浅析我省沥青路面早期破坏与级配类型的选用

来源 :城市建设理论研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:vovoyoo
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  摘要: 本文详细阐述了我省目前沥青路面设计中面层级配选用存在的问题,重点对确定气候类型及应用细则进行分析,对上面层AC-16和AC-13及SMA骨架密实结构与气候的对应性进行了深入探讨,尤其对AC-16这种典型结构的应用进行了详细分析与研究,希望对我国北方多雨地区沥青路面早期破坏现象包括车辙等严重问题的解决有所帮助。
  关键词:沥青路面设计级配选用问题
  中图分类号: S611 文献标识码: A
  一.沥青混合料的强度形成原理与典型的结构类型
      沥青混合料的力学强度是由粘聚力和内摩阻力所构成。现代胶浆理论认为,沥青混合料是一种多级空间网状结构的三级分散系。以粗集料为分散相而分散在沥青砂浆的介质中的一级粗分散系;沥青砂浆又是以细集料为分散相而分散在沥青胶浆介质中的二级细分散系;而沥青胶浆又是以填料(矿粉)为分散相而分散在高稠度的沥青介质中的三级微分散系。这粗、细、微三级分散系之间的粘聚力和内摩阻力构成路面强度,三种典型结构在此不多敷述,笔者想通过本文来探讨的是AC-16C型级配或者说目前最为流行的所谓AC-16S型骨架密实型级配是否真的是铺在路上以后又骨架又密实?为何多雨地区面层发生早期破坏的几条道路级配都是AC-16S型?而在干旱地区同样的AC-16S型级配却无早期破坏现象发生?江苏90年代锡澄路和沪宁路发生了早期的水损害,而他们的表面层也是4cm AC-16S型;据江苏省学者介绍,现在江苏省高速公路沥青路面的最为典型的结构之一是SMA13 + Sup20(Sup级配引用的SHRP级配,接近于S型级配) + Sup25。为什么上面层用SMA13取代了AC-16S型?
  二.我省设计中级配类型的选用没有把握好普遍性和特殊性相结合的原则,在一定程度上加速了沥青路面的早期破坏。
  (一)我国现行《沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)附录A的三级区划是2005年以后我国沥青路面使用性能气候分区的统一标准,也是对我省一直沿用至今的《公路自然区划标准》。内容主要规定了区划分为三级,并根据不同的区域地理、气候、水文、地质构造等对公路工程的影响,划分了7个一级区、33个二级区和19个副区,并对各区设计或施工中要用到的设计参数进行研究且给出了推荐值,为指导公路合理建设,以及具体设计、施工、养护提供了理论依据。为了便于应用,在此基础上省里又有细化,主要的应用目的是对一些需要的参数进行推荐。
  在沥青路面的面层设计中要按现行部颁标准认真分区,系统的搜集现行部颁标中要求的温度,雨量等基础数据,使沥青路面的面层设计更加精细,提高适用性。
  (二)《沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)附录A沥青路面使用性能的气候分区标准
  A.4.1 按照设计高温分区指标,一级区划分为 3个区:
  气候区 Ⅰ区(夏炎热区) Ⅱ区(夏炎区) Ⅲ(夏凉区)
  月平均最高气温 >30℃ 30~20℃ <20℃
  A.4.2 按照设计低温分区指标,二级区划分为 4个区:
  气候区 Ⅰ区(冬炎寒区) 2区(冬寒区) 3(冬冷区) 4区(夏凉区)
  年最低气温 <-37℃ -21.5~-37℃ -9~-21.5℃ >-9℃
  A.4.3 按照设计雨量分区指标,三级区划分为 4个区:
   气候区 Ⅰ区(潮湿区) 2区(湿润区) 3区(半干区) 4区(干旱区)
  年降雨量 >1000mm 500~1000mm 250~500mm <250mm
  A.2.1 气候分区的高温指标:采用最近30年内年最热月的月均日最高气温的平均值作为反映高温和重载条件下出现车辙等流动变形的气候因子,并作为气候区划的一级指标。
  解读:1、高温、低温的计算方法有明确规定,对具体的气象站点的30年的原始数据计算出来的结果应该是一个确定的值,而不是一个温度区间。
  2、雨量指标是指全年总降雨量,30年的平均值;而不是有些设计文件中给的月均降雨量或者其他的什么雨量。
