基于建養(yǎng)一體的干線公路瀝青路面關(guān)鍵技術(shù)研究★

劉林林 盧 勇 劉愛華 李亞麗

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112； 2.新型道路材料國家工程實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211112)

0 引言

當(dāng)前的公路建設(shè)中，建設(shè)和養(yǎng)護(hù)關(guān)系密切，逐漸從先建后養(yǎng)向建養(yǎng)一體有機(jī)結(jié)合發(fā)展，可更好的提高公路路面的使用性能，增加路面的使用年限，然而公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)之間的銜接不暢問題始終影響公路質(zhì)量邁向更高的臺階，這也是我國公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)長期以來面臨的問題，如交工驗(yàn)收指標(biāo)全部合格，而移交養(yǎng)護(hù)單位后按照養(yǎng)護(hù)標(biāo)準(zhǔn)很快進(jìn)入大中修，另外，由于建設(shè)期對于后期養(yǎng)護(hù)考慮不足，造成養(yǎng)護(hù)前期經(jīng)費(fèi)投入較大，后期養(yǎng)護(hù)資金壓力大等。

我國公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)長期以來處于分離狀態(tài)，為此，國家、行業(yè)和各地方政府均出臺了相關(guān)文件鼓勵推進(jìn)包括“建養(yǎng)一體化”模式在內(nèi)的公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)改革創(chuàng)新，江蘇、貴州、河南、云南等地已逐步試點(diǎn)了普通干線公路或農(nóng)村公路的建管養(yǎng)一體化試點(diǎn)應(yīng)用，針對普通干線公路，逐步建立起人、財(cái)、事權(quán)和支出責(zé)任相統(tǒng)一的普通干線公路建養(yǎng)管新體制，推動公路交通由行業(yè)責(zé)任向政府責(zé)任、由部門行為向社會行為的轉(zhuǎn)變。然而，“建養(yǎng)一體化”模式僅解決了公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)之間的管理問題，但是缺乏技術(shù)方面的支撐，即缺少相關(guān)技術(shù)使得公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)之間有機(jī)結(jié)合，在建設(shè)期缺少對養(yǎng)護(hù)期的考慮[1,2]。

鑒于此，本文對江蘇省干線公路典型病害成因進(jìn)行分析，基于建養(yǎng)一體化模式理念，從路面的設(shè)計(jì)、建設(shè)等方面對建養(yǎng)一體化技術(shù)進(jìn)行了分析，提出建養(yǎng)一體技術(shù)提升方案，在設(shè)計(jì)期充分考慮建設(shè)期和養(yǎng)護(hù)期，解決公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)之間銜接問題，增加路面的使用年限，使得公路質(zhì)量邁向更高的臺階，實(shí)現(xiàn)周期效益最大化。

1 干線公路瀝青路面典型病害及原因分析

1.1 病害類型及原因

通過對江蘇省的干線公路瀝青路面病害調(diào)研，路面在運(yùn)營期主要病害為路面車轍和水損害(坑槽、唧漿)。通過實(shí)地調(diào)查和相關(guān)資料分析，江蘇省干線公路瀝青路面車轍的主要病害原因包括：

