海南省文臨高速公路建設(shè)質(zhì)量提升措施研究

張成龍

(中國(guó)鐵建大橋工程局集團(tuán)第一工程有限公司,遼寧 大連 116000)

1 引 言

伴隨著國(guó)家對(duì)海南省的大力投入,海南省自貿(mào)港建設(shè)持續(xù)推進(jìn)。截至2022年,海南省高速公路建設(shè)里程已超過(guò)1450km,未來(lái)預(yù)計(jì)建設(shè)里程1140km[1],海南省公路項(xiàng)目建設(shè)處于大發(fā)展、大建設(shè)時(shí)期[2]。隨著路面服役時(shí)間增加,受到海南省常年高溫、高濕、多雨等氣候影響,加上某些項(xiàng)目重載交通較多,一些路面陸續(xù)出現(xiàn)坑槽、車轍、抗滑性能不足[3-6]等病害,有些病害甚至是通車后兩年就出現(xiàn)[7]。路面病害產(chǎn)生的原因很多,其與路面原材料及施工期間質(zhì)量控制有較大的關(guān)系。路面原材料差導(dǎo)致產(chǎn)生病害問(wèn)題是公路建設(shè)項(xiàng)目的共性問(wèn)題,因此,瀝青和集料的質(zhì)量顯得尤其重要。隨著我國(guó)化工技術(shù)的快速進(jìn)步,石油提煉技術(shù)越來(lái)越先進(jìn),路面關(guān)鍵原材料瀝青的品質(zhì)發(fā)生一些波動(dòng)[8,9]。同時(shí),由于海南省地材特點(diǎn),本地玄武巖集料內(nèi)摻雜有多孔玄武巖成分,造成路面施工難度增加。

隨著科技不斷發(fā)展,目前基于紅外技術(shù)和激光技術(shù)的新型高科技儀器已應(yīng)用于高速公路路面質(zhì)量檢測(cè)評(píng)估中[10,11],其具備快速、無(wú)損和可視化的特點(diǎn),在眾多省份得到推廣和使用,并取得了較好的效果[12]。本文從海南地域特色出發(fā),結(jié)合本地原材料特點(diǎn),在原材料控制和施工工藝提升等方面開(kāi)展研究,為后續(xù)公路項(xiàng)目建設(shè)提供參考案例。

2 項(xiàng)目概況及難點(diǎn)

2.1 項(xiàng)目概況

海南省國(guó)道G360文昌至定安、定安至臨高公路是國(guó)家發(fā)展改革委、交通運(yùn)輸部、國(guó)務(wù)院扶貧辦確定的“十三五”交通扶貧“雙百”工程項(xiàng)目之一,是海南省國(guó)省道路網(wǎng)“豐”字形公路主骨架中“豐”字的第一橫,是海南主骨架公路網(wǎng)的重要補(bǔ)充,是確保海南省經(jīng)濟(jì)持續(xù)健康發(fā)展和確保全面落實(shí)改革開(kāi)放各項(xiàng)政策的兩個(gè)確保百日大行動(dòng)的重點(diǎn)項(xiàng)目,是高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)海南自由貿(mào)易區(qū)、自由貿(mào)易港的重要基礎(chǔ)工程,項(xiàng)目建設(shè)必將提升瓊北部各市縣之間的交通服務(wù)水平,改善投資環(huán)境,強(qiáng)化區(qū)域內(nèi)的聯(lián)系,促進(jìn)各市縣之間的政治、經(jīng)濟(jì)、文化相互交流,推動(dòng)沿線經(jīng)濟(jì)社會(huì)和旅游業(yè)全面發(fā)展。

