2023-05-25
 
倒装结构在四川省高速公路工程中的应用
2023年05月25日   阅读量:126155

摘 要

采用沥青稳定碎石排水基层(ATTPB)和级配碎石做沥青面层和半刚性基层之间的过渡层,形成倒装路面结构,分别在四川省高速公路工程中应用,较为实际地分析了倒装结构在抗沥青路面反射裂缝中的作用。结果表明,相对对比路段,两种倒装结构沥青路面抗反射裂缝性能显著,级配碎石的倒装结构在中、轻交通的道路上采用较好,ATPB倒装结构更适用于交通量较大的路面。


关键词 道路工程 | 倒装结构 | 抗反射裂缝 | ATPB | 级配碎石


半刚性基层沥青路面承载力高,相对柔性路面造价低,在我国高速公路沥青路面结构设计中得到广泛应用沥青网sinoasphalt.com。在半刚性基层沥青路面长期应用实践中发现,半刚性基层沥青路面具有易开裂的显著缺陷,其裂缝主要分为两种情况,一方面是在温度和荷载耦合作用下引起的沥青面层开裂另一方面是半刚性基层开裂后引起的反射开裂相关研究表明,很多地区半刚性基层反射开裂占裂缝比重的50%以上[1],近年来,寻求半刚性基层沥青路面抗反射开裂的有效手段成为国内外道路研究人员的研究热点,比如优化半刚性基层材料组成[2,3]、设置应力吸收层[4,5]采用大粒径透水沥青混合料层(LSPM)[6,7]等等,虽然得到了积极效果,但是没有显著避免反射裂缝的发生。研究表明,在沥青面层与半刚性基层之间设置一层模量低于半刚性材料及沥青面层材料的材料,如采用开级配的沥青稳定碎石排水基层(ATPB) 或级配碎石层(即倒装结构),倒装结构的大孔隙能阻断裂缝向上发展的路径,有效减少和延缓反射裂缝的发生,是解决半刚性基层沥青路面反射开裂有效且经济的技术途径之一[8]。目前,倒装沥青路面结构的研究主要以力学计算和力学行为监测分析为主,给出了倒装路面结构在沥青路面抗反射开裂上的力学优势[9,10]。为了较为实际地分析倒装结构半刚性基层沥青路面在四川省交通荷载和自然环境下的抗反射开裂能力,本研究依托四川省遂(遂宁)渝(重庆)高速公路和南(南充)渝《重庆)高速公路建设,分别分析了采用ATPB层和级配碎石层两种形式的倒装结构对半刚性基层沥青路面抗反射开裂应用效果。


1、ATPB倒装结构的应用研究


1.1 ATPB混合料设计


ATPB沥青混合料的沥青采用SBS改性沥青,基本性质如表1所示。碎石采用四川涪江卵石轧制碎石。

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采用两个ATPB级配进行比对试验,两个级配及级配范围如表2所示。


对级配一和级配二分别采用马歇尔试验确定最佳油石比,最终确定级配一的最佳油石比为2.8%,级配二最佳油石比为2.9%。对最佳油石比下混合料的性能进行了测试,试验结果如表3所示。

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从表3可以看出相对级配一ATPB混合料级配二混合料的空隙率降低明显,渗水系数显著降低,劈裂强度和抗压回弹模量提高,力学性能更优异,动稳定度较高,分别采用级配一和级配二ATPB沥青混合料进行倒装结构沥青路面铺筑。


1.2 ATPB倒装结构的工程应用


2007年9月,在四川遂渝高速公路项目中采用上述材料配比将ATPB混合料层设置在沥青面层和半刚性基层之间,形成了倒装沥青路面结构,来提高半刚性基层沥青路面抗反射裂缝能力。遂渝高速原路面主线结构和ATPB倒装路面结构如图1所示。其中ATPB层分别采用级配一和级配二铺设各1km。

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ATPB层施工与传统AC热拌沥青混合料有所不同,通过遂渝高速施工,对二者的不同总结成以下几点:①ATPB 混合料由于粗集料相对较多,在间歇式拌和楼的干燥简容易过热,导致沥青老化严重,且出料温度过高容易引起沥青的析漏。因此与AC混合料相比较,相同的产量情况下拌和楼油门应该要小些;②由于ATPB集料相对很少,因此与AC相比较,拌和时间要相对短些,湿拌时间可缩减2s左右;③由于ATPB粗集料颗粒较大,沥青膜很厚使得热量保持得较久,因此碾压时候不能在较高的温度进行;④级配一最后确定用11钢轮静压5遍(以没有明显轮迹为止)。级配二在钢轮静压1.5遍后以低频高幅的震动方式碾压2.5遍,最后静压收压最后均达到了合适的现场空隙率。摊铺的ATPB沥青混合料如图2所示,碾压完毕的ATPB层如图3所示,可以看到碾压完毕后沥青路面表面均匀、平整。

