常見問題

瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度與瀝青混合料類型選擇

作者：北方建科發(fā)布時(shí)間：2020-05-22

瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度與瀝青混合料類型選擇
我國(guó)高速公路瀝青路面早期損壞的原因，就路面本身來(lái)說(shuō)，除了瀝青混合料抗水損害能力不足、路面壓實(shí)度不夠外，還有一個(gè)致命的原因就是瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度與瀝青混合料類型選擇不匹配，瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度至少應(yīng)為集料大公稱尺寸3倍。我國(guó)表面層常用的AC-16，AK-16或SMA-16，與我國(guó)表面層常用的厚度4cm相比，明顯過大，從而造成瀝青路面混合料容易離析、壓實(shí)困難、空隙偏大，導(dǎo)致松散、泛油、剝落和坑洞等早期損壞。
我國(guó)近年來(lái)修筑了許多高速公路，而一些高速公路的瀝青路面在不同程度上都發(fā)現(xiàn)了一些早期破壞，如：松散、泛油、剝落和坑洞等現(xiàn)象，而這些現(xiàn)象的出現(xiàn)的主要原因，就瀝青路面本身來(lái)說(shuō)，可歸結(jié)為瀝青混合料抗水損害能力不足、路面壓實(shí)度不夠。我國(guó)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的水損害指標(biāo)不足以防止水損害，因?yàn)轳R歇爾密度滿足規(guī)范要求，路面空隙率仍可能超過8%。如果在馬歇爾壓實(shí)度的基礎(chǔ)上規(guī)定了空隙率不8%，或者應(yīng)用了較為科學(xué)的水敏感性評(píng)價(jià)方法，或采取了抗剝落劑的措施，那么是否可能避免這些早期損壞呢？回答是不一定的。因?yàn)槲覈?guó)瀝青路面早期損壞，還有一個(gè)致命的原因就是瀝青混合料類型與路面結(jié)構(gòu)層厚度不匹配，由于集料大粒徑過大，公稱尺寸集料偏多，因而造成混合料容易離析、壓實(shí)困難、空隙率偏大，導(dǎo)致松散、泛油、剝落和坑洞等早期損壞。
1 現(xiàn)狀分析⑵⑶⑷⑸
《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 032－94）規(guī)定：根據(jù)不同地區(qū)道路等級(jí)及所處層位的功能要求，從表7．1．3中選擇適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)組合，并應(yīng)遵循以下原則：
⑴綜合考慮滿足耐久性、抗車轍、抗裂、抗水損害能力、抗滑性能等多方面要求，根據(jù)施工機(jī)械、工程造價(jià)等實(shí)際條件選擇；
⑵采用雙層式或三層結(jié)構(gòu)，至少有一層為型密級(jí)配瀝青混合料；
⑶多雨潮濕地區(qū)宜采用抗滑表面層混合料；
⑷集料在粒徑宜從上至下逐漸增大，中粒式及細(xì)粒式瀝青混合料用于上面層，粗粒式只能用于中下層；
⑸上面層瀝青混合料的集料大粒徑不宜超過層厚的1/2，中、下面層及聯(lián)結(jié)層的集料大粒徑不宜超過層厚的2/3。
表1是規(guī)范中表7.1.3的一部份（高速公路和一級(jí)公路部份）。
表1 瀝青路面各層適用的瀝青混合料類型
結(jié)構(gòu)層次三層式瀝青混凝土路面兩層式瀝青混凝土路面
上面層 AC-13；AC-16；AC-20 AC-13；AC-16
中面層 AC-20；AC-30
下面層 AC-25；AC-30 AC-20；AC-25；AC-30