本項(xiàng)目位于海南省北部,處于低緯度地區(qū),屬熱帶海洋性氣候,春季溫暖少雨,夏季高溫多雨,秋季多臺(tái)風(fēng)暴雨。全年日照長(zhǎng),輻射能量大,年平均日照時(shí)數(shù)超2000h,太陽(yáng)輻射量可達(dá)11～12萬(wàn)卡。年平均氣溫為24.5℃,最高年平均氣溫約29.3℃,最低年平均氣溫約20℃;年平均降水量1664mm,年平均蒸發(fā)量1834mm,平均相對(duì)濕度85%。本項(xiàng)目采用四車道干線一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)速度100km/h。整體式路基寬26m,分離式路基寬13m,匝道雙向雙車道路基寬16.5m,匝道單向雙車道路基寬10.5m,被交路雙向雙車道路基寬12.0m。

2.2 工程難點(diǎn)

本項(xiàng)目?jī)?yōu)質(zhì)石材匱乏,瀝青混凝土中、下面層碎石等材料選材困難,從而造成材料供應(yīng)點(diǎn)多、材質(zhì)多樣且質(zhì)量參次不齊、供應(yīng)量難以保證等問(wèn)題,不但大大增加了施工管理、組織的難度,而且對(duì)路面質(zhì)量控制、混合料配合比設(shè)計(jì)、施工過(guò)程中配合比的動(dòng)態(tài)控制與調(diào)整產(chǎn)生了較大的影響。針對(duì)實(shí)際情況,為保證路面質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求,主要通過(guò)加強(qiáng)料源選擇,盡量選用規(guī)格、強(qiáng)度等關(guān)鍵指標(biāo)滿足要求的石料。同時(shí),加強(qiáng)拌和站料倉(cāng)管理,不同料源的材料分開(kāi)儲(chǔ)存,嚴(yán)禁混倉(cāng);其次,也是關(guān)鍵的、行之有效的措施,即因地制宜進(jìn)行配合比設(shè)計(jì),盡可能發(fā)揮即有材料的長(zhǎng)處,降低甚至消除材料質(zhì)量缺點(diǎn)對(duì)混合料及路面質(zhì)量的影響,且加強(qiáng)施工過(guò)程中配合比的動(dòng)態(tài)調(diào)整,從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量控制目標(biāo)。

3 質(zhì)量提升措施

3.1 瀝青質(zhì)量控制

瀝青紅外光譜檢測(cè)儀通過(guò)測(cè)量瀝青樣品不同官能團(tuán)的吸光率,確定瀝青樣品的特征官能團(tuán)和混合物中特定官能團(tuán)的含量,進(jìn)行瀝青快速檢測(cè)[13,14],該技術(shù)具有測(cè)試準(zhǔn)確、快速、環(huán)保、方便、可靠等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)對(duì)瀝青多方位、全面檢測(cè)[15]。瀝青路面使用的瀝青材料運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)后,必須對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行抽樣檢驗(yàn),經(jīng)檢驗(yàn)合格后方可使用。

傳統(tǒng)的瀝青物理指標(biāo)檢測(cè),從取樣、送樣、全套指標(biāo)檢測(cè)一般要2天以上。瀝青路面的鋪筑施工是整個(gè)工程的最后階段,一般會(huì)面臨工期短、任務(wù)重、通車壓力大等問(wèn)題。為快速判定瀝青材料質(zhì)量的優(yōu)劣,保證瀝青路面建設(shè)質(zhì)量,開(kāi)展瀝青質(zhì)量快速檢測(cè)與評(píng)價(jià)非常必要。每種瀝青都有其特殊的分子和結(jié)構(gòu)組成,對(duì)應(yīng)了獨(dú)有的指紋圖譜。采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)可以對(duì)瀝青的指紋圖譜進(jìn)行識(shí)別,判斷其結(jié)構(gòu)組成、添加劑(SBS、SBR)的摻量、純潔度、老化程度等,是當(dāng)前用于瀝青定量、定性分析最先進(jìn)的技術(shù)。

