1)

此式中的Dmax是实际最大粒径。以往标称最大粒径以上还有0~10%的较大颗粒。此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%。 由于式(1)中有两个未知数A和B，要解这两个未知数必须建立两个联立方程。设计SAC粗、细集料各个筛孔的通过量需要有三个控制点，一个是Dmax的通过量100%，第二个是4.75mm的通过量30%~40%，第三个是0.075mm的通过量4%~8%，且Dmax

愈大，0.075mm的通过量愈小。 计算SAC-25粗集料各个筛孔通过量的方程式为式(2) 7004.05.26100ididP (2)

计算SAC-25细集料各个筛孔通过量的方程式为(3) 4857.075.430ididP (3)

1.2 建立了两阶段检验理论和检验方法 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 3

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%)。上述粗集料断级配沥青混凝土矿料级配方法和检验方法，于2007年3月7日获国家知识产权局颁发的发明专利证书。 1.3 完善并提出了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。 1.4 新SAC系列的六个优点 1) 密实透水性小，不易产生水破坏； 2) SAC是国内所用级配中，高温抗永久形变能力最强的； 3) 表面构造深度大，秦皇岛试验路竣工后，测得50个点的表面构造深度TD平均1.18mm，变异系数Cv=14.2%； 4) 可以趁沥青混合料温度高时，用振动压路机从开始到复压终了都振动碾压。既不会产生沥青混合料推移，也不会出现横向裂纹现象； 5) 很少粗细集料离析，表观现象美观； 6) 价格低廉，由于SAC沥青混合料的油石比小，SAC-25的油石比只有3.4%~3.5%，SAC-16只有4.4%~4.5%，SAC-13只有4.5%~4.6%，它比SMA的油石比(6.0%)小得多，也比规范中的AC-I型明显小，但性能好。可以说SAC是价廉物美。 2. 设计新水泥碎石级配的理念 粗集料断级配密实水泥稳定粒料的级配设计方法及其密实性 4

检验方法的研究成果于2006年9月申请国家发明专利，并于2007年公开。设计方法采用的基本方程同式(1)。其粗、细集料各个筛孔通过量(%)的设计方法与SAC的设计方法基本相同。 为了求解式(1)中A和B的值，需要建立两个联立方程。为此设定，di=26.5mm时，P26.5=100%；di=4.75mm时，P4.75=36%。采用P4.75=36%是因为现场容易碾压密实。由此可得计算粗集料(4.75mm~26.5mm)各个筛孔通过量的方程为式(4)。 594.05.26100ididP (4)

计算细集料级配的方程时，一个控制点是4.75mm的通过量36%，另一个控制点是0.075mm的通过量，其值为3%~5%。为提高水泥碎石的抗弯拉强度和回弹模量，矿料级配中应有3%~5%＜0.075mm的粉料。用此建立两个联立方程后，得计算细集料各个筛孔通过量的方程式为式(5)。 4759.075.436ididP (5)

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天龄期设计抗压强度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1.6%~2%空气率。秦皇岛试验路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，在近5km的路段上，只有363m一小段，由于施工时下雨产生了7条间距8~106m的横向收缩裂缝，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 5

感的级配范围。其上限是美国100年前用于沥青混合料的富勒公式的级配曲线，下限是笔者研究得到的中断级配曲线。 3. 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。 4. 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(详见p.7中8.2.3~8.2.4)，保证冷料有达到要求的稳定的级配。水泥碎石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年正式公开。 5．研制成功粗集料单一粒级专用筛分机。可将CBG-25和SAC25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。 6. 应用上述研究成果的实体工程 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试验路，长2910m。另一条是2007年10月完成的完全实现设计思想的河北省沿海高速公路秦皇岛试验路，长2740m，另加对比段共约5km，含一座大桥长880.7m。以下介绍秦皇岛试验路。 7. 秦皇岛试验路设计的5个创新思想 7.1 设置沥青膜隔断层和垂直防水墙。 6

7.2 将中下面层总厚无论是8cm、11cm或14cm合成一层，称为底面层，采用SAC25-1级配和AH-30硬质沥青，便于备料及一次摊铺一次碾压。 7.3 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SAC25相同，便于备料。所备粗集料可先用于CBG-25，后用于SAC25-1。 7.4 CBG-25采用粗集料含量64%的中断级配，既易于压实，强度又高，干缩性也显著减小。 7.5. 从源头抓起，狠抓备料。 8．秦皇岛试验路的路面结构 8.1 试验路的竣工路面结构见图1，SAC均为紧密骨架密实结构。

8.2 试验路施工采用的6个创新措施 8.2.1 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，见图2。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，相应的土基回弹模量为61.7~43.2MPa。

图1 试验路路面结构图

4cm，SBS改性沥青，SAC16-1 SBS改性沥青粘结防水层

70号沥青粘结层 8-14cm，AH-30，SAC25-1

19cm，CBG-25水泥稳定碎石

70号沥青隔断层 19cm，LFS石灰粉煤灰土

0.8-1.5m深土基 压实路基

19cm，LFS石灰粉煤灰土

19cm，CBG-25水泥稳定碎石 水泥粉或净浆粘结

互相紧固嵌入