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抗车辙技术在道路工程中的应用

摘要:车辙是沥青路面特有的一种损坏现象,是导致沥青路面早期损坏的主要病害之一,文章从沥青路面的结构、原材料的要求、混合料的配合比设计,抗车辙沥青的生产及施工工艺等方面简要介绍了沥青路面抗车辙技术特点,并以连霍高速(星哈段二期)建设工程为例,对抗车辙技术进行了探讨。

作者:李建波

1 概述

我国的高等级公路建设的飞速发展,与此同时,高等级公路建设及运营期所暴露出的技术问题也日趋严重,许多路面在通车1~2年,甚至更短的时间内就发生不同程度的早期破坏,造成了巨大的经济损失。其中沥青路面早期损坏又以路面车辙破坏为主,特别是近几年来建成的相当一部分高等级公路,在通车半年到一年左右的时间内,竟产生了严重的早期车辙现象。如连霍高速星哈段(位于新疆自治区哈密地区境内),该段公路行车密度大,地处高温与严寒交替带,自然环境恶劣,一期工程建设时未考虑抗车辙问题,在二期建设时又将车辆全部改到一期通行,交通流量增大;作为进疆的咽喉要道,重载、超载车辆在交通量中所占比例较大,行车不到一年就产生了严重的车辙,直接影响行车的安全性和舒适性。

大量调查和研究表明,高等级公路严重的车辙损坏与当今高等级公路的交通特点和环境密切相关,其主要表现为交通渠化现象普遍、交通量大、重载、超载车辆在交通量中所占的比例越来越大。以连霍高速星哈段为例,由于这条路承担着进疆公路运输货物及人员95%以上的运输重任,另外哈密煤炭及矿产资源丰富,车辆的超载情况比较严重,且夏季时间长,温度高,极端最高气温达到42-44℃,沥青路面表面温度可达70℃以上。

连霍高速星哈段是内地进疆的交通要道,位于新疆哈密地区,设计为分离式高速公路,一期为新建道路,于2010年8月建成通车。二期为部分利用老312国道改建、新建部分,建设期将车辆改移至一期通行。一期通行不到一年,部分路段出现严重的车辙现象,车辙深度最大可达7-8cm,标线位移最大处可达70-80cm,严重影响行车的安全性和舒适度。因此在二期的路面施工前对原图纸进行了设计变更:上面层采用SBS改性沥青,中面层外加抗车辙剂(掺加量0.35%),下面层采用骨架密实结构,因此在二期进行有效的车辙病害处理时非常必要和及时的。

另一方面,一期的路面在材料的使用方面主要采用的是普通沥青和AC类沥青混合料,路面结构层为4+6cm,在使用性能方面存在很多问题。在二期时,针对一期存在的问起路面设计为三层为4+5+7cm,其中中面层沥青混合料外参抗车辙剂,上面层面层采用SBS改性沥青。

2 沥青面层抗车辙结构设计

一般认为,产生车辙的主要原因是沥青混合料的高温稳定性不足,是车辙产生的主要原因,但并不全面。研究表明,路面车辙的产生出了混合料本身的原因之外,还有结构因素,比如:沥青路面的合理厚度和厚度匹配、沥青路面的整体性以及各结构呈模量的匹配问题这些也是重要的因素,也是往往被忽略的因素。应根据各层的功能和要求有针对性地进行抗车辙面层的结构设计。

一期的路面在材料的使用方面主要采用的是普通沥青和AC类沥青混合料,路面结构层为4+6cm两层沥青,在使用性能方面存在很多问题。因此在二期时,针对一期存在的问起路面设计为三层为4+5+7cm,其中中面层沥青混合料外参抗车辙计,上面层采用SBS改性沥青及外加抗车辙剂,层次间为改性乳化沥青粘层油。

3 沥青混合料的配合比设计

沥青混合料的性能尤其是高温稳定性对抗路面车辙具有重要的作用,沥青混合料的高温稳定性不足时产生车辙的最直接内因。因此在二期设计中优选沥青结合料、选用适宜的外掺剂等从多角度、全方位提高沥青混合料的高温稳定性和耐久性。

3.1 原材料的选择

沥青结合料中面层部分及下面层采用国产道路90号沥青,中上面层采用国产改性SBS沥青。粗集料选用坚硬、多棱角、纹理粗糙、形状接近正方体的碎石;细集料选用洁净、干燥、无风化、无杂质并有适当的颗粒级配;矿粉采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨细得到的矿粉,矿粉应干燥、洁净、能自由的从矿粉仓流出;抗车辙剂采用北京交通部科研所生产的,其形状为4mm颗粒物,主要成分为聚合物。

