论北三环高速公路某抗裂复合改性沥青下面层的优化设计与施工效果

论北三环高速公路某抗裂复合改性沥青下面层的优化设计与施工效果

发表时间：2018-07-13T15:07:37.253Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第7期作者：王秋生

[导读] 该文结合广州增城沙庄至花都北兴公路二期工程沥青路面建设实践，论述重载交通（高速公路）沥青路面的抗车辙

王秋生

广州市高速公路有限公司广州 510000

摘要：该文结合广州增城沙庄至花都北兴公路二期工程沥青路面建设实践，论述重载交通（高速公路）沥青路面的抗车辙、抗反射裂缝优化设计思路和施工效果，为广东地区重载交通道路沥青路面建设提出了一些优化建议。该文针对提高重载交通道路沥青路面的结构性使用性能和功能性使用性能所提出的观点，具有现实意义。

关键词：高速公路沥青路面抗反射裂缝抗车辙优化设计施工

1 项目概况

广州增城沙庄至花都北兴公路二期工程（下称“北三环”）路线总体呈东西走向，起于增城区荔城街，经朱村街、中新镇、从化区太平镇、白云区钟落潭镇，终于花都区花东镇。路线全长44.4km，按双向六车道高速公路标准建设，设计速度为100km/h，整体式路基宽度33.5m、分离式路基宽16.75m。主线桥梁长约10.000km，路基长约32.887km。设特大桥4886.6m/4座，大桥13452.9m/45座，中、小桥1530.7m/27座；地方路上跨主线分离式立交桥192m/2座；全线涵洞、通道8103.8m/161道；全线设置分离式雷公山长隧道1533.5m/1座；桥隧比25.6%。设互通立交7处。全线设服务区1处，养护工区、管理中心和集中住宿区各1处；隧道管养房屋1处；收费站4处。批复概算投资额为65.52亿元。

北三环高速公路预测远景车流量Ne=4.16×107次，属于重载交通道路。

2 设计优化的背景和目标

国内高速公路普遍采用半刚性基层上铺设三层沥青混凝土面层的结构型式。近几年来，为了抑制水损坏、严重车辙等早期病害，上面层普遍采用改性、间断级配、耐磨粗集料等功能增强措施，中面层也大面积采用各种改性措施增强沥青混凝土的性能。随着路面的早期损坏现象被显著遏制，半刚性基层沥青混凝土路面的反射裂缝问题，依然是影响沥青路面使用寿命的首要难题。北三环项目属重载交通道路，长寿命是路面结构和材料设计的应有之意。除了现行规范规定外，结构设计技术目标还应包括：

（1）沥青面层的功能化设计，尤其沥青下面层的疲劳抗裂和抑反射功能的强化和优化。优选级配和胶结料，显著提升沥青下面层的抗反射、抗疲劳和耐久性能；

（2）确保沥青面层与半刚性基层复合有力，协同工作，采取主动措施根本性消除层间脱空、滑移、滞水的隐患。

基于上述目标，本文提出了如下优化设计研究思路：

（1）下面层是抗裂抑反射功能强化。模拟反射裂缝最危险的剪切发展模式，以及弯拉疲劳模式，研究了级配类型、胶结料类型对混合料抗反射、抗疲劳性能的影响。提出采用具有抗反射裂缝、抗车辙和耐久性能的抗裂复合改性沥青结构层GAX-25（改良的间断半开级配）；

（2）结构力学分析论证了基层和沥青层粘结对结构寿命的突出意义。推荐采用半刚性基层顶采用高稠度改性沥青防水粘结同步碎石封层作为粘结防水加强措施，兼顾抑制反射。

3优化提出抗裂复合改性沥青GAX-25

反射裂缝的发展最危险的是剪切疲劳模式。一般而言，增加碎石含量（采用开级配）有利于抵抗剪切疲劳模式的反射裂缝。但是，碎石含量过大或带来空隙率增加和胶结料减少，不利于材料的疲劳寿命。因此，级配优化必须两者兼得。富油的间断半开级配的思路借鉴于2008年实施的上海八车道的主干线杨高路水泥路面双层沥青路面罩面工程，下面层采用了6cm半开级配抗裂功能层，胶结料采用了高粘改性沥青。该项目通车近10年来，即使是临近外高桥保税区的道路，反射裂缝仍然少见。而未采用该功能层的对比段落，原水泥板施工缝大面积反射。

3.1 级配优化比选

进行基于综合抗裂性能的级配优化比对，比选对象包括AC-25、ATB-25和间断半开级配GAX-25三种级配类型，级配如表1所示。

如表2所示，在明显提升的骨架结构的贡献下，无论是剪切疲劳还是弯拉疲劳模式，GAX-25的抵抗剪切疲劳（反射裂缝）的能力较ATB-25明显提高。AC-25的表现最差，常用的下面层材料的抗裂能力甚至不如柔性基层。但另一方面，可能受过低饱和度（36%）的影响，GAX-25混合料整体性有弱化倾向，有必要通过胶结料的选型进行强化。

胶结料优选后的间断半开级配抗裂复合改性沥青GAX-25的特点是：骨架结构形成充分，空隙率较大空隙且分散，利于抵抗裂缝；采用以大油膜厚度为特征的抗裂复合改性沥青为胶结料，填充和区隔空隙，利于抵抗裂缝，提高结构层耐久性。抗裂复合改性沥青GAX-25在四点弯拉疲劳寿命上对ATB-25有数量级优势，较添加纤维的SBS改性沥青亦有显著的提高（如图2）。

另一方面，抗车辙能力（如表5）等常规指标，仍然达到了改性沥青混合料的要求，抗裂改性混合料永久变形略小，但SBS改性混合料动稳定度略高，高温稳定性能相当。

4 刚柔层界面的优化设计

在结构应力应变验算过程中发现，必须采取有效措施消除沥青层和半刚性基层之间的层间脱空风险，否则，在重载交通下，即使基层没有开裂，沥青层底部因为层间脱空从最安全的压应力逆转为较大的拉应力，可能直接导致疲劳开裂（如图3）。而且，界面位置一旦发生局部脱空，该位置沥青层和基层的应力应变发生激烈突变，将加剧脱空发展。考虑到常规粘透封层普遍使用效果，刚柔界面增强势在必行。

对比测试表明，常规粘层油的粘结力仅有0.1MPa左右，在有些地区常用的稀浆下封层粘结力一般能达到0.2-0.4MPa。而采用

2.5kg/m2高稠改性沥青碎石封层的粘结力可达1MPa，同时，该方案还能有效消除沥青层和半刚性基层之间的层间脱空和孔隙的风险，同时起到半刚性基层顶面防水保护和应力吸收的作用。为此，在上基层与沥青下面层间增设采用高稠改性沥青同步碎石封层也很有必要。

5 抗裂复合改性沥青GAX-25试验路施工效果

沥青下面层和刚柔层界面的优化设计后，北三环项目下路面结构层设计方案如表6所示