按《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 032－94）條文說(shuō)明第113頁(yè)陳述：“根據(jù)與先進(jìn)的國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)盡社一致的原則，經(jīng)組織國(guó)內(nèi)專家多次協(xié)商討淪，本規(guī)范考慮一次到位，按照日本、澳大利亞的規(guī)定，全部采用ISO565的R40/3系列的標(biāo)準(zhǔn)篩孔和按照我國(guó)習(xí)慣全部采用mm制。用于瀝青路面礦料級(jí)配的篩孔為0•075、0•15、0•3、0•6、l•18、2•36、4•75、9•5、13．2、16、19、26．5、31.5、37．5、53、63、75、106mm等19個(gè)篩孔為標(biāo)準(zhǔn)篩孔”。加黑的篩孔尺寸是非標(biāo)準(zhǔn)篩孔尺寸，美國(guó)與澳大利亞的規(guī)范均沒有16mm，31.5mm這兩個(gè)篩孔尺寸；日本也沒有16mm尺寸，但日本多出一個(gè)引31.5mm尺寸。
另外在規(guī)范2.1條術(shù)語(yǔ)中找不到關(guān)于集料大粒徑的定義，當(dāng)然也在找不到集料大公村尺寸的定義。從2.1.43~2.1.47關(guān)于砂粒式瀝青混合料、細(xì)粒式瀝青混合料一直到特粗式瀝青碎石的定義中可以看出，大集料粒徑似乎就是混合料命名的尺寸。如細(xì)粒式AC－10和AC－13的大集料尺寸分別為9.5mm和 13.2mm，中粒式AC－16和 AC－20的大集料尺寸分別為16mm和19mm。這與規(guī)范中表7.1.2的定義是一致的。
但是如來(lái)研究一下規(guī)范表D.7瀝青混合料礦粉級(jí)配及瀝青用量范圍（方孔篩），就會(huì)發(fā)現(xiàn)：如AC-16mm的通過率為95%~100%,也就是說(shuō)還有5%的集料尺寸在于16.0mm，這種集料尺寸應(yīng)稱為什么尺寸呢?
根據(jù)美國(guó)Superpave的定義：集料大公稱尺寸為篩余一次大于10%的篩號(hào)的上一級(jí)篩子定義為集料大公稱尺寸；集料大尺寸：集料大公稱尺寸上一級(jí)篩號(hào)定義為集料大尺寸。
根據(jù)這個(gè)定義檢驗(yàn)規(guī)范表D.7中的AC-25Ⅰ和AC-16Ⅰ。先看AC-25Ⅰ，篩余一次大于10%的篩號(hào)為19mm，19mm上一級(jí)篩號(hào)為26.5mm，稱為集料大公稱尺寸，再上一級(jí)為31.5mm是非標(biāo)準(zhǔn)篩號(hào)，規(guī)范中所列的幾個(gè)國(guó)家中只有日本一個(gè)國(guó)家有，美國(guó)、澳大利亞、西班牙均沒有這個(gè)尺寸，26.5mm上邊應(yīng)為37.5mm這才是集料大尺寸。再看AC-16Ⅰ，一次篩余大于10%的篩號(hào)為13.2mm，它的上一級(jí)16.0mm定義為集料大公稱尺寸，它的再上一級(jí)為19.0mm，定義為集料的大公稱尺寸，由于規(guī)范中所有國(guó)家均沒有16.0mm這一尺寸，按這些國(guó)家的規(guī)定13.2mm上一級(jí)應(yīng)是19.0mm。

表2 表D.7中瀝青混合料礦料級(jí)配及瀝青用里范圍（方孔篩）篩孔尺寸/mm31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075
AC-25Ⅰ10095～10075～9062～8053～7543～6332～5225～4218～3213～258～185～133～7
AC-16Ⅰ10095～10075～9058～7842～6332～5022～3716～2811～217～154～8

