高速公路隧道養(yǎng)護(hù)中薄層瀝青混凝土罩面技術(shù)的應(yīng)用

尚 青

（南昌路興交通工程監(jiān)理咨詢有限公司,江西 南昌 330000）

0 引言

我國(guó)南方地區(qū)隧道大多采用水泥混凝土路面，在長(zhǎng)期行車荷載作用下，抗滑性能逐漸衰減。因抗滑性能不足、水泥路面平整度降低，行車安全性和舒適性大大降低。結(jié)合已有工程經(jīng)驗(yàn)，加鋪瀝青層不失為一種有效的處治措施。加鋪相對(duì)較厚的瀝青結(jié)構(gòu)層能滿足抗反射裂縫方面的需要，但因隧道中凈空、環(huán)境污染、施工工效等方面的限制，工程量較少的薄層罩面更具合理性。學(xué)者們?cè)谡归_(kāi)大量理論研究的同時(shí)，大都將研究重點(diǎn)放在薄層罩面技術(shù)應(yīng)用范圍、路用性能評(píng)價(jià)等方面，對(duì)材料級(jí)配設(shè)計(jì)、抗反射裂縫、層間黏結(jié)等問(wèn)題重視程度略顯不足?；诖耍撐牟捎脭嗉?jí)配設(shè)計(jì)思路，對(duì)連通性更好、路表構(gòu)造更豐富的抗滑級(jí)配展開(kāi)探索，并通過(guò)改進(jìn)碎石封層，提升隧道水泥混凝土路面抗反射裂縫及層間黏結(jié)性能。

1 薄層瀝青混凝土罩面技術(shù)概述

該技術(shù)通過(guò)普通施工設(shè)備碾壓，達(dá)到2～3 cm的加鋪層厚度，對(duì)于普通混凝土橋梁、隧道、路基等路段加鋪十分適用；層間采用碎石封層技術(shù)或乳化瀝青黏層。該結(jié)構(gòu)層充分利用了NovaChip（超薄磨耗層）、SMA（瀝青瑪蹄脂碎石混合料）及BBTM（特薄瀝青混凝土）等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，屬于施工性能和路用性能較好的骨架密實(shí)型瀝青混凝土[1]。為保持密水性，該混合料主要采用粒徑0～3 mm、3～5 mm、5～8 mm 等公稱粒徑較小的機(jī)制砂，粗集料比例相對(duì)增大，接近單一粒徑，同時(shí)也具備較好的施工均勻性。

目前，薄層瀝青混凝土材料主要按照馬歇爾混合料方法設(shè)計(jì)，級(jí)配上、下限主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，造成其混合料抗滑性能差異較大，施工效果并不理想。該混合料基本只能改善舊瀝青路面平整度，其余方面路用性能的提升相當(dāng)有限。

2 薄層瀝青混凝土罩面功能設(shè)計(jì)

2.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

為提升薄層瀝青混凝土罩面抗滑性能和結(jié)構(gòu)耐久性，首先必須展開(kāi)級(jí)配設(shè)計(jì)。結(jié)合相關(guān)研究成果對(duì)2.36～4.75 mm顆粒全間斷、半間斷、無(wú)間斷構(gòu)造偏差深度均值和骨架構(gòu)造等的比較分析，在間斷程度持續(xù)增大，4.75～9.5 mm顆粒數(shù)量持續(xù)增多的情況下，骨架構(gòu)造密度增強(qiáng)，偏差深度均值增大，路面構(gòu)造凹凸程度隨之增強(qiáng)[2]。采用工業(yè)CT掃描技術(shù)對(duì)混凝土細(xì)觀結(jié)構(gòu)分布情況展開(kāi)檢測(cè)得出，4.75 mm完全間斷級(jí)配的骨架密實(shí)型混凝土抗滑性能最佳，2.36 mm完全間斷級(jí)配次之，4.75 mm部分間斷級(jí)配效果最差。綜合考慮施工便利性、材料抗水損性、抗滑性等技術(shù)方面的要求，薄層瀝青混凝土罩面應(yīng)采用2.36 mm 間斷級(jí)配。