1)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)偏薄，部分路段無法滿足快速增長的交通荷載要求；

2)瀝青和石料質(zhì)量不穩(wěn)定；

3)交叉口處(尤其紅綠燈)制動頻繁，而對該類特殊路段缺乏針對性設(shè)計(jì)；

4)施工質(zhì)量控制不足。

路面唧漿、坑塘的主要病害原因包括：

1)瀝青與集料的黏附性不足；

2)瀝青混合料級配空隙大；

3)濕熱地區(qū)，降雨較多，較多的雨水進(jìn)入路面內(nèi)部影響了瀝青與集料的粘結(jié)；

4)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)不完善或排水系統(tǒng)破壞。

1.2 根本原因

1)信息分離。

路面建設(shè)期設(shè)計(jì)流量與養(yǎng)護(hù)期實(shí)際流量不匹配，道路服務(wù)水平下降嚴(yán)重。隨著我過汽車保有量的增加，現(xiàn)役道路交通壓力與日俱增。現(xiàn)狀道路設(shè)計(jì)小時交通量一般采用設(shè)計(jì)年限末時的年第30位小時預(yù)測交通量，國省道干線道路預(yù)測年限15年和20年。然而在預(yù)測年限內(nèi)，實(shí)際每年社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度存在差異使得預(yù)測交通量增長率不同；地域交通需求的差異使得地區(qū)預(yù)測交通量增長不均；交通調(diào)查覆蓋程度差異使得預(yù)測交通量存在偏差，從而導(dǎo)致了設(shè)計(jì)小時流量和實(shí)際年限小時交通量不匹配，以致于在車輛出行高峰期間，實(shí)際道路交通流量過飽和，道路服務(wù)水平驟降。

2)指標(biāo)分離。

瀝青混合料設(shè)計(jì)期與施工期、養(yǎng)護(hù)期指標(biāo)要求不一，缺少全過程質(zhì)量控制指標(biāo)。設(shè)計(jì)參數(shù)施工過程無法得到體現(xiàn)，施工不能確保滿足設(shè)計(jì)要求，如動態(tài)模量為設(shè)計(jì)參數(shù)，但混合料設(shè)計(jì)、驗(yàn)收過程中均未得到體現(xiàn)，以設(shè)計(jì)規(guī)范中的永久變形預(yù)估方程為例，依賴于經(jīng)驗(yàn)性的車轍試驗(yàn)。既有混合料設(shè)計(jì)方法無法反映路面最終服役性能，設(shè)計(jì)方法主要為經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，性能驗(yàn)證，而既有材料試驗(yàn)方法五花八門，與路面性能相關(guān)性亟需驗(yàn)證，標(biāo)準(zhǔn)亟需制定。

3)數(shù)據(jù)分離。

路面建設(shè)與養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)聯(lián)動和挖掘不足。以往由于公路建設(shè)單位和養(yǎng)護(hù)單位不一致，再者，數(shù)據(jù)分散、不完整、跨部門數(shù)據(jù)調(diào)用繁瑣，因此，造成養(yǎng)護(hù)單位缺少建設(shè)期的施工質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)，僅從路況檢測指標(biāo)無法分析病害產(chǎn)生的根本原因，無法對路面進(jìn)行針對性養(yǎng)護(hù)。

2 設(shè)計(jì)期關(guān)鍵技術(shù)

基于上述的江蘇省干線公路路面典型病害的成因，如何從這些病害入手，構(gòu)建公路路面建養(yǎng)的一體化，即如何在建設(shè)期考慮養(yǎng)護(hù)期問題，是我們重點(diǎn)研究內(nèi)容，特別是路面設(shè)計(jì)期，是建養(yǎng)一體化程度高低的關(guān)鍵所在。因此，本文在路面設(shè)計(jì)期針對路面養(yǎng)護(hù)期車轍、水損害病害提出針對性技術(shù)方案，充分考慮養(yǎng)護(hù)期，解決建養(yǎng)之間信息分離問題[3,4]。

2.1 抗水損害性能提升技術(shù)

2.1.1原材料

路面設(shè)計(jì)期在原材料方面可以考慮通過采用改性劑、抗剝落劑或采用水泥、消石灰代替部分或全部礦粉等方式，提高瀝青混合料的抗水損壞能力。

1)添加改性劑。瀝青粘度是影響瀝青與集料粘附性的重要因素，瀝青粘度越大，抗剝落性能越好。

2)添加抗剝落劑?？箘兟鋭┦且环N表面活性劑，組成表面活性劑的分子具有親油基團(tuán)和親水基團(tuán)，其中親油基團(tuán)與瀝青粘結(jié)，親水基團(tuán)與集料粘結(jié)，從而提高瀝青與集料的粘附性。