如果說(shuō)26.5mm和16.0mm為集料大公稱尺寸，按照經(jīng)驗(yàn)的規(guī)定路面結(jié)構(gòu)層小至小應(yīng)為集料大公稱尺寸的3倍。也就是說(shuō)中面層AC-25至少7.5cm，表面層AC-16至少5cm。
我國(guó)現(xiàn)行高速公路的瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度與瀝青混合料類別大體有下列幾種典型結(jié)構(gòu)，見圖1。
圖1 我國(guó)現(xiàn)行高速公路瀝雷路
(1) (2) (3) (4)
LH-20 5Cm 長(zhǎng)平-13 4Cm AC-16B 4cm AK-13 3Cm
LH-30 6Cm AC-20Ⅱ 5Cm AC-25Ⅰ 6Cm AC-20Ⅰ 5Cm
LS40 12Cm AC-25Ⅰ 6Cm AC-25Ⅱ 6Cm AC-30Ⅰ 7Cm
(5) (6) (7) (8)
SAC16 4Cm AC-16Ⅰ 4Cm SMA-16 4Cm AK-16 4Cm
中密 4Cm AC-25Ⅰ 5Cm AC-25Ⅰ 6Cm AC-20Ⅰ 5Cm
粗密 6Cm AC-25Ⅱ 7Cm AC-25Ⅱ 8Cm AC-30Ⅰ 6cm

圖1中的（1）是京津塘高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)圖。京津塘高速公路瀝青路面使用的LH20相當(dāng)于AC－16，京津塘高速公路表面層是5cm。中面層LH30相當(dāng)于AC－25，它的小厚度應(yīng)為7.5cm，由于北方雨量少，又是密級(jí)配，下面密度稍微差一些也不會(huì)象南方出現(xiàn)嚴(yán)重的水損害問題。下面層LS40相當(dāng)于AC-35，它的小厚度應(yīng)是10.5cm。
圖1（6）為南方某省正在建設(shè)的一條高速公路，AC-25瀝青混合料的厚度只有5cm，由于集料太大、路面太薄，所以瀝青混合料非常容易離析而且不易壓實(shí)，將來(lái)路面很容易受損害。
圖1中（3）為南方已建成的某高速公路，1996年通車，面層為AC-16B，為多碎石瀝青混合料，由于級(jí)配遠(yuǎn)離大密度線，空隙率較大，通車1年后就有局部水損害現(xiàn)象發(fā)生，個(gè)別路段中面層的瀝青膜剝落殆盡，雨季時(shí)路面水損害十分嚴(yán)重。
圖1中（4）為北方某高速公路，建好不到1年就發(fā)生了嚴(yán)重的早期破壞，如果上面層AK－13的路而厚度由3cm改為4cm，可能情況就會(huì)好很多。
除了京津塘高速公路以外，幾乎所有高速公路的瀝青路面結(jié)構(gòu)層與瀝青混合科類型相比，均不能滿足集料大公稱尺寸3倍的經(jīng)驗(yàn)法則。根據(jù)調(diào)查表明：表面層空隙率在6％～13％之間時(shí)，是發(fā)生水損害危險(xiǎn)的空隙率。因?yàn)榭障堵蚀笥?3％時(shí)水很容易而走，空隙率小于6％時(shí)，水不容易流進(jìn)去；而在這一范圍的空隙率是水容易進(jìn)而不容易出的狀態(tài)，在行車作用下路面逐步壓實(shí)，原來(lái)聯(lián)通的空隙不聯(lián)通了，這些空隙中的水在行車作用下產(chǎn)生空隙水壓力，重車再加上超載車多，空隙水壓力也大，更容易產(chǎn)生水損害，這也是一些高速公路在建好不久后就出現(xiàn)水損害的原因。
2 國(guó)外狀況
德國(guó)瀝青路面修訂技術(shù)合同條件及及規(guī)范（德國(guó)交通部公路局）1994年版本中關(guān)于承重層（頂層，相當(dāng)于我國(guó)瀝青面層三層式的下面層）的混合料采用0/16的瀝青混凝土，其鋪筑厚度要求5.0~10cm。其結(jié)構(gòu)層厚度與混合料公稱尺寸的比為3.1~3.8。
作為表面層的熱拌瀝青混合料，鋪筑厚度和結(jié)構(gòu)層厚度與混合料公稱尺寸比值見表3。