3.2 沥青混合料级配的确定

沥青上面层采用中粒式SBS改性沥青混凝土AC-16C型,中面层采用中粒式沥青混凝土AC-20C型(掺加量0.35%)抗车辙剂,下面层采用中粒式沥青混凝土AC-25F型,选定了沥青结合料和矿料的级配范围后,通过试配法确定混合料的矿料配合比,并通过马歇尔试验判断矿料级配的合理性并确定混合料的最佳油石比和矿料配合比。

经通过目标配合比设计、生产配合比设计及生产配合比验证三阶段设计,确定的AC-25F标准配合比:1#:2#:3#:4#:5#:矿粉=27.5:12:12:27:17:4.5,油石比,3.6%;AC-20C标准配合比为1#:2#:3#:4#:5#:矿粉=25:9:23:34:5:4,油石比为3.8%;AC-16C标准配合比为1#:2#:3#:4#:5#:矿粉=30:11:20:33.5,油石比4.5%。

3.3 沥青混合料的性能

为了检验沥青各面层沥青混合料的路用性能,尤其是沥青混合料的高温抗车辙性能,在室内对抗车辙沥青混合料AC-16C和AC-20C的性能进行了评价,矿料级配采用骨架密实结构、改性沥青和掺加外掺剂后,沥青混合料的高位抗车辙性能得到了明显的提高,其他指标也满足设计指标要求。

4 抗车辙剂沥青混合料的生产

沥青混合料的生产时沥青路面施工的关键环节。其看品质量直接影响沥青路面的施工质量,同时由于产品试验检测的滞后性,使得沥青混合料拌合的过程控制显得尤为重要。为使外掺剂与混合料充分混合均匀,以保证抗车辙沥青混合料卓越的抗车辙能力,在抗车辙沥青混合料的拌合过程中,必须注意混合料的施工温度、外掺剂的添加量、添加时间及拌合时间。

外掺剂要求在添加沥青之前,直接将该聚合物颗粒定量投入到热集料中,干拌一定时间后即可加入沥青,通过集料颗粒的剪切力进行分散,达到提高混合料高温稳定性的目的。为保证外掺剂的添加剂量、添加时间的准确性,采用FM-5000多功能投料机自动添加抗车辙剂,使用效果良好。在生产过程中,对抗车辙沥青混合料的性能进行了检验,数据跟室内扛车辙试验数据偏差不大,抗车辙沥青混合料的高温性能、水稳定性能均能够满足要求,且高温抗车辙性能指标—动稳定度值不仅满足规范的要求,而且有较大幅度的提高,说明矿料级配的调整、外掺剂的加入及混合料生产工艺的改善大大提高了沥青混合料的高温抗车辙性能。

5 抗车辙沥青路面的施工

施工顺序按基层清理、撒布沥青表面处治下封层、下面层施工、改性乳化沥青粘层油撒布、中面层施工、改性乳化沥青粘层油撒布、上面层施工依次进行。采用沥青摊铺机,摊铺温度控制在165~175℃,摊铺速度控制在1~3m/min。沥青混合料的碾压采用胶轮碾压加钢轮压路机联合作业方式,初压采用钢轮压路机,然后采用胶轮压路机和钢轮压路机复压,最后终压采用钢轮压路机静压。压路机紧跟摊铺机进行碾压,做到“紧跟、有序、慢压、高频、低幅”,尽量保证沥青混合料在高温条件下完成碾压。碾压过程中,严格控制了压路机的洒水量,以沥青不粘轮为原则。待沥青路面完全自然冷却,混合料表面温度低于50℃开放交通。在施工中严格控制施工压实度,沥青层的压实度均不低于97%。

6 抗车辙沥青路面的检测

G30国道星哈段工程竣工后进行了外观检测,路面表面平整美观,混合料密实。在外观检测的的基础上,还进行了路面变形检测,其路面变形很小,抗车辙效果良好。

7 结语

沥青路面抗车辙技术室一个系统的术语,包括路面结构设计、材料设计以及施工工艺控制,这些方面相互联系,才能真正发挥作用;技术的使用应根据交通量的状况、材料特性、施工管理水平、经济条件以及预期性能等,进行具体的分析和设计。抗车辙沥青路面的结构设计和材料设计是保证沥青路面性能的根本,只有经过合理的结构设计和材料设计才能发挥路面抗车辙的性能;施工工艺是连接设计和应用的桥梁,是保证路面性能的重要环节,只有经过严格规范的施工,才能实现设计的目标。