惠深高速公路改扩建路面方案设计研讨

惠深高速公路改扩建路面方案设计研讨
饶纪锋1，王潇潇2
（广东省冶金建筑设计研究院，广东广州 510080）
摘要：本文结合惠深高速公路改扩建设计实践，对目前高速公路旧路改扩建中的常用的反射裂缝防治措施设计进行了比较全面的分析比较论述，并对加铺路面各结构层的择优采用进行了深入的比选，代表了当前广东省内高速公路“白加黑”改造的典型设计。
关键词：改扩建；路面结构组合设计；反射裂缝；加铺。
1、概述
惠深高速公路改扩建，由双向四车道改扩建为六（八）车道。其路面结构设计是改造的关键内容。设计要解决不同路段旧水泥混凝土路面改扩建中原有路面的利用技术、旧路损坏部分的处治技术、新铺路面结构类型及优化研究、新旧路面衔接技术和施工工艺问题，提出惠深高速公路拓宽时，新老路基路面拼接设计方法及防不均匀沉降技术、新铺路面类型选择及厚度验算、新铺路面防反射裂缝技术及处治技术及旧路材料再生利用方案等。本文主要从路面结构组合设计方面进行研讨。
2、反射裂缝防治措施
防治反射裂缝的措施主要有如下几种：增加沥青加铺层的厚度，采用土工合成材料夹层，设置应力位变吸收薄膜夹层，断裂稳固旧混凝土板，铺设大粒径沥青混合料和级配碎石裂缝缓解层，以及在沥青混合料中掺入纤维等阻裂材料，对半刚性层进行预切缝并加铺土工织物处理，对旧水泥混凝土路面板进行灌浆处理等。
增加沥青加铺层厚度。这种方法在早期沥青加铺工程中应用较多。增加厚度可以明显增加路面整体弯曲刚度，减少加铺层交通荷载和温度荷载在接裂缝处所产生应力。增加加铺层厚度相对延长了反射裂缝的路径长度，从而延长了反射裂缝的反射时间，增加了路面疲劳寿命。但增加厚度到一定程度后所产生的效果不明显且不经济，所以通常不采用这种方式。
采用土工合成材料夹层。近10多年来，在我国许多省市的公路与城市道路水泥混凝土路面沥青加铺改造中也大面积使用了土工合成材料来防止加铺层的反射裂缝。由于各地旧混凝土道路状况、交通组成及施工状况等条件的差异，土工合成材料在各路段防止加铺层反射裂缝的效果也不尽相同。玻纤格栅没有防水功能，其网格能与沥青混合料形成嵌挤作用，但使用中难以固定，易于膨胀且不伏贴，影响沥青混合料的正常摊铺和其加筋作用。鉴于土工布、土工格栅在防水性能、上层沥青混合料高温施工时可能出现颈缩、施工工艺要求较高、与上层沥青混合料下承层旧水泥混凝土板之间粘结效果差等难以克服的缺陷，不建议在惠深高速加铺结构中使用。
设置应力/应变吸收薄膜夹层(SAMI)。常用的SAMI夹层材料有橡胶沥青薄膜、道路专用烧毛土工布等。橡胶应力吸收层目前在江苏省盐通高速公路、宁常高速公路、宁杭二期高速中进行了大规模的应用。但是，对SAMI使用的工程实践结果表明，在接缝或裂缝的竖向相对位移<0.lmm的混凝土路面上，SAMI较为有效。根据试验结果，此加铺方案只能用于接缝竖向相对位移量<0.06mm的路段上，SAMI主要用于解决下承层的水平位移导致的高应力，阻止下层裂缝尖端延伸至罩面层。
水泥混凝土路面沥青加铺层防止反射裂缝走沥青混合料本身防裂的道路是解决反射裂缝问题的新思路。近几年来国内外也开始了这方面的研究和应用。富沥青混合料FAC(Full Asphalt Content AC)就是以抵抗反射裂缝的疲劳特性为主而进行沥青混合料的组成设计，其试验路也获得了很好的效果。STRATA应力吸收层是美国KOCH沥青材料公司研发的专门用于解决反射裂缝问题的沥青混合料，广西桂柳高速公路和汉(武汉)－宜(宜昌)高速公路等几条城市道路和高速公路采用过，跟踪观测表明，效果均十分良好。另外，还有采用改进的AC-10沥青混合料——控制车辙试验动稳定度(50℃)≥2500次/mm、小梁弯曲试验最大破坏应变≥3500微应变、空隙率0~4%、油石比7~8%等技术要求作为应力吸收层的试验尝试。
但是，STRATA应力吸收层也存在以下主要缺点：STRATA由于在高温情况下较软，其抗车辙能力会相对较差，鉴于惠深高速地处广东，对路面高温稳定性的要求较高，故不建议使用；另外，STRATA应力吸收层需经严格的配合比设计、试铺，从施工总工期角度来讲，较其他方法为长。
聚酯玻纤布是一种新型玻纤复合防裂材料。聚酯玻纤布是我国近年来开始采用的裂缝防止措施，沪宁高速扩建工程部分路段采用聚酯玻纤布进行了裂缝防治，聚酯玻纤布与其它土工织物相比，具有如下特点：①延伸率低，没有长期蠕变性。②相容性和高温稳定性较好。③化学稳定性好。④聚酯玻纤布与热沥青粘层油形成防水层，即使面层出现裂缝，也能有效防止表面水下渗，保证基层材料免于水损坏；⑤可以粉碎和再生使用。
