楊 勇，王志亮，羅有棟

（1.太原西北二環(huán)高速公路發(fā)展有限公司，山西 太原 030025；2.長安大學(xué)特殊地區(qū)教育部公路工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710061）

0 引言

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的高速健康發(fā)展，我國的高速公路網(wǎng)不斷完善，高速公路交通量增長和重載車輛劇增已成為必然，從而對路面結(jié)構(gòu)的要求越來越高［1］。由于我國高速公路建設(shè)初期經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱，資金匱乏，而半剛性基層具有整體強(qiáng)度高、造價低、材料易得等優(yōu)點(diǎn)而成為我國高等級公路采用最多的結(jié)構(gòu)形式［2-3］。但其在交通荷載和溫度荷載的重復(fù)作用下，路面普遍存在著反射裂縫，從而導(dǎo)致路面抗車轍能力不足和耐久性差，這樣就使得高速公路后期養(yǎng)護(hù)和維修費(fèi)用大幅度增加［4-5］。

針對半剛性基層瀝青路面的缺點(diǎn)，國內(nèi)采取了多種措施，但效果均不明顯［6-8］。因此對瀝青穩(wěn)定碎石這一種柔性材料的研究和應(yīng)用越來越重視［9］。瀝青穩(wěn)定碎石具有較高的強(qiáng)度和剛度、較好的水穩(wěn)性和高溫穩(wěn)定性，不易產(chǎn)生收縮開裂等優(yōu)點(diǎn)［10-11］，但作為柔性基層建設(shè)費(fèi)用比半剛性基層高。因此一種新的結(jié)構(gòu)組合形式是將半剛性基層與柔性基層結(jié)合，采用瀝青穩(wěn)定碎石這種柔性層作為高速公路下面層，而基層仍然采用水泥穩(wěn)定碎石作為半剛性基層，從而發(fā)揮兩者的優(yōu)點(diǎn)［12］。本文依托實(shí)體工程，將瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25和AC-25作為路面下面層時的性能進(jìn)行比較評價，探究了優(yōu)化路面結(jié)構(gòu)的合理性。

1 依托工程概況

本文依托工程建設(shè)里程全長約為94 km，作為山西省 “三縱十二橫十二環(huán)十五條連接線” 高速公路網(wǎng)規(guī)劃中的第七條連接線，它的建設(shè)能有效地緩減S313，S218，S252，S217和G209國省干線公路的通行壓力，起到較大的分流作用，交通等級屬于渠化特重交通與重交通，項(xiàng)目所在區(qū)域晝夜溫差較大，夏季短暫炎熱多雨，冬季漫長寒冷，從而對高速公路瀝青路面結(jié)構(gòu)和材料有更高的要求。

選擇合理的高速公路路面結(jié)構(gòu)方案，可以防止路面早期出現(xiàn)裂縫、車轍等病害，提升路面結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、路用性能，降低工程造價。圖1為原設(shè)計路面面層結(jié)構(gòu)圖。原設(shè)計路面面層結(jié)構(gòu)基本合理，下面層采用AC-25，路面結(jié)構(gòu)總體設(shè)計完全滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。但通過多方面分析后，將圖1路面結(jié)構(gòu)優(yōu)化為圖2的路面結(jié)構(gòu)。本文對由圖1優(yōu)化為圖2過程所考慮的幾方面因素進(jìn)行了以下分析。

圖1 原設(shè)計路面面層結(jié)構(gòu)

圖2 優(yōu)化設(shè)計后路面面層結(jié)構(gòu)

2 兩種可選混合料級配對比

表1，表2分別為下面層ATB-25和AC-25配合比設(shè)計級配范圍與合成級配。如表1，表2所示，相比于粗粒式瀝青混凝土AC-25，粗粒式瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25同樣具備骨架結(jié)構(gòu)，且粗粒式ATB-25細(xì)集料較少，粗骨料較多，因而有更好的高溫穩(wěn)定性，不易出現(xiàn)車轍、壅包和波浪等病害。ATB-25是密級配結(jié)構(gòu)，所以兼具有AC-25良好的低溫性能、水穩(wěn)性能和抗疲勞性能，在行車荷載作用下裂縫較少，冬季不易產(chǎn)生溫縮裂縫。整體上看，依托工程項(xiàng)目下面層采用ATB-25具有較好的骨架結(jié)構(gòu)，同時結(jié)合了密實(shí)原則，形成 “骨架-密實(shí)” 型結(jié)構(gòu)，能夠克服粗粒式瀝青混凝土AC-25由于油石比偏高、礦料級配偏細(xì)從而造成抗車轍能力較差的缺點(diǎn)。

