高速公路沥青路面病害与施工工艺的关联控制--道路工程--工程技术--论文--路桥网

摘要讨论了当前沥青路面施工工艺存在的系统性技术缺陷，以及由此导致沥青路面产生的病害和成因,提出了改进工艺的措施与控制技术。
关健词沥青路面病害施工离析温差离析实际孔隙率
沥青路面被我国大多数干线公路所采用，特别是半刚性基层沥青路面更成为我国高等级公路的典型路面结构。随着经济的快速发展，交通量及其轴重越来越大，对沥青路面的结构要求和施工质量水平提出了更高的要求。
近年来我国的沥青路面结构设计和施工控制技术水平取得了长足的发展，但由于研究领域更多的局限于结构和材料范畴，对施工工艺的研究重视不够，仍停留在依靠经验和引进设备的阶段。根据多年来对施工过程和建成路段路况变化的观测，我们认为当前沥青路面便用质量频频出现问题，与施工工艺其控制技术是否科学合理的密切关系。本文针对施工过程中存在的这两方面工艺技术问题进行探讨。
1、沥青路面施工离析控制技术
沥青混合料离析的广义概念应该是沥青混合料性能的不均匀性变化,在施工中离析的表现是多种多样的,如集料粗细颗粒的离析、混合料温度不均匀导致的离析、混合料拌和不均匀产生的离析等等。我们经常称为的沥青混合料离析是指沥青混合料施工过程中粗细集料的不均匀分离变化。根据多年的跟踪调查，在运输过程中由表及里沥青混合料温度发生不均匀变化，直接摊铺后温度较低的料团不易压实，是路面发生早期破坏的重要因素之一。因此，研究温度差异导致的离析是很有意义的。
1．1沥青混合料集料离析控制
半刚性基层沥青路面是高速公路的典型路面结构，使用率达95%。其中，AC-16Ⅰ型沥青砼路面经常被作为上面层使用。一般认为，AC-16Ⅰ混合料不易离析，用肉眼观察表面集料分布，几乎看不出离析现象。近年来，我们对几条高速公路沥青面层的施工进行了抽查，宽幅摊铺AC-16Ⅰ型沥青混合料的离析情况相当严重，改变了我们的习惯看法，在10.5米摊铺机后尚未碾压的段落,分左、中、右3个位置对称取样，其抽提试验结果如表1
尚未碾压沥青混合料抽提试验表1
孔径(MM)191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075
规范范围10095~10075~9058~7842~6332~5022~3716~2811~217~154~8
左10090.4576.8255.9935.4432.312320.3512.667.385.59
中10097.7687.9981.3362.9734.2724.1621.3813.257.885.86
右10089.2977.1356.6637.1433.1323.5620.8512.957.595.83
平均10093.8182.4868.8349.6333.523.722113.037.685.79

从抽检结果我们可以得出以下结论：
（1）、左、中、右三点的综合平均通过率与未摊铺同批摊铺混合料的级配相符；
（2）、左、中、右三点≦2.36MM筛孔的通过率基本相同，证明≦2.36MM的集料未发生离析;
(3)、大于4.75MM以上筛孔的3点通过率差异较大，证明集料颗料的离析严重，左右两侧的粗集料通过率基本相同，说明离析对称发生；
（4）、粗集料向两侧分布，左右两侧大于4.75MM的粗骨料含量为64%，中间为36%，均超出规定的级配范围。即摊铺中心混合料明显偏粗，两侧偏细。
宽幅摊铺离析导致结果是严重的，他不仅影响了路面的使用性能，也促使了路面早期破坏，耐久性大打折扣。从现有调查结果看，其主要后果表现以下三个方面:：