根据以上国内外防止反射裂缝措施分析及惠深高速公路旧路面实际情况，推荐加铺结构防止反射裂缝措施可采取铺设聚酯玻纤布(或聚酯布)。
3、加铺面层结构类型选择
根据改扩建路面结构设计原则，结合惠深高速公路所处的自然地理位置、交通组成和气候状况以及国内外的调研结果，以下将对加铺和拓宽面层结构进行选择。
[1]上面层结构方案
表面层沥青混凝土可分为两大类四种：一类是密实式沥青混凝土，另一类是多孔隙沥青混凝土(粗集料断级配)。密实式沥青混凝土可分为三种，一种是传统连续级配沥青混凝土，第二种是粗集料断级配AC，第三种是细集料断级配沥青混凝土。我国沥青路面表面层应用过的有AC、AK、SAC(多碎石沥青混合料)、SUPERPAVE、OGFC(开级配磨耗层)和SMA等结构。
AK沥青混合料为悬浮或嵌挤半空隙结构，有相当多的粗集料、也有较好的石料嵌挤作用，但使用的沥青较少，空隙率较大，沥青与集料粘结性不足，集料之间容易充满水分，并由于水分对混合料的侵蚀作用使沥青与集料分离，容易产生剥落，很容易在雨季大面积破坏，且以往的实际工程应用情况表明其低温抗裂性能、抗疲劳能力较差。
SAC是4.75mm(方孔筛)以上碎石含量占主要部分的密级配沥青混凝土。主要是为了解决高速公路沥青表面层的抗滑性能，特别是满足一定构造深度要求，且透水性小这一技术难题。但从实体修筑SAC的使用效果看，施工过程中容易产生离析，实际修筑的路面水稳性、低温抗裂性、抗疲劳能力较差。
考虑到惠深高速公路地处南方湿热，且大部分属于旧水泥混凝土路面上的沥青加铺层。因此，拟采用的上面层为SMA和AC方案。
① SMA-13改性沥青上面层
SMA是由沥青、矿粉、纤维及少量细集料组成的沥青玛蹄脂填充间断级配的粗集料碎石骨架。SMA混合料的空隙率很小，几乎不透水，混合料受水的影响很小，再加上玛蹄脂与集料的粘结力好，混合料的水稳性也有较大改善，也有良好的耐久性。施工质量控制比较好时SMA基本上是不透水，对下面沥青层和基层有较强保护作用和隔水作用，确保其强度和稳定性。
为了减少和延缓反射裂缝的产生，要求加铺层沥青混凝土本身具有较高的低温抗变形能力和抗拉抗剪性能，同时又不能过分地降低沥青混合料高温稳定性，改性沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)是最佳选择。
由于以上种种因素的共同作用，SMA结构能全面提高沥青混合料和沥青路面的使用性能，减少维修养护费用，延长使用寿命。
② AC-13C改性沥青表面层
在惠深高速公路改扩建路面结构面层类型选择时也可考虑采用改性沥青AC结构层。从目前的研究成果和使用性能来看，AC结构层其强度、稳定性(高温稳定性、水稳定性)、耐久性等方面相对于SMA而言较差。但AC-13C使用比较广泛，施工技术成熟，在进行选择时考虑材料组成特点，进行优化设计，在施工过程中加强质量控制与管理，也可以满足沥青路面路用性能的要求。
③ SUPERPAVE高性能沥青混合料
高性能沥青路面技术(Superpave)是美国公路战略研究计划(SHRP)的沥青课题研究成果，采用Superpave配合比设计方法，可以设计出高性能、耐久的沥青混凝土路面。目前我国高速公路的工程实践中下面层通常采用Sup-25沥青混合料，上面层通常采用Sup-16沥青混合料，但目前该技术在我国的整体应用规模和水平尚处于起步阶段，且该路面结构在广东省应用不多，积累的经验较少。
④ 表面层材料推荐：SMA-13改性沥青混凝土
虽然SMA的初期建设费用较高，但SMA具有较长的使用寿命。因此，如考虑到使用年限、维修费用以及由于维修造成的行车不便并折算成使用费用，合并一起折算成平均“年成本”时，SMA比传统的AC更为经济。在高温、重载和大交通量的环境下，SMA的效益更高。
在充分调研了国内外高速公路沥青面层的使用效果的基础上，并考虑广东在SMA沥青路面结构层方面的施工经验和使用经验，同时结合惠深高速公路的自然地理条件、旧路状况、地基状况、交通量的增长趋势、沿线经济的飞速发展、施工状况等，推荐采用SMA-13的方案。
[2]中面层结构方案
在惠深高速扩建部分的沥青路面结构属于新建沥青路面结构。不管是旧路加铺还是新建路面结构的中面层，都面临着高温抗车辙问题，因为根据路面结构温度状况分析，沥青路面最高温度处于表面层以下2cm左右，所以中面层必须是高温稳定性好的结构层。
