桂柳高速水泥路面改造應力吸收層設計與應用

林開勝

(廣西桂通工程咨詢有限公司，廣西 南寧 530028)

0 引言

桂柳高速公路作為廣西區內第一條高速公路，運營十幾年來，隨著交通量和車輛荷載的日益增長，舊水泥路面已經逐漸出現了多種病害，急需對路面進行改造，以改善行車安全性和舒適性。舊路加鋪瀝青面層是一種常用的水泥路面改造方案，但國內外一直沒有統一的設計方法。從區內已完成水泥路面加鋪的柳南高速和南北高速的使用情況來看，目前路面狀況十分良好，尚未出現大面積損壞，這說明兩條路所采取的改造方案是較為成功的，可供桂柳高速水泥路面改造參考使用。

經過對比論證，桂柳高速瀝青加鋪層最終確定為：2 cm應力吸收層AC10+10 cm中面層AC25C+4 cm表面層SMA13。其中，應力吸收層AC10主要用作水泥路面的應力消散和吸收使用，其設計方法、技術指標和性能要求有別于現行規范中密級配AC10瀝青混凝土，因此在設計和應用時，需要綜合考慮應力吸收層的防反射裂縫、應力消散效果、防水封水效果及結構性能等要求。本文主要借鑒柳南高速路面改造中所使用的應力吸收層設計方法，結合桂柳高速沿線的地方性材料，針對性地開展應力吸收層混合料在桂柳高速路面改造工程(簡稱本工程)中的應用研究，用于指導實體工程的設計、施工和質量控制。

1 應力吸收層設計方法及設計參數

本文應力吸收層設計方法主要參考柳南高速公路路面改造工程中所使用的設計方法，并根據桂柳高速公路的實際情況進行優化設計，最終得到適合本工程使用的設計級配、最佳油石比確定方法和設計參數。

1.1 設計級配

為了保證其具有較好的防反射裂縫效果，同時兼顧部分高溫性能、保證施工和易性，設計級配在現行規范的基礎上對礦料級配進行了優化和調整，采用粗集料斷級配來構成設計級配，如表1所示。

表1 應力吸收層AC10設計級配表

1.2 最佳油石比確定方法

借鑒柳南高速公路路面改造工程中使用的“基于路用性能均衡的應力吸收層材料四控制點設計方法”來確定應力吸收層的最佳油石比，即：

(1)確定油石比第一控制點ωA——協調抗變形能力和抗車轍能力關鍵的控制點。試驗研究表明，最緊密嵌擠狀態下油石比是協調抗變形能力和抗車轍能力的關鍵控制點，因此選取該值作為油石比的第一控制點，以協調抗變形能力和抗車轍能力。

(2)確定油石比第二控制點ωB——保證施工和易性的關鍵控制點。通過控制最大油石比保證混合料的施工和易性。以往研究表明，一定油石比范圍內謝倫堡析漏試驗析漏損失率與油石比之間的關系曲線具有明顯的“拐點”，當油石比超過該點時析漏損失率急劇上升，因此提出采用該“拐點”作為第二控制點，據此控制應力吸收層瀝青混合料的最大油石比。

(3)開展ωA與ωB之間瀝青混合料0 ℃低溫小梁彎曲試驗，確定滿足彎曲應變要求所對應的油石比為第三控制點ωC。

(4)開展ωA與ωB之間瀝青混合料車轍試驗，根據混合料高溫穩定性最佳狀態確定第四控制點ωD。

(5)綜合混合料的體積指標、緊密狀態、變形適應性、高溫穩定性以及施工和易性，最終確定應力吸收層用最佳油石比，并據此開展路用性能驗證。

1.3 設計參數

由于本工程使用的應力吸收層AC10不同于密級配AC10，設計參數也做了相應調整，如表2所示。

表2 應力吸收層AC10設計參數表

2 桂柳高速應力吸收層目標配合比設計

2.1 原材料

本工程應力吸收層采用廈門華特SBS改性瀝青(I-D)，臨桂四塘石場0～3 mm石灰巖機制砂、臨桂萬福石場5～10 mm石灰巖碎石，蘇橋產礦粉，原材料的各項性能指標均滿足設計要求，試驗結果見表3～6。

表3 SBS改性瀝青檢測結果表

表4 粗集料5～10 mm檢測結果表

表5 細集料0～3 mm檢測結果表

表6 礦粉檢測結果表

2.2 級配設計

采用水洗法對各礦料進行篩分，根據表1的設計級配合成目標配合比設計級配曲線，如圖1所示。所確定的目標配合比各礦料比例為5～10 mm碎石∶0～3 mm機制砂∶礦粉=69∶26∶5。