此外，必須結(jié)合瀝青混凝土內(nèi)部高溫抗變形能力以及路表抗滑顆粒和車輪間的接觸特性，應(yīng)用主骨料空隙填充法展開(kāi)薄層瀝青混凝土骨架級(jí)配設(shè)計(jì)和體積設(shè)計(jì)[3]，配合比計(jì)算公式如下：

式（1）中，qc——粗集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；qf——細(xì)集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；qp——礦粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；式（2）中，γs——粗集料相對(duì)緊裝密度；VCADRC——主骨架緊裝間隙率（%）；VVs——瀝青混凝土目標(biāo)空隙率設(shè)計(jì)值（%）；qa——瀝青用量質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）；γf——細(xì)集料表觀相對(duì)密度；γp——礦粉表觀相對(duì)密度；γa——瀝青相對(duì)密度。

采用主骨料空隙填充法展開(kāi)薄層瀝青罩面混凝土級(jí)配設(shè)計(jì)，所擬定的混凝土目標(biāo)空隙率為4.5%，粉膠比為1.3；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)所確定的油石比為6.0%，據(jù)此可確定出7.8%的礦粉用量。結(jié)合以上分析，薄層瀝青罩面混凝土以4.75 mm顆粒為主，故按照《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG 5142—2019）所規(guī)定的單一4.75 mm顆粒進(jìn)行主骨架緊裝間隙率測(cè)定，結(jié)合式（1）和（2）所計(jì)算出的粗細(xì)集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為73.8%和18.4%。

薄層瀝青罩面混凝土不用3～5 mm間斷級(jí)配規(guī)格料，僅使用 0～3 mm 和 5～10 mm 規(guī)格料，級(jí)配情況見(jiàn)表1。根據(jù)級(jí)配設(shè)計(jì)結(jié)果，通過(guò)2.36 mm篩孔的集料質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為8.9%。基于此，進(jìn)行了馬歇爾試驗(yàn)，確定出的最佳油石比為5.8%，混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 設(shè)計(jì)級(jí)配

表2 馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

進(jìn)一步通過(guò)擺式儀和鋪砂試驗(yàn)展開(kāi)薄層罩面瀝青混凝土抗滑性能試驗(yàn)和評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，薄層瀝青罩面混凝土表面構(gòu)造深度為1.02 mm，擺值取78.6 BPN，高于改進(jìn)型密級(jí)配混凝土0.93 mm的表面構(gòu)造深度和72.4 BPN的擺值，抗滑性能更加優(yōu)異。

2.2 抗反射裂縫設(shè)計(jì)

公路隧道病害水泥混凝土路面加鋪薄層瀝青罩面后，加鋪層因受到行車荷載的反復(fù)作用，會(huì)產(chǎn)生剪切和彎曲；快速運(yùn)行的車輪荷載在裂縫周圍施加較大的作用力，形成沖擊荷載，長(zhǎng)此以往，必定會(huì)形成反射裂縫。在材料設(shè)計(jì)階段，必須對(duì)罩面層瀝青混合料在沖擊荷載作用下的力學(xué)性能展開(kāi)分析評(píng)價(jià)。

按照《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG3420—2020）的要求制備試件，并測(cè)定試件受到?jīng)_擊荷載作用后的變形曲線，曲線和橫軸所夾面積即為引發(fā)材料斷裂所需的能量。受到行車荷載沖擊作用后，變形曲線的面積代表沖擊韌性，該取值越大，說(shuō)明材料抗反射裂縫性能越強(qiáng)[4]。相關(guān)研究成果也表明，半剛性基層瀝青路面反射裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子主要受瀝青層模量的影響，且隨著瀝青層模量的增大，裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度明顯增大。由此可見(jiàn)，從瀝青材料角度加強(qiáng)薄層瀝青混凝土抗反射裂縫性能設(shè)計(jì)切實(shí)可行。

