河西特殊氣候環境條件下公路瀝青混凝土面層設計實踐

杜曉萍 高宏剛 顏魯春 王永寧

（1甘肅柳敦高速公路項目管理有限公司，甘肅 敦煌 736200；2甘肅恒路交通勘察設計院有限公司，甘肅 蘭州 730030；3甘肅省高等級公路養護工程研究中心，甘肅 蘭州 730030）

0 引言

瀝青路面在長期服役過程中容易受自然環境和車輛荷載作用而發生病害，尤其在極旱高溫條件下，對瀝青路面結構設計更是提出了較高要求[1-3]。柳敦二級公路位于敦煌市戈壁灘域內，該區域氣候干燥，降雨量少，年晝夜溫差及日晝夜溫差大，嚴峻的氣候環境導致瀝青路面出現嚴重的泛油、車轍、擁包、裂縫等路面病害。

近年來，國內外學者對極端氣候條件下的瀝青路面性能進行了大量研究。馮濤等[4]結合工程實際對瀝青路面進行了研究，發現瀝青路面開裂的主要原因是極端氣候環境條件的影響。杜鍍等[5]通過建立極端氣候環境條件下的路面溫度模型，發現當瀝青路面溫度超過60℃時，瀝青路面容易發生車轍等路面病害。田明等[6-7]通過實體工程探討了瀝青路面高溫穩定性能的防治措施。但是，針對甘肅河西地區典型氣候環境條件下的瀝青路面結構設計尚鮮有研究。為此，本文結合柳敦二級公路實體工程，在其維修改造過程中，針對瀝青面層結構及瀝青混合料設計進行了論證與設計，以期為河西特殊氣候環境條件下瀝青路面的結構設計提供數據支撐。

1 瀝青面層結構組合設計原則

在瀝青面層結構組合設計中，較統一的理念是中下面層主要承受瀝青路面的豎向剪力，即提供瀝青路面的抗車轍能力，而上面層除提供行車舒適性外，還須兼顧防水抗滑的功能。針對柳敦二級公路維修改造工程實際，除采用上述理念外，還須照顧當地氣候特點、原有二級公路病害成因、交通狀況等。

原有二級公路高溫性能表現不佳，且位于夏季高溫區；同時，雖然預期交通量達不到重載交通量，但時有大噸位貨運車輛行駛。因此，柳敦公路新建路面下面層應著重考慮高溫性能表現優越的材料組合，結合當地成功經驗，下面層選用5cm厚AM-16型瀝青混合料，這種間斷級配的瀝青混合料可充分發揮骨料之間的嵌擠力，提供充足的抗車轍能力，同時，雖然空隙率較大，但當地少雨，可消除空隙率較大的不利影響。而上面層選用4cm厚AC-13C型瀝青混合料，可保證行車舒適性，且AC-13型較大的油石比也可為瀝青面層的耐久性提供保證。

2 瀝青混合料級配設計

根據項目區氣候特點及實際交通組成，在考慮高溫性能時，除通過合理瀝青面層結構組合設計外，還須進行混合料礦料級配設計?；旌狭系V料級配對混合料體積指標和性能影響較大，所選擇的混合料礦料級配應能有效提高動穩定度和降低空隙率。同時，考慮到混合料的壓實及現場鋪筑的和易性，粗細集料的比例須合理設計?；旌狭霞壟湓O計常用方法是圖解法，控制關鍵篩孔的通過率，根據實際原材料狀況進行調整。礦料中的粗集料部分是影響瀝青混合料壓實和離析的主要原因，集料的最大粒徑與路面厚度比例應根據規范規定，中下面層的集料最大粒徑不宜超過層厚的2/3。粗集料的適量增加能有效提高動穩定度，使顆粒與顆粒之間互相嵌擠；而細集料和填料對瀝青混合料的體積指標相當敏感，把粗集料顆粒間的空隙充分填充，這樣成型的瀝青路面才會有較小的空隙率，減少水損害發生。

具體在瀝青混合料級配設計時，AM-16應盡量靠近級配中值設計級配曲線，尤其是細集料不應過粗，應保證一定的油石比，為瀝青混合料提供一定的耐久性。經設計，AM-16各篩孔通過率及油石比見表1。而在AC-13C設計時，應有效選擇與控制4.75mm，2.36mm，0.075mm三個關鍵篩孔的通過率，在嚴格避免“駝峰”曲線的同時，4.75mm及以下篩孔通過率要接近偏中值以下，特別是2.36mm的通過率應盡可能小，這可避免混合料由于膠粉比的波動損害高溫穩定性。經設計，Ac-13C各篩孔通過率及油石比見表2。