圖1 目標配合比合成級配曲線圖

2.3 最佳油石比確定

應力吸收層馬歇爾擊實試驗結果如表7所示，本工程采用1.2中的方法確定最佳油石比。

2.3.1 確定油石比第一控制點ωA

采用瀝青混合料最緊密嵌擠狀態(即礦料間隙率VMA達到最小時)下的油石比作為應力吸收層材料油石比的第一控制點。由表7可知，馬歇爾試驗最緊密狀態(即礦料間隙率VMA最小時)所對應的油石比ωA為5.4%，將此值作為目標配合比油石比的下限。

表7 應力吸收層目標配合比馬歇爾擊實試驗結果表

2.3.2 確定油石比第二控制點ωB

通過控制最大油石比保證混合料的施工和易性，該最大油石比為不同油石比下析漏試驗析漏損失率的陡增拐點。圖2為本工程不同油石比下的析漏試驗結果。由圖2可知，本工程應力吸收層目標配合比析漏損失率陡增點對應油石比為6.6%，將此作為目標配合比設計油石比第二控制點ωB。

圖2 析漏試驗曲線圖

2.3.3 確定油石比第三控制點ωC

選用第一控制點5.4%、第二控制點6.6%以及油石比上下限區間內5.8%、6.2%進行0 ℃小梁彎曲試驗，試驗結果見圖3。由圖3可知，滿足0 ℃小梁彎曲破壞應變要求的最低油石比為5.9%，即油石比第三控制點ωC為5.9%。

圖3 0 ℃小梁彎曲試驗曲線圖

2.3.4 確定油石比第四控制點ωD

表8為不同油石比下應力吸收層的車轍試驗。由表8可知，本工程應力吸收層在油石比5.4%～6.6%范圍內，其高溫穩定性能均滿足設計要求，故第四控制點ωD的范圍為5.4%～6.6%。

表8 應力吸收層目標配合比車轍試驗結果表

2.3.5 確定滿足混合料體積指標要求的油石比范圍

由表1馬歇爾擊實試驗的空隙率與油石比、瀝青飽和度與油石比的回歸關系可知，滿足空隙率上限值2.5%對應的油石比為6.0%、滿足瀝青飽和度上限值85%所對應的油石比為6.4%，則滿足混合料體積指標要求的油石比范圍應為6.0%～6.4%。

2.3.6 確定最佳油石比

將本節2.3.1至2.3.5的試驗結果匯總如下：

(1)第一控制點油石比ωA=5.4%；

(2)第二控制點油石比ωB=6.6%；

(3)第三控制點油石比ωC=5.9%；

(4)第四控制點油石比范圍ωD為5.4%～6.6%；

(5)滿足混合料體積指標要求的油石比范圍為6.0%～6.4%。

綜合應力吸收層AC10混合料的體積指標、緊密狀態、變形適應性、高溫穩定性以及施工和易性，最終確定應力吸收層用最佳油石比范圍為6.0%～6.4%。考慮到施工過程中的生產波動，本目標配合比設計取該范圍的中間值油石比6.2%作為最佳油石比。

2.4 路用性能

在最佳油石比6.2%條件下開展應力吸收層目標配合比的路用性能驗證，結果見下頁表9。由表9可知，應力吸收層的路用性能均滿足相關設計要求。

表9 應力吸收層目標配合比路用性能試驗結果表

3 工程應用

桂柳高速公路(僚田至鹿寨)水泥路面改造工程采用了上述設計成果，施工中對應力吸收層材料的抽檢結果匯總于表10。

表10 桂柳高速應力吸收層施工抽檢結果表

由表10可知，本工程設計和選用的應力吸收層AC10瀝青混合料具有良好的路用性能和使用效果，主要原因是由于其最佳瀝青含量，能夠提供很好的抗變形能力和抗疲勞能力，保證良好的防止反射裂縫和應力耗散的效果。同時，與密級配AC10相比其碎石含量較多，能夠提供更好的抗車轍能力。

4 結語

本文以柳南高速路面改造中所使用的應力吸收層設計方法為基礎，結合桂柳高速沿線的地方性材料，針對性地開展了應力吸收層混合料在桂柳高速路面改造工程中的設計和應用研究。通過室內試驗和工程應用發現，本文所設計的應力吸收層AC10具有良好的路用性能和使用效果，其最佳瀝青含量設計能夠提供較好的抗變形能力和抗疲勞能力，同時由于碎石含量較多時能夠提供更好的抗車轍能力，因此是一種性能均衡的應力吸收層材料。

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