根据目前国内外的高速公路沥青路面工程使用经验，并综合考虑惠深高速公路的实际情况，中面层可以采用SMA-20、AC-20C、GAC-20改进型等。
① SMA-20改性沥青中面层
对于加铺层的中面层需要有较好的密水功能、良好的抗疲劳能力和抗车辙能力，但目前这类材料使用不多。
② AC-20C改性沥青中面层
AC-20C型改性沥青沥青混凝土具有较小的空隙率和透水性，具有良好的密水性和耐久性。AC-20C型沥青混合料由于其优越性突出，因此在国内高速公路中得到广泛应用，特别是在南方地区，其设计与施工技术成熟。
③ 中面层材料推荐：GAC-20改性沥青＋抗车辙剂
综合国内外调研结果和惠深高速公路的实际情况，优先采用改性沥青AC-20作为中面层，并推荐采用广东省境内常用的GAC-20级配类型，在使用改性沥青中的同时再添加抗车辙剂，大大改善路面结构的抗车辙能力，提高加铺和扩建路面结构的高温使用性能。
[3]调平层结构方案
国内外研究表明，沥青加铺层抵抗反射裂缝的能力为lcm/年左右，而目前我国在加铺层设计时一般采用较薄的沥青面层(5～10cm)，满足不了设计使用年限的要求。因此，从抵抗反射裂缝的角度出发，也必须设置一定厚度的调平层。
目前，在旧水泥混凝土路面上设计调平层的类型主要有沥青混凝土调平层、沥青碎石调平层、水泥稳定碎石调平层、级配碎石调平层等几类。
① 沥青混凝土(AC)调平层
具有密水性和抗疲劳性能好的优点。采用AC-10的整平层，具有其密水性好，并且为防水土工布铺设提供了较好的施工平台，使土工布铺设平整创造了条件，使土工布在以防水为主要功能的前提下，起到了延缓反射裂缝的控制效应。采用AC适用于调平层厚度在小于8cm的情况。
② 沥青碎石(AM)调平层
沥青碎石用沥青材料作为胶结料，增强了矿料间的粘接力，提高了混合料的强度和稳定性，沥青碎石比级配碎石的强度高、刚度比水泥稳定碎石小，作调平层优于级配碎石和水泥稳定碎石的结构。。适用于调平厚度小于10cm的情况。
③ 大粒径沥青碎石(ATB)调平层
ATB-30密集配沥青碎石采用粗型骨料，形成骨架密实型的沥青混合料，具有密水性和抗疲劳性能较好的优点。设置在沥青中面层与旧水泥混凝土路面板或半刚性结构层之间，可以延缓旧水泥混凝土接裂缝或半刚性结构层温干缩对沥青面层反射扩展的影响。近些年应用研究比较多，使用也逐渐广泛起来。从使用情况来看，近些年应用在厚沥青路面结构和旧路改造项目比较多，使用效果较好。适用于调平厚度10~15cm的情况。
④ 水泥稳定碎石(CGA、CGS)调平层
水泥稳定碎石具有良好的整体性、足够的力学特性、抗水性和耐冻性。其初期强度较高，且随龄期增长而增长，应用范围很广。其收缩裂缝在荷载与温度作用下会向上反射裂缝，在南方潮湿多雨的条件下，易产生水损害。另外，由于水泥稳定碎石的刚度大，变形能力小，对于延缓旧水泥砼板的接缝反射是不利的。适用于调平厚度大于15cm的情况。
通过以上综合分析并结合工程实际情况，推荐采用ATB-30作为惠深高速公路改扩建工程的调平层。
4、结语：旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土层这种复合结构涉及刚性、柔性两种路面结构形式，不仅材料差异大，而且旧水泥路面板上存在接缝和裂缝、错台、脱空等损害现象，如果处理不当，在水泥路面板的接缝、裂缝处就容易产生反射裂缝，这也是该结构致命的弱点。反射裂缝的存在将导致加铺层寿命缩短，因此如何控制反射裂缝的产生与发展也是一大技术难题，至今并没有得到完全解决，在高速公路的改扩建设计中也不断的总结使用经验。加铺层的结构组合需要结合项目的具体情况进行个性化设计，需要在使用性能、工程造价、材料创新利用方面找到平衡点，既要考虑成功经验，又要勇于谨慎突破常规。
参考文献：
[1] 广东省交通厅主编，广东省公路路面典型结构应用技术指南(试用)，广州：2008年.
[2].沈金安，沥青及沥青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.
[3]中华人民共和国交通部《公路水泥混凝土路面设计规范》（JTGD 40-2002）北京:人民交通出版社.
[4] 车卓君,等.广佛高速公路路况调查及路面处治设计[J].公路,2002(9).