表1 粗粒式ATB-25配合比設(shè)計級配范圍與礦料合成級配

表2 粗粒式AC-25配合比設(shè)計級配范圍與礦料合成級配

3 兩種混合料性能對比

3.1 水穩(wěn)定性

本研究采用瀝青混合料浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)評價ATB-25和AC-25的水穩(wěn)定性能。試驗(yàn)方法分別參照T 0709—2011和T 0729—2000［13］，試驗(yàn)結(jié)果分別見表3，表4。

表3 ATB-25和AC-25浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表4 ATB-25和AC-25凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

由表3，表4可以看出ATB-25和AC-25殘留穩(wěn)定度與凍融劈裂強(qiáng)度比均滿足規(guī)范要求。通過比較瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25、瀝青混凝土AC-25混合料的浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果，可以知道兩者試驗(yàn)數(shù)據(jù)相差不大，表明它們具有類似的抗水損害能力。

3.2 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性采用車轍試驗(yàn)進(jìn)行評價。參照T 0729—2000成型300 mm×300 mm×50 mm試件，模擬實(shí)際車輛對路面的碾壓作用。試驗(yàn)溫度為60℃，輪壓為0.7 MPa，采用動穩(wěn)定度評價瀝青混合料的抗車轍能力。表5為瀝青混合料ATB-25和AC-25高溫車轍試驗(yàn)結(jié)果。可以看出，作為骨架嵌擠結(jié)構(gòu)的瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25的動穩(wěn)定度比AC-25高62%左右，ATB-25比AC-25的高溫抗車轍能力好。

表5 ATB-25和AC-25車轍試驗(yàn)結(jié)果

4 兩種混合料動態(tài)壓縮模量對比

瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計指標(biāo)與模量的取值關(guān)系密切，其取值的合理與否是瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提與基礎(chǔ)，同時關(guān)系到路面的使用壽命和工程的造價。2017年頒布的《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》［14］采用動態(tài)模量替代舊規(guī)范中的抗壓回彈模量作為設(shè)計參數(shù)進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，這是因?yàn)閯討B(tài)模量能夠更合理地反映瀝青混合料的特性，更真實(shí)地反映路面的實(shí)際工作狀態(tài)。

ATB-25和AC-25壓縮動態(tài)模量參考已有文獻(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果如表6［15］所示。可以看出，在兩個溫度下，ATB-25在相同頻率下的動態(tài)壓縮模量均比AC-25大，說明ATB-25具有良好的力學(xué)性能，能有效地擴(kuò)散交通荷載，減少路面病害。

表6 ATB-25和AC-25在不同加載頻率下的動態(tài)壓縮模量

5 兩種混合料經(jīng)濟(jì)性對比

從工程造價角度分析，瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25油石比范圍約為3.4%～3.6%，比瀝青混凝土AC-25用油量少約0.3%～0.5%，結(jié)合材料、人工和機(jī)械等單價綜合計算，雖然采用的ATB-25的厚度比AC-25厚度要大1 cm，但預(yù)算仍比AC-25低，可以預(yù)計依托工程下面層采用ATB-25能降低路面造價，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

6 結(jié)論

1）設(shè)計的瀝青穩(wěn)定碎石ATB-25為骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，與AC-25相比，細(xì)集料較少，粗集料較多。同時，ATB混合料油石比較低，有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

2）ATB-25與AC-25抗水損害能力相當(dāng)，但ATB-25的高溫穩(wěn)定性能比AC-25的更好，有著較高的抗車轍能力，不容易出現(xiàn)車轍、壅包和波浪。

3）ATB-25的動態(tài)模量比AC-25的要大，有著更好的力學(xué)性能，能有效的擴(kuò)散應(yīng)力，減少病害。

4）本文依托實(shí)體工程高速公路對路面結(jié)構(gòu)下面層的優(yōu)化分析成果，對我國其他高速公路路面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有重要的參考價值。