瀝青路面結構層厚度與瀝青混合料類型選擇

瀝青路面結構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構層厚度與瀝青混合料類型選擇不匹配，瀝青路面結構層厚度至少應為集料大公稱尺寸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現了一些早期破壞，如：松散、泛油、剝落和坑洞等現象，而這些現象的出現的主要原因，就瀝青路面本身來說，可歸結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規范》規定的水損害指標不足以防止水損害，因為馬歇爾密度滿足規范要求，路面空隙率仍可能超過8%。如果在馬歇爾壓實度的基礎上規定了空隙率不8%，或者應用了較為科學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構層厚度不匹配，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，導致松散、泛油、剝落和坑洞等早期損壞。
1 現狀分析⑵⑶⑷⑸
《公路瀝青路面施工技術規范》（JTJ 032－94）規定：根據不同地區道路等級及所處層位的功能要求，從表7．1．3中選擇適當的結構組合，并應遵循以下原則：
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構，至少有一層為型密級配瀝青混合料；
⑶多雨潮濕地區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、下面層及聯結層的集料大粒徑不宜超過層厚的2/3。
表1是規范中表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
結構層次 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規范》（JTJ 032－94）條文說明第113頁陳述：“根據與先進的國外標準盡社一致的原則，經組織國內專家多次協商討淪，本規范考慮一次到位，按照日本、澳大利亞的規定，全部采用ISO565的R40/3系列的標準篩孔和按照我國習慣全部采用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個篩孔為標準篩孔”。加黑的篩孔尺寸是非標準篩孔尺寸，美國與澳大利亞的規范均沒有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。
另外在規范2.1條術語中找不到關于集料大粒徑的定義，當然也在找不到集料大公村尺寸的定義。從2.1.43~2.1.47關于砂粒式瀝青混合料、細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。這與規范中表7.1.2的定義是一致的。
但是如來研究一下規范表D.7瀝青混合料礦粉級配及瀝青用量范圍（方孔篩），就會發現：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，這種集料尺寸應稱為什么尺寸呢?
根據美國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。
根據這個定義檢驗規范表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是非標準篩號，規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，由于規范中所有國家均沒有16.0mm這一尺寸，按這些國家的規定13.2mm上一級應是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，按照經驗的規定路面結構層小至小應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。
我國現行高速公路的瀝青路面結構層厚度與瀝青混合料類別大體有下列幾種典型結構，見圖1。
圖1 我國現行高速公路瀝雷路
(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構圖。京津塘高速公路瀝青路面使用的LH20相當于AC－16，京津塘高速公路表面層是5cm。中面層LH30相當于AC－25，它的小厚度應為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嚴重的水損害問題。下面層LS40相當于AC-35，它的小厚度應是10.5cm。
圖1（6）為南方某省正在建設的一條高速公路，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，由于級配遠離大密度線，空隙率較大，通車1年后就有局部水損害現象發生，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重。
圖1中（4）為北方某高速公路，建好不到1年就發生了嚴重的早期破壞，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構層與瀝青混合科類型相比，均不能滿足集料大公稱尺寸3倍的經驗法則。根據調查表明：表面層空隙率在6％～13％之間時，是發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，水不容易流進去；而在這一范圍的空隙率是水容易進而不容易出的狀態，在行車作用下路面逐步壓實，原來聯通的空隙不聯通了，這些空隙中的水在行車作用下產生空隙水壓力，重車再加上超載車多，空隙水壓力也大，更容易產生水損害，這也是一些高速公路在建好不久后就出現水損害的原因。
2 國外狀況
德國瀝青路面修訂技術合同條件及及規范（德國交通部公路局）1994年版本中關于承重層（頂層，相當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。其結構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，鋪筑厚度和結構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
結構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
作為聯結層的執拌瀝青混合料（相當于我國的中面層熱拌瀝青混合料）鋪筑厚度和結構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
結構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得多，即使是16mm混合料，小厚度也是5.0cm，表面層結構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）中規定結構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
結構層厚度/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 中等交通磨耗層 重交通磨耗層 常用聯結層和基層 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。
芬蘭瀝青規范連續級配熱拌瀝青混凝上（AC）共有6個類型，表面層：AC8、AC12；聯結層：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
聯結層 19~37.5
底面層 25~37.5
根據1998年出版的Superpave施工指南的建議，作為經驗法則，瀝青路面結構層厚度應等于或大于集料大公稱尺寸的3倍，對于粗的混合料，這個比例還應增加。
過去常用的瀝青路面結構層厚度的經驗規則為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大尺寸就是現在的12.5mm公稱尺寸。因此，可以將過去2：1的大尺寸可用現在的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。認為16 mm的上一級19 mm為大尺寸，按19mm的2倍，4cm厚面層應該說是沒有問題的，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，而且級配尺寸不規范。如果我們看規范的尺寸，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為6cm就夠了，這是錯誤的，這是因為26.5mm的上一檔應該是37.5mm，所以結構層厚度至少7.5cm才足夠。
3 結論與建議
我國高速公路瀝青路面早期損壞現象是普遍的，在某些地方甚至是很嚴重的。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真，嚴格按規范要求去做，路面還會發生損壞？美國在二十世紀80年代按規范修筑的路面也發生了許多早期損壞，如車轍、剝落等等，這就是美國為什么會開展美國公路戰略研究計劃的原因他就是說要從傳統的經驗規范向性能規范發展。我們應認真學習美國的經驗教訓，少走彎路。
3.1結論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構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，應該引起足夠的重視。
⑵瀝青路面結構層厚度與瀝青混合料類型應相匹配，還常路面結構層厚度應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。因此可以選用優質瀝青和集料，作者的觀點是3cm厚度經濟，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。
⑹世界瀝青路面技術日新月異，新材料、新結構、新概念、不斷涌現，特別是美國公路戰略研究計劃（SHRP）的研究成果-Sperpave技術更應引起我們的重視，并認真總結我們的經驗教訓，將我國瀝青路面質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混合料進行試驗看看將會發生什情況

本文章由北方建科編輯，網頁鏈接地址：http://www.wdyongfu.com/wenti/3.html