（1）、由于离析，中部混合料偏细导致路面热稳定性严重下降。标准四车道高速公路一幅路面宽度为10.5米，施工摊铺中心位于行车道左轮迹处，行车道左轮迹车辙比右轮迹严重，行车结果恰恰相反。由此看，因为离析使中部的热稳定性下降较为严重。
（2）由于离析，中部混合料偏细导致路面中部抗滑能力明显比两侧弱。如高速公路行车道，经过一年运营后其磨擦系数和构造深度均比超车道要差得多，排除渠化交通因素外，行车道混合料偏细是主要因素，从表面纹理就可以直观看出这一点。
（3）由于离析，两侧混合料较粗空隙率较大，渗水现象严重。高速公路超车道路面渗水后缓慢向行车道渗透，因行车道左轮迹处混合料细而密实，导致该处水分聚集，易发生破坏。调查结果显示，行车道发生的路面损坏，一般占95%以上，其中行车道左轮上发生的破坏占85%以上。
事实上，大于7M的摊铺宽度对于中粗粒径的混合料来说，无法回避离析问题，解决问题的最基本方法就是不要宽幅摊铺。许多工业化国家对大于11MM粒径的混合料的摊铺宽度均有比较严格的限制。而我国高等级公路沥青层的粒径均大于此，摊铺宽度应严加控制。高速公路一幅路面宽度≥10.5M，采取并机梯形热接缝施工完全可以保证施工质量，这在国外是通行的做法。但由于我国的施工管理粗放，使接缝平整度处理不好。所以，近年来大部分建设单位几乎不加考虑的要求宽幅一次摊铺。针对这种需要，国外设备厂家特为中国市场开发了摊铺宽度达16M的摊铺机，对于诸如此类的宽幅摊铺机，在选择时必须谨慎，应考虑我国混合料集料的使用特性分析采用。
1.2沥青混合料温差离析控制
沥青混合料拌制完成后，从拌和厂向摊铺现场运输的过程中，空气与混合料之间的温差一般大于120℃。加上因速度形成的相对风速较高，会导致混合料温度在到达现场前有较大的下降。降温幅度由表及里逐渐减少，最严重的降温区发生在料堆表面和与轩厢的接触面。降温严重程度取决于运输时间、速度、气温、保温措施等因素。
接触面到内部核心区降温幅度在正常气温下平均可以达到15℃~45℃。接触面15CM深度范围内的平均降温幅度可达到45℃~65℃，使表面混合料的粘度明显增大。高温季节表面混合料形成“软”壳，低温季度形成“硬”壳。
在现场我们以观察到，混合料从运输车向摊铺机喂料斗卸料到刮料板输料的过程中，接触面表层料，特别是两侧车厢接触面的表层料，在每车料中最后被刮料板送到螺旋布料器，即每一车料降温幅度最大的表层“冷”料是集中被铺出的。这样的现象以每车料为单位周期性发生，在国际上被称为“温差离析”。当表面料降温幅度较大，在正常的碾压过程中压实度难以达到要求，在气温低、风速大的气候条件下施工，情况更为严重。在该处的压实度低、表面纹理粗、空隙率大，是路面发生松散、坑槽和渗水破坏的薄弱点。
近年来，我们对高等级公路半刚性基层沥青路面时期局部破坏情况进行长期的跟踪观测和调查，对早期破坏产生的看法从初期到现在有了很大的转变。原来，普遍认为半刚性基层成型不好或基层下存在“素土”层或局部层厚度不够等施工缺陷是破损发生的直接原因。但后来发现，这种分析的局限性很大，不能从本质给予合理解释，主要原因为：
（1）这些施工缺陷在局部破坏处出现的比例很低；
（2）我们把这些存在施工缺陷的路面假定为“柔软路面”，也不应该在累计轴载很小的情况下发生破坏；