  3、照此确定的三级区划适用于《沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的相关指标和标准的选择。
  4、需要指出的是,这个区划的基础是在参考美国 SHRP 研究成果并结合我国国情的基础上与气象部门合作的成果,而且用于计算的基础数据完全可以用于SHRP的PG分级的计算,也就是说基础的气象资料可以重复使用。
  5、在《沥青路面施工技术规范》(JTGF40-2004)条文说明中明确鼓励各省按照本规范的方法,对本地区的气候条件作更具体的分区,甚至按照本地区的情况对分区指标进一步细化。
  (三)《沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)附录A沥青路面使用性能的气候分区中的关键指标——降雨量分区指标的应用理解力要充足,级配类型选用时要很好的对应。
     附录A沥青路面使用性能的气候分区中的这个降雨量分区指标要求30年内年降雨量的平均值,多数人认为降雨量只是在规范中选择一些磨光值或粘附性的标准时使用,并没有与级配类型相关连,而实际上,在进行沥青路面面层设计时,级配类型的选用应优先考虑降雨量,如降雨量大的地区,应首选封水性好的表面层级配类型,如AC-F型或真正意义上的骨架密实型级配如SMA。
  笔者认为,在路面设计中存在一些流行现象,比方旧的沥青路面设计规范(JTJ032-94)中提倡中值级配,几乎所有的设计都走中值;流行AK级配的时候,大量的设计走AK级配,笔者在网上搜集多年前AK级配的研究文章时发现,所搜到的文章无一例外全都对AK级配冠以了骨架密实型的贵冠,直至在全国范围内的高速公路大力推广后在多雨地区产生普遍的水损害,其后部分学者认为那是骨架空隙结构;现在又流行S型级配,几乎S型级配一统天下;实际上,每种级配走向都有它的特色,有缺点有优点,没有哪种级配能包打天下,也就是说没有最好,只有用在哪里最合适。
  二.我省瀝青路面上面层应用最普遍的AC-13中值级配和AC-16S型级配的特点和长期性能比较。
  (一) AC-16S型级配,
  ①使用若干年后AC-13的路面表面整体破损情况远远少于AC-16的路面表面,这是原于AC-13良好的压实性能和封水性能,但存在车辙现象。细粒式的桥面铺装易产生车辙和推移,原因是悬浮密实型细粒式沥青混合料的抗车辙性能较弱。
  ②AC-16S型级配用在多雨地区的表面层,沥青膜剥落严重,粗细集料剥落现象普遍,不易压实,易产生早期水损坏。
  ③实际上,AC级配是典型的悬浮级配,笔者称其为经济型级配,因为其简便易做,对施工工艺和水平要求较低,对材料要求也较低,是非常经济实用的大众化的级配类型,他有5种基本的级配走向,即我们常用的中值、S型、倒S型、设计级配上线、设计级配下线。如中值级配易压实,孔隙率最小,级配波动即使稍大也不会进入半开级配区域,封水性最好,但有车辙现象,为什么规范要设那样的中值,本身泰勒曲线是能调的,s型更是中值调节而来,而S型级配抗车辙性能最好,但由于粗集料多,细集料少不易压实,生产时级配稍往下限波动便很容易进入AC-II型即半开级配区域,造成级配空隙偏大,封水性差,在多雨地区过早的产生水损害现象,另外路拱做出来是否有益于排水也是重要因素。
  因此,笔者认为设计人员应对沥青混合料强度形成的原理和各级配的特点有一个整体的认识,在级配设计时先准确分析道路所在区域的高温、低温及雨量指标,结合交通情况,确定主要矛盾,选择级配应注意扬长避短,如干旱区表面层可选用AC-16S型,甚至AK-16级配此时都是很好的选择;但多雨区表面层应选用AC-13,如对车辙有特殊要求,则应考虑用改性沥青或参加水泥等改善沥青胶浆高温性能的措施,也可上面层采用SMA,中面层采用S型级配或SMA。
  (二)简单介绍AC-16级配的五种级配走向的特性
       筛孔 规范设计级配上限 规范设计级配下限 规范设计级配中值 级配1 级配2 级配3 级配4 级配5
  19 100 100 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0
  16 100 90 95.0 100.0 97.5 95.0 97.0 95.0
  13.2 92 76 84.0 92.0 82.5 75.0 85.0 78.0
  9.5 80 60 70.0 80.0 68.0 58.0 71.0 62.0
  4.75 62 34 48.0 62.0 52.5 42.0 50.0 47.0