具體而言，可采用PG82高模量SBS改性瀝青結(jié)合料，并增大瀝青用量，在5.8%的油石比下礦料間隙率顯著提高，抑制反射裂縫的效果也更加優(yōu)異。

為綜合評(píng)價(jià)薄層瀝青混凝土抗反射裂縫性能，制備尺寸為 25 cm×3.5 cm×3.0 cm 的小梁試件，展開(kāi)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制荷載-跨中撓度曲線，并計(jì)算混凝土材料的抗沖擊韌性。結(jié)果詳見(jiàn)表3。通過(guò)表中試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于相同品質(zhì)的SBS改性瀝青而言，SMA瀝青混合料沖擊韌性最高；PG82 SBS改性瀝青沖擊韌性略低于SMA。表明PG82 SBS改性瀝青的使用及瀝青用量的提高能明顯提升瀝青混合料抗反射裂縫性能。此外，化纖纖維的摻加能形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，提高黏層瀝青裹覆集料的性能，更加有效地鎖住封層集料，提升加鋪混合料和舊水泥混凝土路面的層間黏結(jié)力和封層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。應(yīng)力吸收黏結(jié)層形成后，還會(huì)使豎向應(yīng)力荷載更加柔和地分散至加鋪結(jié)構(gòu)層間，減緩行車荷載對(duì)面層的破壞。

表3 混凝土材料抗沖擊韌性試驗(yàn)結(jié)果

2.3 層間黏結(jié)設(shè)計(jì)

原水泥混凝土路面和加鋪的混凝土罩面屬于兩種剛度完全不同的材料，對(duì)于縱坡較大的高速公路隧道工程，必須在加鋪層和原路面之間設(shè)計(jì)較大的水平剪應(yīng)力，以增強(qiáng)層間黏結(jié)。與此同時(shí)，水泥混凝土板和加鋪的混凝土罩面之間也必須設(shè)置性能良好的應(yīng)力吸收層，應(yīng)對(duì)反射裂縫的不利影響。

基于以上考慮，可對(duì)碎石封層展開(kāi)以下兩個(gè)方面的改進(jìn)設(shè)計(jì)。一是摻加纖維，通過(guò)纖維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)裹覆黏層瀝青，嵌鎖住封層集料，防止集料脫落的同時(shí)，提升封層結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；二是以高模量改性瀝青為封層黏結(jié)料，形成厚度在5～10 mm左右的黏結(jié)力及模量均較大的應(yīng)力吸收黏結(jié)層，以便使豎向應(yīng)力荷載均勻地分散至加鋪結(jié)構(gòu)層，最大程度降低行車荷載對(duì)罩面層的碾壓破壞。

為進(jìn)行薄層瀝青混凝土罩面層與應(yīng)力吸收碎石封層間黏結(jié)性能的評(píng)價(jià)，對(duì)3 cm厚的罩面層+1 cm厚的纖維碎石封層展開(kāi)25℃抗拉拔試驗(yàn)。在碎石封層改性瀝青灑布量、纖維及碎石撒布量分別為 2.2 L/m2、120 g/m2、6.5 kg/m2的情況下，罩面層實(shí)測(cè)抗拉拔強(qiáng)度均值為0.9 MPa，最大達(dá)到1.2 MPa，層間黏結(jié)性能明顯優(yōu)于以SBS改性乳化瀝青為黏結(jié)層的超薄磨耗層。

3 工程應(yīng)用

某高速公路為雙向四車道設(shè)計(jì)，起訖樁號(hào)K120+000～K175+421，線路長(zhǎng)55.421 km，全線設(shè)置2座隧道，單洞長(zhǎng)度均為5 459 m，洞內(nèi)鋪設(shè)水泥混凝土路面。該高速公路于2011年初建成通車，在長(zhǎng)期行車荷載和環(huán)境因素的綜合作用下，2座隧道水泥混凝土路面性能均快速衰減，為提升隧道內(nèi)路面性能，保證行車安全，必須及時(shí)實(shí)施養(yǎng)護(hù)處治。公路管理部門經(jīng)過(guò)多方調(diào)查和論證，最終決定加鋪2 cm厚的熱拌薄層瀝青混凝土罩面。薄層瀝青混凝土屬于間斷級(jí)配混合料，粗集料用量大，粉料多，改性瀝青用量相對(duì)較多，能提供更加耐久的抗滑構(gòu)造和豐富的瀝青油膜保護(hù)，提升罩面層結(jié)構(gòu)的耐久性。同時(shí)，將粗集料最大粒徑從10 mm減至8 mm，優(yōu)化了罩面混凝土的均勻性。