（3）破坏很明显与水有直接的关系，都经历了渗水—唧浆—局部缺陷—松散—坑槽的过程，那么为什么在这些地方水下渗如此严重。经过对局部破坏形成过程的长期观测，我们发现破损位置的沥青表面纹理一般较粗，雨后表面湿润状况与周围路面不同，渗水明显，破损前有唧浆现象。取样分析表明，这些地方的沥青层密度低空隙率大，在摊铺时混合料已经结块，施工温度越低混合料结块发生的程度越严重，局部破坏产生的数量较大，温差离析是导致这一结果的直接原因。因此，我们认为半刚性基层沥青路面早期局部破坏发生的主要原因是温差离析。
这一现象在国际上引起高度重视。1996年华盛顿大学的一位研究生，用红外感温成像仪对混合料运输、摊铺、路面成型和路面破损，进行了全面跟踪检测，发现“温差离析”是沥青路面发生早期局部破损的一个重要原因。当时，这一结论没有引起运输当局的注意，后在州运输部的资助下，该研究生在更大范围内开展了调查，最终确认了“温差离析”的严重危害，在国际学术界引起了很大的反响。目前，日本、欧洲等国已全面开展了对这一现象的调查研究。德国已开发投入使用。对于我国的施工组织水平和混合料性质来说，采用这种工艺措施是必要的，特别是在春秋季节和赶进度施工中应用，可消除温差离析，提高平整度和压实度的均匀性，消除早期局部损坏。
2沥青路面碾压控制技术
2.1施工温差控制
在《公路沥青路面施工技术规范》（JTJ032—94）表7.2.4中，规定了沥青混合料的碾压温度，以保证在适当的温度下，沥青混合料能够压实到规定的密度。事实上，规范规定压实度的本质是保证沥青混合料的施工和易性，使其具有可压实性。
很明显，规范没有按沥青混合料的级配类型、碾压层厚、沥青性质和施工环境温度等因素分类制定，需要地施工过程中根据项目情况具体分析。但大部分项目上在这上点上没有实现。包括业主和监理。例如，有些高等级公路沥青路面各层使用的沥青标号不同，但要求的碾压温度却相同；有些3CM厚的抗滑表层因降温快，比4CM甚至5CM厚的中粒式AC层要难以压实；春、夏、秋三季的温度差异明显，但在这三季铺筑沥青路面的温度却执行相同的标准。
这些问题涉及到一个共同的技术关键——沥青的等粘温度。不同标号的沥青在粘度相同时的温度不同；不同级配类型的混合料施工和易性不同；不同季节，下承层温度和气温不同，会明显地影响混合料的散热速率。不同温度下或相同温度下沥青的粘度是影响压实难易程度的重要因素，因此，直接针对沥青粘度进行施工温度控制是最有效的途径。有些国家直接用沥青粘度对施工温度进行控制，如美国沥青协会2号手册（MS—2）指出，沥青混凝土的最佳拌和温度应是沥青粘度（运动粘度）1.7±0.2P相应的温度，沥青混凝土的最佳压实温度应是与沥青粘度2.8±0.3P相应的温度。我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTJ052—93表4.2.3对击实试验的温度也做了同样的规定。
当前，改性沥青被广泛应用，改性剂使沥青的针入度软化点均有提高，甚至沥青抗剥落剂的加入也会使常规摊铺温度下的混合粘度提高。空隙率大或层厚较薄的混合料见感温速度快，难以碾压的现象比比皆是。只有缩短碾压路段的长度或提高初压温度，才能保证充分压实。
SMA沥青混和料添加了纤维，使等粘温度大大提高，与此同时，马歇尔实验的各种温度必须相应提高，如某特大桥桥面铺装层使用了高粘度改性沥青SMA混和料，其马歇尔实验的击实温度由常规的110℃~130℃提高到170℃~180℃，出厂温度从140℃~165℃提高到180℃~210℃，摊铺温度由120℃~160℃提高到170℃~190℃，碾压终了温度由大于70℃提高到大于135℃。
因此，在实际施工当中，我们要根据施工气温、下承层温度、铺层厚度、级配类型、沥青性质等，用等粘度这一概念，监测推进控制温度，使沥青混合料有良好的施工和易性，保证得到充分的压实。
