吉林省瀝青路面老化病害分析及配合比設(shè)計(jì)方法研究

張熙穎 孫東雨 安平冶

(1:吉林建筑工程學(xué)院交通科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130118;2:吉林省東吉公路建設(shè)有限公司，長春 130000; 3:吉林省榮邦工程設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，長春 130061)

0 引言

在全球一體化的今天，交通運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)于國計(jì)民生起著不可替代的作用.在交通運(yùn)輸系統(tǒng)中，鐵路、航空運(yùn)輸、公路運(yùn)輸、水路運(yùn)輸及管道運(yùn)輸在不同的領(lǐng)域扮演著不同的重要角色，共同組成了我國的綜合運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)［1］.在這5種運(yùn)輸方式中，公路因?yàn)槠溥\(yùn)輸方式靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)“門”到“門”的運(yùn)輸服務(wù)而成為經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可替代的力量，而高速公路更是公路運(yùn)輸?shù)暮诵牧α?

自1990年滬嘉高速建成通車后，隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速公路發(fā)展在政府的指導(dǎo)下突飛猛進(jìn).自2004年底開始，我國高速公路建成通車總里程數(shù)已穩(wěn)居世界第二.目前，按照2004年底《國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃》，“7918”路網(wǎng)規(guī)劃正在按部就班的落實(shí).這一版圖將使全國大部60%以上的區(qū)域可以在半小時(shí)內(nèi)到達(dá)高速公路，將給人民生活帶來極大的方便.

在公路大發(fā)展的背景下，吉林省在1996年開通了省內(nèi)第一條高速——長平高速，此后高速公路的建設(shè)開始為百姓民生帶來福祉.至2011年，已有15條通車?yán)锍踢_(dá)2 250 km的高速公路投入運(yùn)營，盡管長度不到吉林省全部公路長度的2%，卻承擔(dān)著20%以上的運(yùn)輸量.在高速公路發(fā)展的同時(shí)，應(yīng)該看到，吉林省隸屬于季節(jié)性冰凍地區(qū)，瀝青路面在運(yùn)行過程中，在行車荷載重復(fù)作用的同時(shí)，承受著相對(duì)更為嚴(yán)酷的自然條件的考驗(yàn).吉林省自1996年第一條高速公路—長平高速建成通車以來，迄今為止，高速公路通車?yán)锍桃淹黄? 000 km，這些高速公路承擔(dān)著達(dá)20%左右的運(yùn)輸量.由于路面老化，需要養(yǎng)護(hù)，而在養(yǎng)護(hù)維修過程中，所產(chǎn)生的銑刨舊料數(shù)量驚人.如果可將這些舊瀝青混合料加以利用，不但可以節(jié)約成本，而且可以減少廢料堆積所帶來的環(huán)境壓力，減少瀝青、石料的用量，從而達(dá)到保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源的目的.

1 吉林省高速公路瀝青路面老化病害及不利影響

圖1和圖2分別是瀝青路面的橫向裂縫和縱向裂縫的現(xiàn)場(chǎng)照片.橫向裂縫是瀝青早期甚至是初期病害的主要形式，其產(chǎn)生的主要原因有兩個(gè)方面:一是瀝青路面在冬季低溫作用下，所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過了材料的抗拉強(qiáng)度;二是在行車荷載作用下，疲勞應(yīng)力超過了抗拉強(qiáng)度所致.縱向裂縫的產(chǎn)生一般是源于土基壓實(shí)不足或兩幅路面銜接處土基處理不當(dāng)［2］.瀝青路面在使用過程中，要承受大量行車荷載的反復(fù)碾壓作用，以重交通二級(jí)公路為例，在設(shè)計(jì)年限內(nèi)折合成BZZ-100的交通量約為2 000萬次.同時(shí)，由于瀝青材料的老化，使路面的開裂變形加劇，則會(huì)形成如圖3所示的網(wǎng)裂.出現(xiàn)網(wǎng)裂后，原本成整體的瀝青路面被分成如圖所示的塊狀.在輪胎摩擦和輪后吸力的作用下，部分混合料中的顆粒被從原來的位置帶走，形成了如圖4所示的剝落.

路面結(jié)構(gòu)缺失的集料顆粒的位置在后續(xù)的運(yùn)行中成為薄弱環(huán)節(jié)，在荷載、水和溫度的綜合作用下，形成了如圖5和圖6所示的坑槽.瀝青路面在早期所出現(xiàn)的開裂病害并不會(huì)使道路使用者在行車時(shí)感到明顯的不舒適，可一旦發(fā)展到圖5和圖6的情形，就會(huì)使司乘人員有明顯顛簸的感覺，同時(shí)會(huì)加劇車輛的減振負(fù)擔(dān)，如遇暴雨、大雪、積冰等惡劣天氣，甚至?xí)T發(fā)較嚴(yán)重的交通事故.