表3
混合料類型 0/16s 0/11s 0/11 0/8 0/5
鋪筑厚度/cm 5.0~6.0 4.0~6.0 3.5~4.5 3.0~4.0 2.0~3.0
結(jié)構(gòu)層厚度混合料公稱尺寸 3.1~3.8 3.96~4.5 3.2~4.1 3.8~5.0 4.0~5.0
作為聯(lián)結(jié)層的執(zhí)拌瀝青混合料（相當(dāng)于我國(guó)的中面層熱拌瀝青混合料）鋪筑厚度和結(jié)構(gòu)層厚度與混合料公稱尺寸比值，見表4。
表4
混合料類型 0/22 0/16 0/11
鋪筑厚度/cm 7.0~10.0 4.0~8.5 只用于找平
結(jié)構(gòu)層厚度混合料公稱尺寸 3.2~4.5 2.5~4.3
從表3、表4可以看出德國(guó)表面層瀝青混合料比我國(guó)明顯要細(xì)得多，即使是16mm混合料，小厚度也是5.0cm，表面層結(jié)構(gòu)層厚度與各種混合料公稱尺寸的比值均在3~5倍左右。
澳大利來(lái)瀝青混合料手冊(cè)（1995年11月草稿）中規(guī)定結(jié)構(gòu)層厚度至少為混合料公稱尺寸的2.5倍，以便于壓實(shí)。澳大利亞的熱拌瀝青混凝土有下列幾種，見表5。
表5
公稱尺寸/mm 5 7 10 14 20 28 40
典型層厚/mm 15~20 20~25 25~35 35~45 >45 >50 >100
結(jié)構(gòu)層厚度/混合料公稱尺寸 3.0~5.0 2.9~3.6 2.5~3.5 2.5~3.2 >2.3 >1.8 >2.5
用途用于人行道和居民區(qū) 中等交通磨耗層重交通磨耗層常用聯(lián)結(jié)層和基層很少用廣泛用于基層
從表5中可以看出澳大利亞瀝青路面面層常用的重交通面層為14mm瀝青混凝土，其厚度35~45mm為公稱尺寸的2.5～3.2倍，其名稱為0/14，實(shí)際上集料大公稱尺寸為13.2mm，其比值也在2.7～3.4之間。
芬蘭瀝青規(guī)范連續(xù)級(jí)配熱拌瀝青混凝上（AC）共有6個(gè)類型，表面層：AC8、AC12；聯(lián)結(jié)層：AC16、AC20／ACB20、AC25／ACB25；下面層：AC20/ACB20、AC25／ACB25以及AC32/AC32/ACB32。
可以看出芬蘭表面層瀝青混合料AC8和AC12比我國(guó)明顯要細(xì)得多。
美國(guó)Superpave建議的混合料類型如表6。
表6
路面層位集料大公稱尺寸/mm
表面層 9.5~12.5
聯(lián)結(jié)層 19~37.5
底面層 25~37.5
根據(jù)1998年出版的Superpave施工指南的建議，作為經(jīng)驗(yàn)法則，瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度應(yīng)等于或大于集料大公稱尺寸的3倍，對(duì)于粗的混合料，這個(gè)比例還應(yīng)增加。
過去常用的瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則為2：1，層的厚度為集料大尺寸的2倍，過去所謂集料大尺寸是一個(gè)100％通過率的篩號(hào)。
現(xiàn)在新的Superpave，集料大公稱尺寸有明確定義，通常不可能100％通過這個(gè)尺寸，因此，過去19mm大尺寸就是現(xiàn)在的12.5mm公稱尺寸。因此，可以將過去2：1的大尺寸可用現(xiàn)在的3：1的大公積尺寸來(lái)替代。但由于我國(guó)級(jí)配尺寸增加了2個(gè)不規(guī)范的16mm和31.5尺寸，尤其是16mm尺寸，在使用上造成了極大的混亂。認(rèn)為16 mm的上一級(jí)19 mm為大尺寸，按19mm的2倍，4cm厚面層應(yīng)該說(shuō)是沒有問題的，但是按16cm集料大公稱尺寸的3倍來(lái)計(jì)算4cm是不夠的，問題就出在沒有大公稱尺寸的定義，而且級(jí)配尺寸不規(guī)范。