本項(xiàng)目紅外光譜儀產(chǎn)品類型為安捷倫Cary 630 FTIR光譜儀,如圖1所示,瀝青檢測(cè)制樣見(jiàn)圖2。標(biāo)準(zhǔn)樣品中SBS含量按下式計(jì)算:

圖1 安捷倫Cary 630FTIR光譜儀

圖2 瀝青澆模

式中,CSBS為改性劑摻量(%);mSBS為改性劑添加質(zhì)量(%);mBrr為基質(zhì)瀝青質(zhì)量(g);mADD為添加劑質(zhì)量(g)。

(1)基質(zhì)瀝青溯源比對(duì)。

對(duì)本項(xiàng)目的96批基質(zhì)瀝青檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,制成基質(zhì)瀝青相似度分布圖,如圖3所示。其數(shù)理統(tǒng)計(jì)結(jié)果為:最大值為99.9%,最小值為99.4%,相似度平均值為99.5%。標(biāo)準(zhǔn)差為0.681,變異系數(shù)為0.0683%。因此,該項(xiàng)目所用基質(zhì)瀝青穩(wěn)定可控,變異系數(shù)僅為0.0683%,基質(zhì)瀝青整體質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

圖3 基質(zhì)瀝青相似度分布

(2)SBS改性瀝青質(zhì)量控制。

按照指南,制作改性瀝青不同SBS摻量標(biāo)準(zhǔn)曲線。本項(xiàng)目標(biāo)樣曲線見(jiàn)圖4,可以看出,瀝青檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)樣本中SBS摻量與特征峰面積比值存在較好的線性相關(guān)性,擬合后得到關(guān)系式Y(jié)=12.735X-1.0767,其中R2達(dá)到99.05%。對(duì)本項(xiàng)目的改性瀝青樣品SBS摻量檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,制成分布圖,如圖5所示。改性瀝青SBS摻量與其性能有較大關(guān)聯(lián),根據(jù)海南省之前的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,當(dāng)SBS摻量低于4.5%時(shí),瀝青PG分級(jí)很難滿足PG76要求。由圖5可知,本項(xiàng)目改性瀝青SBS摻量分布基本都大于4.5%,平均值為4.6%。

圖4 改性瀝青標(biāo)樣曲線

圖5 SBS摻量改性分布

3.2 集料質(zhì)量控制

本項(xiàng)目所用集料為玄武巖,每擋粗集料中含有部分多孔玄武巖碎石(如圖6所示,其微觀形態(tài)見(jiàn)圖7),集料的密度大,硬度高。含有多孔玄武巖粗集料的顆粒多棱角,增加了瀝青混合料的內(nèi)摩阻力,用馬歇爾擊實(shí)儀法難以進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。因此,本項(xiàng)目采用Superpave瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法,采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀(見(jiàn)圖8)代替馬歇爾擊實(shí)儀進(jìn)行成型,采用控制點(diǎn)和限制區(qū)的概念來(lái)限定,優(yōu)選試驗(yàn)級(jí)配設(shè)計(jì),成型后的芯樣剖面見(jiàn)圖9。這是該項(xiàng)技術(shù)首次在海南地區(qū)高速公路建設(shè)中使用。

圖6 多孔玄武巖集料

圖7 多孔玄武巖微觀狀態(tài)

圖8 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀

圖9 代表芯樣剖面

3.3 攤鋪工藝提升

為提升本項(xiàng)目攤鋪施工質(zhì)量,使用基于激光和紅外掃描技術(shù)的快速無(wú)損檢測(cè)設(shè)備,對(duì)本項(xiàng)目攤鋪效果進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估,根據(jù)檢測(cè)評(píng)估結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)。

快速檢測(cè)設(shè)備參數(shù)如下:手推式高精度斷面儀(見(jiàn)圖10),測(cè)試長(zhǎng)度500m,測(cè)試方案如圖11所示。激光紋理儀(見(jiàn)圖12)通過(guò)向路面投射激光,其檢測(cè)結(jié)果為路面的平均剖面深度MPD,測(cè)試長(zhǎng)度及方案,參照手推式高精度斷面儀。