2.2压实机械的选型配置
沥青路面摊铺后的碾压过程一般分为初压、复压、终压3个阶段，在这三个阶段碾压设备有两种基本的配置类型：“钢轮+振动钢轮+钢轮”与“钢轮+胶轮+钢轮”。长期的工程实践表明，这两种配置方式的碾压效果良好。为了尽可能在高温下压实混合料、缩短碾压时间，减少热量损失，有些高速公路采用了胶轮+钢轮的设备组合，将三个阶段碾压缩成两人阶段“初压（复压）+终压”尽管因级配和厚度合适混合料没有推移，路面纵向平整度也能达到要求，但抽查发现，这种碾压方式使粗集料压碎率达到10%以上，远大于三个阶段法。几个工地的现场试验均证明“胶轮+钢轮”法使集料压碎率明显增大，这一结论是否具有普遍性，还需经时间证明，但这一结论却提醒我们必须注意，碾压设备的组合方式对施工质量有很很大的影响，在确定碾压方式时必须对此有充分的认识。
2．3压实交果的评价指标
设计规范和施工规范对沥青路面的级配类型、压实度及允许的空隙率均作了规定。在沥青混合级配设计中，马歇尔试件的空隙率必须在允许范围内，实质上，马歇尔试件的空隙率是作为压实度达到100%的空隙率。对于常规沥青路面压实度在96~100%之间变化时，压实度每降低1%，空隙率增加1~1.5%。那么用压实度一个指标来控制沥青路面的施工质量，会导致空隙率超出规定要求。我国交通行业公认，空隙率7%是沥青路面是否渗水的界限值。空隙率小于7%时，可以认为该铺层基本不渗水，空隙率介于7~15%之间时，认为该铺层会发生渗水并存留水分现象，水蒸发的速度远远慢于渗水速度，对路面的破坏作用很大。因此，对于AC型铺层来说，保持空隙率介于3~6%是至关重要的。
当AC层马歇尔击实试验的空隙率为5%，则施工压实度一般必须达到98%左右，才能使铺层空隙率小于7%，如果压实度按97%作为控制低限，要达到铺层空隙率小于7%，则马歇尔击实试件的空隙率一般应小于4%。在沥青质量不断提高和矿料级配范围不断改良的情况下，达到设计指标不是很难，很多有经验的技术人员在混合料设计中事实上把空隙率作为控制的关健指标来对待。
施工规范工程质量控制标准中，对铺层的压实度作了要求，但没有空隙率控制标准。因此，使不少建成路段的压实度虽然达到要求但空隙率超标，雨后钻孔发现路面渗水严重，半刚性基层表面被侵蚀，唧浆现象频频发生。因此，我们不仅要控制压实度不能小于规范低值，同时不能小于用马歇尔试件空隙率设计的压实度标准，并把路面实际空隙率指标列入施工验收标准。
3结论
以上分析计论的技术问题在现实当中普遍存在，特别是压实度指标采用不当和施工离析致不良后果还相当普遍和严重，应引起人们的高度重视，在解决问题中，应注意以下原则：
1、对于中、粗料混合料应严格限制摊铺宽度，避免集料离析，
2、温差离析是导致沥青路面早期局部破坏的重要原因，特别是对于低温下施工的路面，除了采取运输保温措施外，摊铺前工地二次拌和工艺是消除温差离析的必要措施。
3、应以等粘温度与摊铺温度相符作为基本标准，应考虑沥青性质、混合料类型和施工环境温度，确定碾压温度。
4、碾压机械选配不仅要考虑压实度指标，还要考虑对路面内在的质量影响。
5、路面实际空隙率依赖于压实度和设计空隙率，应在不低于规范压实度的前提下，设计计算工地压实度指标标准，保证实际空隙率处于允许范围之内。
参考文献
1、中华人民共和国行业标准，公路沥青路面施工技术规范（JTJ032-94）北京：人民交通出版社
2、李小明关于沥青路面施工质量控制的几个问题的分析。陕西路桥，1992（2）。