  2.36 48 20 34.0 48.0 41.0 30.0 33.0 40.0
  1.18 36 13 24.5 36.0 29.5 22.0 22.0 32.0
  0.6 26 9 17.5 26.0 22.0 16.0 17.0 24.0
  0.3 18 7 12.5 19.0 16.0 11.0 10.0 16.0
  0.15 14 5 9.5 14.0 11.0 7.0 8.0 10.0
  0.075 8 4 6.0 8.0 6.0 4.0 5.5 6.0
   
  以上是筆者参照有关文献研究成果,对级配1至级配5的五种级配走向做一个简单的介绍,级配1、2、5为AC-16细型密级配,级配3和级配4为粗型密级配。级配1为规范要求的上线,级配2是级配1和级配3的中值,级配3位于规范的中值和下限之间,位于Superpave限制区下限,级配4呈S型走向,位于Superpave限制区下限,级配5呈到S型,位于Superpave限制区上侧。
  五种级配的最佳油石比排序:级配1>级配4>级配2 >级配3=级配5
  五种级配的低温弯拉应变排序:级配1>级配4>级配5>级配2 >级配3
  五种级配的低温收缩性能排序:级配4<级配3<级配5<级配2 <级配1
  五种级配的高温稳定性能排序:级配4>级配3>级配5>级配2 >级配1
  一般规律为级配越细,油石比越大,低温弯拉应变也越大,高温稳定性差;而级配粗则相反。综合性能排序级配4最好,也就是参考文献中的AC-16S型(粗型密级配)。我们来观察一下这个S型级配4,只比中值稍粗了一些室内试验便达到了综合性能最优。实际上他的4.75mm筛孔以上部分和我国沥青路面设计规范中设计级配范围的AC-16中值相重合,4.75mm筛孔以下部分在0.075mm-4.75mm筛孔上通过率最多只少了2个百分点,也就是说和中值相比只是多了一点粗料,少了一点细料,其它基本沿用的是中值。而中值级配是最易密实但车辙较差的级配,当然用AC-16较好。
  (三 )北部事故高发型级配类型:AC-16S型(粗型)级配
  由于笔者在2001年所做试验路为SUPER-16级配,室内试验很成功,而试验路铺筑后早期水损害明显,因此笔者对AC-16S型级配一直非常关注,注意到最近若干年我省为了提高沥青混合料的车辙性能表面层级配以AC-16S型为主,毫无疑问是成功的,总起来说多雨潮热年份还是少,笔者大约10年前最早接触到的AC的S型级配,实验室制作完美而试验路铺并不理想的案例,此后笔者一直关注S型级配尤其是在多雨地区,大概由于条件所限,至今未发现多雨地区有成功的S型级配的工程实例。
  为何文献中实验室研究中称做AC-16S型的粗型级配(级配4)各项综合性能最好,而且达到了密实骨架型,并且据介绍江苏省的AC-16S型级配用在早期的沪宁高速上面层也出现了水损害,后改进为SMA13 + Sup20 + Sup25 组合已成为江苏省高速公路沥青路面的最为典型的结构之一,达到了预期效果,为什么我区省的AC-16S型(粗型)级配就成了事故高发型级配类型呢,而在少雨地区显然没有出现问题,笔者认为有以下几点:
  1、所谓S型级配以新规范中值线为基准,以4.75mm为界,4.75mm以上筛孔偏上限,4.75mm以下筛孔偏下线,也就是说0-5mm的料细集料偏少而5-19mm的料粗集料偏多一些,属于连续级配里偏粗型的级配。下表中分析了第4组、第6组、第7组、第8组照片中对应的级配,标准级配是通过实验最终确定的理想级配,可以看出为了提高车辙指标两组标准级配0-5mm的料都已走到了老版规范的AC-16I型设计级配的下线,施工时即使在级配波动范围内在往下线波动很少的范围就很容易的进入了老版规范的AC-16II型范围,接近骨架空隙型级配。水稳定性堪忧,不适合多雨地区,在多雨年份铺的新路面极易出现病害。
  结语:综上所述,沥青混凝土级配选择是一个极精细的工作,要根据气温降雨甚至载重情况进行深入斟酌,笔者因为有大型程序又根据气候情况对级配及时微调,这几年修的几条路还是成功的,尤其在新疆连霍高速乌塞段取得了成功,结合河北省的工程实践将以上成果介绍给大家,供同行参考。
  参考文献:
  1、          陈国明  矿料级配走向对沥青混合料性能的影响【J】公路,2009,(3)
  2、          郑南翔晋琰  六盘山地区高等级公路沥青气候适应性及沥青混合料水稳定性研究 
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