如果我們看規(guī)范的尺寸，大公稱尺寸13.2mm的3倍為39.6mm與大尺寸和大尺寸19mm的2倍38mm是差不多的，大公稱尺寸25mm的3倍為75mm與大尺寸37.5mm的2倍也是一樣的，但是31.5mm的2倍就只有63mm。AC-25瀝青混合料過去一般人認(rèn)為6cm就夠了，這是錯(cuò)誤的，這是因?yàn)?6.5mm的上一檔應(yīng)該是37.5mm，所以結(jié)構(gòu)層厚度至少7.5cm才足夠。
3 結(jié)論與建議
我國(guó)高速公路瀝青路面早期損壞現(xiàn)象是普遍的，在某些地方甚至是很嚴(yán)重的。瀝青路面早期損壞的原因是多方面的，有材料原因，有施工原因，也有管理方面的原因。一般認(rèn)為施工引起的原因（如路面厚度不夠，壓實(shí)度不夠等）是主要的，因?yàn)榭偪梢哉业揭恍┦┕し矫娴脑?。為什么我們從材料、施工和管理各方面都十分認(rèn)真，嚴(yán)格按規(guī)范要求去做，路面還會(huì)發(fā)生損壞？美國(guó)在二十世紀(jì)80年代按規(guī)范修筑的路面也發(fā)生了許多早期損壞，如車轍、剝落等等，這就是美國(guó)為什么會(huì)開展美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃的原因他就是說(shuō)要從傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)規(guī)范向性能規(guī)范發(fā)展。我們應(yīng)認(rèn)真學(xué)習(xí)美國(guó)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，少走彎路。
3.1結(jié)論⑵⑶⑷⑸ ⑴瀝青路面早期破壞的原因很多，本文提到的瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度和混合料類型不匹配，只是其中的一個(gè)原因，但這是一個(gè)十分重要的原因，應(yīng)該引起足夠的重視。
⑵瀝青路面結(jié)構(gòu)層厚度與瀝青混合料類型應(yīng)相匹配，還常路面結(jié)構(gòu)層厚度應(yīng)是集料大公稱尺寸的3倍以上。
⑶我國(guó)的瀝青路面表面層多采用AC-16、AK-16或SMA16，與常用的4cm路面厚度不匹配，是我國(guó)瀝青路面產(chǎn)生早期破壞的重要原因之一。
⑷瀝青表面層的功能主要為抗磨耗，因此也稱為磨耗層，這一層同時(shí)要抗老化。因此可以選用優(yōu)質(zhì)瀝青和集料，作者的觀點(diǎn)是3cm厚度經(jīng)濟(jì)，3cm的面層只能選用集料大公稱尺寸9.5mm的混合料。
⑸國(guó)外瀝青路面表面層的混合料類型明顯比我國(guó)常用的混合料要細(xì)。
⑹世界瀝青路面技術(shù)日新月異，新材料、新結(jié)構(gòu)、新概念、不斷涌現(xiàn)，特別是美國(guó)公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃（SHRP）的研究成果-Sperpave技術(shù)更應(yīng)引起我們的重視，并認(rèn)真總結(jié)我們的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，將我國(guó)瀝青路面質(zhì)量提高到一個(gè)新水平。
3.2 建議
（1）建議立即對(duì)瀝青混合料級(jí)配，尤其是對(duì)16mm的各種混合料進(jìn)行深入研究。
（2）建議將車轍試驗(yàn)的試件厚度改成4cm，對(duì)16cm混合料進(jìn)行試驗(yàn)看看將會(huì)發(fā)生什情況