3.1 薄層瀝青混凝土罩面施工

薄層罩面為功能層，在施工前必須徹底處治原水泥混凝土路面病害，清理路面雜物，保證罩面層和原路面的有效黏結(jié)。結(jié)合所劃出的銑刨面積和深度逐道銑刨，保證銑刨后邊線順直，還應(yīng)徹底清理路槽。

該公路隧道薄層罩面瀝青混凝土通過(guò)設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為每鍋200 kg的MAC-320型瀝青拌和樓制備，拌和時(shí)間 60 s，其中干拌與濕拌時(shí)間分別按10 s和 50 s控制。隧道內(nèi)溫度比隧道外低。為此，必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求控制混合料出廠溫度。在使用自卸車運(yùn)輸混合料的過(guò)程中，必須通過(guò)篷布嚴(yán)密覆蓋，起到保溫及防塵作用。

攤鋪薄層罩面混凝土前必須先施工SBS改性瀝青碎石封層，按照1.3～1.8 kg/m2的用量灑布改性瀝青，粒徑5～8 mm 的碎石集料則按照 5～8 kg/m2的量撒布。碎石料應(yīng)均勻撒布，覆蓋面積達(dá)到60%即可，并通過(guò)人工方式鏟除撒布過(guò)多的碎石集料。使用2臺(tái)沃爾沃ABG-6820型瀝青攤鋪機(jī)按照5～10 m的距離前后攤鋪，借助平衡梁自動(dòng)找平?？紤]到該高速公路2座隧道中水泥混凝土面板平整度均不良，故應(yīng)加強(qiáng)初始?jí)簩?shí)度控制，同時(shí)將攤鋪速度降至2.0 m/min左右。攤鋪后應(yīng)及時(shí)緊跟碾壓。碾壓施工方案詳見(jiàn)表4，其中，往返1次為1遍。

表4 碾壓施工方案

為保證薄層罩面瀝青混凝土施工質(zhì)量，必須加強(qiáng)溫度控制，具體要求和實(shí)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 薄層罩面瀝青混凝土施工溫度控制要求

3.2 施工效果

該高速公路2座隧道加鋪薄層瀝青混凝土罩面后，外觀質(zhì)量均勻良好，對(duì)于竣工通車及工后運(yùn)行過(guò)程展開(kāi)為期2年的跟蹤觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。由此可知，加鋪薄層瀝青混凝土罩面后，國(guó)際平整度指數(shù)均值從處治前的2.65 m/km降至1.22 m/km，路面橫向力系數(shù)均值從處治前的36提升至處治后的75，路面平整度及抗滑性能均顯著改善。從表中檢測(cè)結(jié)果看出，公路隧道病害水泥路面加鋪薄層瀝青混凝土罩面后，橫向力系數(shù)、擺值、構(gòu)造深度等取值顯著提高，工后檢測(cè)值完全滿足《公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（JTG 5142—2019）要求；通車6個(gè)月、12個(gè)月及24個(gè)月后相應(yīng)參數(shù)取值仍超出規(guī)范水平。表明薄層瀝青混凝土罩面抗滑性能良好，路用性能優(yōu)良。

表6 施工效果檢測(cè)

4 結(jié)論

綜上所述，薄層瀝青混凝土罩面厚度較薄，密水性、表面排水性及抗滑性十分優(yōu)異，同時(shí)具備一定的機(jī)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)功能，在施工設(shè)備、工藝等方面也無(wú)特殊要求。施工結(jié)果表明，該高速公路隧道養(yǎng)護(hù)處治過(guò)程中，通過(guò)加強(qiáng)原材料選擇，嚴(yán)格級(jí)配控制等措施，保證了隧道內(nèi)病害水泥混凝土路面加鋪薄層罩面施工質(zhì)量，使隧道路面抗滑性、抗磨耗性等得以恢復(fù)和提升，平整度大大改善，行車舒適性提高，也為該技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)。