3)消石灰或水泥代替部分礦粉。消石灰或水泥可以降低酸性石料表面的負(fù)電荷，降低集料表面電位，其中的活性成分還能與瀝青酸發(fā)生反應(yīng)，形成具有表面活性劑作用的鈣鹽，從而置換集料表面的氫、鈉、鉀離子，在集料的顆粒之間形成結(jié)晶石灰漿，加強(qiáng)了與瀝青的粘結(jié)。

表1試驗(yàn)結(jié)果表明，添加改性劑、抗剝落劑、消石灰的瀝青混合料殘留穩(wěn)定度、凍融劈裂強(qiáng)度比、T283劈裂強(qiáng)度比均比普通瀝青混合料明顯提升，由此說明其可以明顯改善瀝青混合料抗水損害性能。因此，基于建養(yǎng)一體化理念，可在路面設(shè)計(jì)期采用添加改性劑、抗剝落劑、消石灰的形式增加瀝青混合料的抗水損害性能，解決養(yǎng)護(hù)運(yùn)營期路面水損害問題。

表1 不同瀝青對瀝青混合料水穩(wěn)定性的影響

2.1.2瀝青混合料

路面設(shè)計(jì)期在瀝青混合料方面可以考慮通過采用Superpave，SMA高性能瀝青混合料，Superpave混合料均勻、嵌擠、密實(shí)、路用性能優(yōu)良，SMA瀝青混合料既密實(shí)防水、耐久性好，又具有出色的抗滑性能。

表2試驗(yàn)結(jié)果表明，使用同種瀝青和礦料的Superpave，SMA瀝青混合料水穩(wěn)定性能指標(biāo)均比AC-13瀝青混合料較優(yōu)，因此，在路面設(shè)計(jì)期可采用Superpave，SMA等高性能混合料。

表2 Superpave和SMA瀝青混合料性能試驗(yàn)結(jié)果

2.2 抗車轍性能提升技術(shù)

2.2.1瀝青膠結(jié)料

1)硬質(zhì)瀝青。對于瀝青而言，瀝青標(biāo)號越低，粘度越大。硬質(zhì)瀝青可以較大程度的提高瀝青混合料的抗車轍性能和力學(xué)性能，同時具有較好的水穩(wěn)定性。硬質(zhì)瀝青具有良好的性能價(jià)格比，適合在干線公路上推廣應(yīng)用。

2)橡膠瀝青。橡膠瀝青作為一種新型的道路材料主要以普通基質(zhì)瀝青和廢舊輪胎橡膠粉為主要原料，有效改善路面抗變形能力和抗疲勞開裂的性能，同時具有較好的高低溫性能。

表3試驗(yàn)結(jié)果表明，采用硬質(zhì)瀝青、橡膠瀝青的混合料動穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通瀝青混合料，并且其他性能指標(biāo)也較優(yōu)，因此，在路面設(shè)計(jì)期可采用硬質(zhì)瀝青、橡膠瀝青來提升混合料的抗車轍性能，避免路面在養(yǎng)護(hù)運(yùn)營期出現(xiàn)車轍問題。

表3 不同瀝青對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響

2.2.2添加劑

1)TPS添加劑。TPS(全稱TAFPACK-Super)是一種專為排水性瀝青路面而生產(chǎn)的瀝青改良添加劑。TPS以熱塑性橡膠為主要成分，再配以粘結(jié)性樹脂和增塑劑等其他成分，用機(jī)械攪拌混合方式能使普通瀝青改良成為排水性瀝青路面用的高粘度粘結(jié)劑。使用TPS改性劑不僅能使排水性路面用瀝青結(jié)合料達(dá)到所需要求，而且在實(shí)際使用的瀝青工廠及施工現(xiàn)場的使用性能也能大幅度的得以改善。目前該改性劑主要用在排水性路面上。

2)聚酯纖維。在瀝青混合料中加入聚合物纖維可以改善瀝青路面的性質(zhì)，對路面起到加筋和橋接的作用，提高了路面的柔韌性、高溫抗車轍能力、低溫抗裂能力，改善了抗疲勞性能以及水穩(wěn)定性能。