表1 AM-16篩孔通過率及油石比

表2 AC-13C篩孔通過率及油石比

項目上、下面層均采用70號基質瀝青。

3 AM-16瀝青混合料試驗分析

3.1 室內試驗

按規范中推薦的AM型瀝青混合料采用雙面各50次的擊實標準制備試件，馬歇爾指標見表3。

表3 AM-16混合料指標

3.2 試驗路驗證調整

根據試驗路鋪筑效果，AM-16級配較為合適，但時值7月高溫，在鋪筑過程中下面層出現些許泛油現象，尤其在中午最高溫時，鋪筑后的路面泛油現象明顯。鑒于此，為了進一步保證高溫性能，將油石比在設計基礎上下調0.1%，避免了鋪筑過程及鋪筑后的泛油現象。油石比調整后的AM-16混合料指標見表4。

表4 經試驗路調整后的AM-16混合料指標

3.3 調整前后分析

通過試驗路調整，AM-16型混合料在降低油石比后所有指標均符合規范要求。其中，空隙率增大，瀝青飽和度降低；穩定度提高，流值降低。值得注意的是，調整前瀝青飽和度為54.7%，而調整后瀝青飽和度為52.5%，前者更靠近中值55%，而后者有所減小而趨近50%。因此可推定，在敦煌地區，AM-16型瀝青混合料設計時飽和度應小于55%，且盡量偏中值向下，才能減緩攤鋪中泛油現象的發生。

4 AC-13C瀝青混合料試驗分析

規范中推薦二級公路AC型瀝青混合料馬歇爾試驗采用雙面擊實各50次的擊實標準。由于敦煌地區夏季高溫，因此在進行AC-13C型瀝青混合料設計時，從嚴比對雙面擊實各75次時各項指標的變化。

4.1 雙面擊實各50次的試驗

雙面擊實各50次成型馬歇爾試件，各指標見表5。

表5 雙面擊實各50次時馬歇爾試件指標

4.2 雙面擊實各75次的試驗

雙面擊實各75次成型馬歇爾試件，各指標見表6。

表6 雙面擊實各75次時馬歇爾試件指標

4.3 試驗路驗證調整

根據試驗路鋪筑效果，AC-13C級配較為合適，但在7月高溫下，在鋪筑過程中面層出現較嚴重的泛油現象，在中午最高溫時，鋪筑后第二天的上面層表面實測溫度可達70℃，嚴峻的高溫造成上面層泛油現象嚴重。鑒于此，為了避免泛油及高溫車轍現象的發生，將油石比在設計基礎上下調0.3%。調整后，鋪筑過程及鋪筑后的再無泛油現象。油石比調整后在雙面擊實各75次時的AC-13C混合料指標見表7。

表7 試驗路調整后雙面擊實各75次時馬歇爾試件指標

4.4 調整前后分析

比較5.0%油石比下不同擊實次數的指標及經試驗路調整后在4.7%油石比下雙面各75次擊實后的指標發現，數據均符合規范要求。在5.0%油石比下，雙面各擊實75次的指標相比雙面各擊實50次，瀝青飽和度有所上升，達到69.9%，說明瀝青混合料進一步密實，相同油量下飽和度指標增大。而經過試驗路試鋪后，在進一步降低油石比至4.7%的情況下，雙面擊實各75次的馬歇爾試件的瀝青飽和度為66.8%，比調整前降低了3.1%，基本上與調整前雙面各擊實50次時的飽和度（66.5%）相仿，這既說明了在高溫性能優先保證時從嚴設計瀝青混合料的重要性，又說明了雙面擊實各50次時的指標容易造成誤差。

通過上述比較分析，說明在敦煌地區二級瀝青路面AC-13C型混合料設計時，宜按照高速公路、一級公路從嚴設計，馬歇爾擊實試驗應采用雙面各75次的標準；同時，針對夏季高溫，為避免泛油乃至高溫車轍、擁包的出現，應盡量降低混合料油石比，瀝青飽和度應小于70%，并盡量接近65%。

5 結語

1）本文根據柳敦二級公路維修改造工程實踐，探討了敦煌戈壁地區瀝青路面結構組合的原則，結合當地工程經驗，提出了柳敦二級公路瀝青路面結構組合、瀝青混合料類型及設計方案。

2）進行AM-16混合料設計時，級配曲線宜靠近中值，尤其是細集料部分不宜過粗。AM-16混合料飽和度應在55%以下，且盡量趨近50%。

3）進行AC-13C混合料設計時，級配曲線宜中值偏下；二級公路宜參照高速公路、一級公路的馬歇爾擊實試驗標準從嚴設計，采用雙面各75次的標準；同時，宜盡量降低混合料油石比，瀝青飽和度應小于70%，并盡量接近65%，避免或減緩面層攤鋪過程中或運營期的泛油、高溫車轍及擁包現象。