圖10 手推式高精度斷面儀

圖11 測(cè)試方案

圖12 激光紋理儀

全斷面滲水狀況測(cè)試縱向按5m間距、橫向按1m間隔劃分路面測(cè)試單元,得到全斷面滲水分布狀況。根據(jù)設(shè)計(jì)文件,中面層滲水系數(shù)劃分范圍見(jiàn)表1。

表1 中面層滲水系數(shù)范圍劃分

(1)平整度控制。

根據(jù)文獻(xiàn)[12],路面平整度不佳的主要原因之一是施工不連續(xù),攤鋪機(jī)啟動(dòng)和停止對(duì)路面造成的壓痕引起平整度變差。因此,在施工中,通過(guò)合理的施工調(diào)度,由專人指揮料車卸料,盡量做到不停機(jī)卸料。根據(jù)表2的平整度系數(shù)可以看出,采用不停機(jī)施工方案,其攤鋪結(jié)果對(duì)路面平整度有較大提升,平整度系數(shù)σ由0.80mm下降至0.53mm,降幅為33.8%。

表2 平整度系數(shù)σ(mm)

(2)均勻性控制。

路面不均勻,對(duì)瀝青路面整個(gè)服役周期均會(huì)產(chǎn)生不良影響。隨著使用年限增加,瀝青混合料在汽車輪載作用下逐漸產(chǎn)生疲勞破壞,破壞點(diǎn)很可能出現(xiàn)在路面不均勻位置。同時(shí),路面紋理不均勻還可能導(dǎo)致車輛行駛過(guò)程中抗滑性能的差異,帶來(lái)交通安全隱患。選擇本項(xiàng)目施工期間的兩次中面層快速檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)圖13,橫向?qū)Ρ?個(gè)測(cè)試激光構(gòu)造深度,可以看出,距中4m和6m位置路面構(gòu)造深度一般低于兩側(cè)距中2m和距中8m位置,且路面均勻性也好于邊部位置。實(shí)際施工中,路幅中間位置受壓路機(jī)碾壓遍數(shù)一般大于邊部,往往造成中間過(guò)壓或邊部欠壓,引起路面均勻性差異。為改善路面施工均勻性,本項(xiàng)目使用紅外攝像儀,并由專人指揮碾壓施工。根據(jù)圖14-圖16可知,路面施工均勻性得到較好改善。

圖13 路面表面紋理狀況1

圖14 路面表面紋理狀況2

圖15 路面滲水系數(shù)

圖16 路面紅外照片

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)采用瀝青紅外快速檢測(cè)技術(shù),對(duì)本項(xiàng)目基質(zhì)瀝青及改性瀝青進(jìn)行日常檢測(cè),保證本項(xiàng)目瀝青質(zhì)量穩(wěn)定。結(jié)果顯示,基質(zhì)瀝青相似度平均值為99.5%,整體質(zhì)量穩(wěn)定可靠。改性瀝青SBS摻量分布基本都大于4.5%,平均值為4.6%,滿足施工要求。

(2)根據(jù)本項(xiàng)目骨料為多孔玄武巖特點(diǎn),引進(jìn)Superpave瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)方法,采用控制點(diǎn)和限制區(qū)的概念來(lái)限定,優(yōu)選試驗(yàn)級(jí)配設(shè)計(jì),保證項(xiàng)目質(zhì)量。

(3)為提升本項(xiàng)目攤鋪施工質(zhì)量,使用基于激光和紅外掃描技術(shù)的快速無(wú)損檢測(cè)設(shè)備,對(duì)本項(xiàng)目攤鋪效果進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估,根據(jù)檢測(cè)評(píng)估結(jié)果及時(shí)調(diào)整施工參數(shù),使本項(xiàng)目平整度、均勻性、滲水系數(shù)等指標(biāo)達(dá)到新的高度。