3)抗車轍劑。抗車轍劑可以顯著提高瀝青路面的抗車轍能力、改善低溫抗裂性能、減輕因交通荷載所造成的路面疲勞破壞、提高瀝青混合料力學(xué)性能指標(biāo)、增強(qiáng)瀝青和集料的粘附力、減輕路面剝落病害的發(fā)生，并且可以改善瀝青抗老化性能，尤其是因紫外線輻射所導(dǎo)致的老化。常用的抗車轍劑包括Domix抗車轍劑、路可比抗車轍劑、AP抗車轍劑等。

表4試驗(yàn)結(jié)果可知，摻加TPS添加劑、聚酯纖維、抗車轍劑的混合料動穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于改性瀝青混合料，因此，在路面設(shè)計(jì)期可采用TPS添加劑、聚酯纖維、抗車轍劑來提升混合料的抗車轍性能。

表4 不同瀝青對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的影響

3 建設(shè)期關(guān)鍵技術(shù)

在公路設(shè)計(jì)期主要從材料角度解決養(yǎng)護(hù)運(yùn)營期路面病害問題，那么在施工期將從混合料設(shè)計(jì)方法和施工質(zhì)量控制方面來保證路面的使用性能，進(jìn)而解決建養(yǎng)之間指標(biāo)分離問題。

3.1 混合料體積—平衡設(shè)計(jì)方法

瀝青混合料主流設(shè)計(jì)方法是體積設(shè)計(jì)方法，即采用體積指標(biāo)控制，由于馬歇爾擊實(shí)成型方式不能完全模擬路面的實(shí)際碾壓狀態(tài)，再加上混合料理論密度和毛體積密度的不能精確獲取，導(dǎo)致體積指標(biāo)與實(shí)際瀝青路面的路用性能相關(guān)性不足，使得瀝青路面易出現(xiàn)病害。所謂平衡設(shè)計(jì)是指瀝青混合料設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行系列性能試驗(yàn)，從而解決路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部由混合料老化、荷載、氣候和結(jié)構(gòu)層位置等因素引起的不同病害，達(dá)到綜合性能的平衡。平衡設(shè)計(jì)方法是在現(xiàn)有體積設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上的完善，力圖將室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場性能建立良好的關(guān)系，對預(yù)測/控制路面病害具有良好的指導(dǎo)意義。

體積—平衡設(shè)計(jì)方法與馬歇爾體積設(shè)計(jì)方法主要區(qū)別在于選擇最佳瀝青用量，以間斷級配TOM-10超薄層罩面瀝青混合料設(shè)計(jì)為例[5]。首先根據(jù)馬歇爾體積指標(biāo)選擇了設(shè)計(jì)級配，在瀝青用量6.5%基礎(chǔ)上，另選取6.8%和6.2%瀝青用量分別進(jìn)行馬歇爾體積指標(biāo)測試和路用性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表5，表6。

表5 不同瀝青用量TOM-10馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表6 TOM-10混合料設(shè)計(jì)結(jié)果

從表5，表6試驗(yàn)結(jié)果分析得出：1)級配在瀝青用量6.2%，6.5%和6.8%下的各項(xiàng)路用性能指標(biāo)均滿足路用性能要求；2)級配在瀝青用量6.5%下的空隙率為4.2%，雖不滿足目標(biāo)空隙率的要求，但各項(xiàng)路用性能均較優(yōu)，考慮體積—性能平衡設(shè)計(jì)的理念，可確定最佳瀝青用量為6.5%；3)結(jié)合級配B的性能試驗(yàn)結(jié)果，考慮體積—性能平衡設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，采用最佳瀝青用量6.5%進(jìn)行實(shí)際工程應(yīng)用。綜上所述，在路面施工期可采用體積—性能平衡設(shè)計(jì)方法，此方法可以選取性能較優(yōu)的混合料級配。

3.2 施工質(zhì)量控制

為了保證路面的使用性能，僅僅從混合料設(shè)計(jì)方面考慮是不夠的，面層施工質(zhì)量管理對路面使用性能的保證非常關(guān)鍵。本文提出了以下施工控制要點(diǎn)：