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1.3 ATPB倒装结构的应用效果


遂渝高速于2007年建成通车,在2017年成安渝高速公路建成通车之前一直是成都到重庆路径最短的高速公路,承受了极大的交通荷载,属于特重交通。2017年成安渝高速公路建成后对遂渝高速公路形成分流,交通等级为重交通等级。在遂渝路通车3a后,2010年9月采用自动弯沉仪和车辙检测采用亚普勒斯(APRES)激光车辙仪对试验段的弯沉情况和车辙情况进行检测,检测结果见表4。


从表4中的检测数据可以看出,采用ATPB倒装结构路段的车辙代表值和弯沉代表值均大于对比路段,表明采用ATPB后,路面相对车辙代表值大8.2%~46.9%,弯沉代表值高6.0%~20.0%,路面更容易出现车辙和承载力不足的问题,但是从具体数值上看,ATPB 倒装结构的车辙病害并不严重,承载力满足要求,相对来说采用级配二ATPB倒装结构沥青路面的车辙和弯沉较小,更接近对比路段的水平。从开裂情况观察可以明显看出,ATPB倒装沥青路面结构具有显著的抗反射开裂效果,具体如图 4和图5所示因此,综合来说,采用级配二ATPB倒装沥青路面结构综合性能最优。

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2、级配碎石倒装结构的应用研究


2.1 级配碎石配比设计


级配碎石采用卵石轧制的碎石,其碎石集料级配满足表5的要求,选定级配的CBR值为216。

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2.2 级配碎石倒装结构的工程应用


2009 年采用上述设计的级配碎石在四川南渝高速公路工程项目中铺筑了将级配碎石层设置在沥青面层和水泥稳定碎石层之间的倒装沥青路面结构。南渝高速试验对比段的路面结构和级配碎石倒装路面结构如图6所示。

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完工后的级配碎石外观如图7所示。级配碎石倒装结构路段检测弯沉超车道代表弯沉值为99.47(0.01 mm),主车道检测的代表弯沉值为105.41(0.01mm),沥青面层铺筑后弯沉值为超车道检测的代表弯沉值为15.19 (001mm)主车道检测的代表弯沉值为16.14 (0.1 mm)均达到预期。对比段半刚性沥青面层的超车道检测的代表弯沉值为8.19 (0.01 mm),主车道为9.15(0.01mm)由于试验段采用了级配碎石基层,因此完工后的代表弯沉值大于半刚性基层路段,这主要是因为研究表明,级配碎石在压实度达到100%的情况下,级配碎石的回弹模量通常仅为350~450MPa[11],而水泥稳定碎石养生7d的回弹模量即可达到约2000 MPa[12],级配碎石倒装结构在荷载作用下更容易产生变形,因此弯沉较大。

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2.3 级配碎石倒装结构的应用效果


南渝路于2009年通车,在2020年第一次进行预防性养护,加铺了1cm微表处,在加铺之前课题组对试验段进行了全面检测,车辙深度和路面弯沉均处于良好状态,检测结果见表7。并通过人工步行的方式进行路面破损调查。通过检测及调查分析,该试验路无任何可见的路面病害。而对比段则产生了大量的横向裂缝,平均32m一道。


从表7可以看出,虽然刚完工后级配碎石倒装结构路段的弯沉较大,但是经过11a的运营,级配碎石倒装路面结构的弯沉与对比路段路面结构的弯沉接近,车辙较轻微,在规范允许范围内。相对对比路段,级配碎石倒装路面结构的抗反射裂缝效果十分优异。

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综上所述,两种不同类型的倒装结构都取得了很好的抗反射裂缝的效果。相比较而言,采用级配碎石的倒装结构在采用级配碎石层后,沥青面层层底拉应力加大。如采用增加沥青层厚来减小层底拉应力则会显著增加造价,因此建议这种倒装结构在中、轻交通的道路上采用较佳。而采用ATPB的倒装结构,可应用于交通量较大的路面结构中使用。


3、结论

通过四川南渝及遂渝高速公路的倒装路面结构的设计、现场施工以及对使用性能的长期观测。可得出如下结论:

(1)通过与对比路段比较,ATPB倒装结构和级配碎石倒装路面结构均能起到减少和延缓半刚性结构层反射裂缝的作用。

(2)从遂路ATPB试验段的情况来看,无论是第一级配还是第二级配,在路用性能上都取得了良好的效果。

(3)级配碎石倒装结构的初始弯沉大,随着运营时间增长,级配碎石倒装结构的弯沉逐渐减小,到运营11m后,级配碎石倒装结构的弯沉与对比路段十分接近。

(4)级配碎石的倒装结构沥青面层层底拉应力加大,建议在中、轻交通的道路上采用较佳。ATPB倒装结构,可应用于交通量较大的路面结构。

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