圖1 橫向裂縫

圖2 縱向裂縫

圖3 網(wǎng)裂

圖4 剝落

圖5 坑槽1

圖6 坑槽2

2 瀝青路面老化產(chǎn)生的原因

瀝青老化是指瀝青在貯存、運(yùn)輸、施工及路面使用過程中，由于長時(shí)間暴露在空氣中，在環(huán)境因素的作用下發(fā)生的一系列揮發(fā)、氧化、聚合等物理化學(xué)作用，導(dǎo)致瀝青內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)組分的變化，致使瀝青硬化變脆的過程［3］.瀝青的老化過程分3個(gè)階段:

(1)在運(yùn)輸、貯存和加熱過程中的老化，這一階段的老化可理解為臨時(shí)老化.主要是在加熱過程中，瀝青材料的的輕質(zhì)油分不斷揮發(fā)，粘滯度降低所致，同時(shí)由于氧化作用，也使瀝青發(fā)生了一定程度的老化;

(2)在加熱拌和及鋪筑過程中的老化，是屬于典型的熱老化.在這一過程中，瀝青薄膜溫度約為170℃，致使瀝青氧化和組分揮發(fā);

(3)在路面使用過程中的老化.荷載、空氣、水和紫外線的綜合作用導(dǎo)致瀝青不斷發(fā)生老化，雖然這一進(jìn)程是比較緩慢的.

3 廠拌熱再生技術(shù)的研究

我國將瀝青再生技術(shù)分為4大類:即廠拌熱再生、廠拌冷再生、現(xiàn)場(chǎng)熱再生和現(xiàn)場(chǎng)冷再生［4］.其中，廠拌熱再生技術(shù)是將舊瀝青混凝土路面銑刨后運(yùn)回工廠，通過破碎、篩分(必要時(shí))，并根據(jù)舊料中瀝青含量、瀝青老化程度、碎石級(jí)配等指標(biāo)，摻入一定數(shù)量的新集料、瀝青和再生劑(必要時(shí))進(jìn)行拌和，使混合料達(dá)到規(guī)范規(guī)定的各項(xiàng)指標(biāo)，以此混合料做為道路的路面結(jié)構(gòu)材料.

在本課題中，廠拌熱再生瀝青混合料設(shè)計(jì)與新瀝青混合料設(shè)計(jì)相同，均采用馬歇爾試驗(yàn)并通過目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)、生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)及生產(chǎn)配合比驗(yàn)證來確定其最佳瀝青用量.具體的技術(shù)路線為:

(1)回收舊料.對(duì)舊料進(jìn)行抽提以確定其混合料級(jí)配，同時(shí)對(duì)回收的瀝青材料進(jìn)行性能評(píng)價(jià)(篩分試驗(yàn)、瀝青材料性能試驗(yàn));

(2)確定熱再生方案.是否要摻加再生劑，要根據(jù)舊瀝青的性質(zhì)而定;

(3)確定再生混合料各組分含量.舊料摻加比例、新加集料級(jí)配、再生混合料級(jí)配、是否要填加再生劑;

(4)進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn).在該試驗(yàn)中，確定毛體積密度及穩(wěn)定度等相關(guān)參數(shù)，從而確定最佳油石比;

(5)根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)所確定的技術(shù)參數(shù)，按照試驗(yàn)規(guī)程，驗(yàn)證該再生瀝青混合料的路用性能.根據(jù)車轍試驗(yàn)所獲得的動(dòng)穩(wěn)定度來考核其高溫穩(wěn)定性;根據(jù)低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)所測(cè)得的變形評(píng)價(jià)其低溫抗裂性;根據(jù)凍融劈裂試驗(yàn)所獲得的殘留強(qiáng)度比評(píng)價(jià)其水穩(wěn)定性［5］;

(6)在上述試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定廠拌熱再生瀝青混合料的配合比.

4 結(jié)語

目前，舊瀝青混合料的再生技術(shù)因其突出的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，在世界范圍內(nèi)得到廣泛關(guān)注，很多國家都已出臺(tái)了相關(guān)的技術(shù)手冊(cè)及指南.該技術(shù)對(duì)于地處季凍區(qū)的吉林省意義尤為重要，相關(guān)技術(shù)若經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證并投入到生產(chǎn)中，必將會(huì)極大地促進(jìn)公路建設(shè)事業(yè)的發(fā)展.

［1］戰(zhàn)高峰，宋高嵩.公路路基路面工程［M］.北京:人民交通出版社，2007:1-3.

［2］沙慶林.高速公路瀝青路面早期破壞與預(yù)防［M］.北京:人民交通出版社，2008:22-30.

［3］周志堅(jiān)，肖鵬飛.基于SUPERPAVE技術(shù)的瀝青路面再生研究［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(12):92-97.

［4］張 建，肖 維，黃曉明.瀝青路面再生中的舊瀝青的回收與再生研究［J］.湖南交通科技，2006(12):11-13.

［5］陳 濤.現(xiàn)場(chǎng)熱再生瀝青混合料路用性能研究［D］.南京:東南大學(xué)，2008.