1)加強(qiáng)材料管理。嚴(yán)格控制集料的規(guī)格、壓碎值和含泥量。另外，還要注意對瀝青膠結(jié)料的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

2)合理提高壓實(shí)度，適當(dāng)減少剩余空隙率。2004年以前，瀝青路面壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格按照老規(guī)范進(jìn)行控制。實(shí)踐表明，按該標(biāo)準(zhǔn)控制的瀝青路面，通車后再壓密的現(xiàn)象比較明顯，且瀝青路面實(shí)測空隙率較大，易于產(chǎn)生早期車轍。現(xiàn)行規(guī)范提高了壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)，同時為減少實(shí)測空隙率，在進(jìn)行瀝青路面實(shí)際空隙率測定時，采用馬歇爾試件密度與理論密度雙控，保證壓實(shí)度不低于規(guī)范要求，這樣就使瀝青面層的空隙率得到嚴(yán)格控制，保證瀝青路面基本不滲水，并提高路面抗車轍性能。

3)控制集料的壓碎值。盡可能選擇針片狀含量小、壓碎值小的集料，集料針片狀含量、壓碎值應(yīng)滿足規(guī)范要求；改善碾壓工藝，當(dāng)發(fā)現(xiàn)集料有壓碎現(xiàn)象時，原則上盡可能采用輪胎壓路機(jī)搓柔碾壓，而不采用鋼輪壓路機(jī)振動碾壓。

4)提高設(shè)備要求。從2001年開始，江蘇省公路建設(shè)單位普遍開始配備大噸位輪胎壓路機(jī)，保證壓路機(jī)的噸位和數(shù)量；2004年開始要求每個施工單位配備總數(shù)不少于6臺壓路機(jī)，且大量使用了大噸位的壓路機(jī)；2005年以后，每個施工單位均配備了數(shù)量足夠的大噸位壓路機(jī)，絕大部分施工單位采用了12 t以上的鋼輪振動壓路機(jī)，每個標(biāo)段均配備了至少3臺26 t以上的膠輪壓路機(jī)，且多數(shù)單位采用了30 t的膠輪壓路機(jī)。實(shí)踐表明，大噸位的壓路機(jī)和新型的振蕩壓路機(jī)的使用，壓實(shí)效果良好，有利于增大初壓功率，改善復(fù)壓階段的搓揉效果，提高路面壓實(shí)度。

4 結(jié)語

1)通過對江蘇省干線公路調(diào)研以及相關(guān)文獻(xiàn)的參考，江蘇省干線公路建設(shè)和養(yǎng)護(hù)之間的銜接不暢問題的原因主要是信息分離、指標(biāo)分離、數(shù)據(jù)分離。

2)添加改性劑、抗剝落劑、消石灰的瀝青混合料可以明顯改善瀝青混合料抗水損害性能，Superpave，SMA瀝青混合料水穩(wěn)定性能指標(biāo)均比AC-13瀝青混合料較優(yōu)，因此，可在路面設(shè)計(jì)期采用添加改性劑、抗剝落劑、消石灰的形式增加瀝青混合料的抗水損害性能。

3)采用硬質(zhì)瀝青、橡膠瀝青的混合料動穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通瀝青混合料，摻加TPS添加劑、聚酯纖維、抗車轍劑的混合料動穩(wěn)定度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于改性瀝青混合料，因此，在路面設(shè)計(jì)期可采用硬質(zhì)瀝青、橡膠瀝青、TPS添加劑、聚酯纖維、抗車轍劑來提升混合料的抗車轍性能。

4)在路面施工期可采用體積—性能平衡設(shè)計(jì)方法，有助于可以選取性能較優(yōu)的混合料級配。大噸位的壓路機(jī)和新型的振蕩壓路機(jī)的使用，壓實(shí)效果良好，有利于增大初壓功率，改善復(fù)壓階段的搓揉效果，提高路面壓實(shí)度。