软件开发求职招聘交流微信群 http://jdsshang.com/shenghuo/24869.html
摘要
随着“一带一路”倡议的深入推动实施，中国的道路工程建设标准及设计施工技术走向越来越多的国家(地区)，工程建设条件也日益多样化、复杂化，高纬度严寒地区项目的设计和施工是中国公司面临的一项重要考验，为科学合理指导寒冷地区公路项目的设计工作，以某高纬度严寒地区国家的高速公路项目为依托，通过大量的实验及施工数据对比，提出了寒冷地区沥青路面设计施工的一些关键控制因素，并验证其科学合理性。
关键词
高速公路
严寒地区
沥青混凝土配合比
低温摊铺
ATB沥青碎石
沥青路面是一种连续无缝路面，其表面平整度好、耐磨、低噪音、行车舒适性高、施工速度快以及养护简便，是境内外最常用的高等级路面结构之一。沥青路面的设计使用寿命一般在15年左右，但是在寒冷地区，由于巨大的温差以及交通量等多种因素综合作用，沥青路面的使用寿命一直低于设计使用寿命，一般地区的沥青路面使用寿命多在10~12年左右，而寒冷地区例如我国东北、内蒙古、新疆等地区的公路，多数使用寿命在8~10年甚至更短，如何提高高纬度严寒地区路面的使用寿命和质量一直是境内外道路工程专家努力探索的课题。
本文根据某高纬度严寒地区国家的高速公路项目沥青路面实验数据以及施工经验，针对低温地区昼夜、冬夏温差大，路面容易出现开裂等病害的问题进行分析讨论，研究总结出一种较为适合严寒地区的沥青路面设计和施工方法。
沥青混凝土路面结构设计
沥青混凝土面层的设计
(1)上面层。
沥青混凝土上面层材料是车辆与道路的直接接触层，也是沥青路面的主要磨耗层，沥青混凝土型号的选择不但直接关系着行车的安全性与舒适度，还与路面远期质量和性能息息相关。
我国公路及城市道路的沥青混凝土上面层大多数采用的是细粒式沥青混凝土，其按照沥青类型和骨料结构类型不同主要分为密级配：SMA10、SMA-13型、AC-10、AC-13型；开级配：OGFC型沥青混凝土。其中开级配OGFC以及SMA沥青玛蹄脂碎石在该国家无法获得，本项目均未能采用。
该国地处高纬度地区，冬季漫长，降雪充足，受社会经济发展因素制约，冬季道路养护不充分，路面对防滑性能要求高，而AC-10、AC-13型沥青混凝土施工完成后表面光滑，防滑性能较为一般，经过讨论比较之后，本项目的沥青路面上面层采用AC-16型的中粒式沥青混凝土，同时为兼顾道路行驶的舒适性，优化了AC-16型沥青混凝土的粗、细骨料粒径以及配合比，采用AC-16Ｆ也就是细型中粒式沥青混凝土，见图1。该方案兼顾道路的舒适性和防滑安全性能，也符合该国道路发展建设水平。
上面层沥青采用俄罗斯地区号石油沥青，其检测指标见表1。
本配合比试验数据均以马歇尔试验为依据，各种矿料合成级配见表2。
用上述级配按4.0%、4.4%、4.8%、5.2%、5.6％的油石比进行马歇尔试验，其结果见表3。
境内外学者普遍认为沥青表面层孔隙率在4%左右性能最佳，本项目级配试验得到的孔隙率为4.1%，科学良好的级配有效降低了渗水率，提高了路面的耐久性。同时因两国采用的沥青标准不尽相同，为寻找最佳油石比OAC，在经历了大量实验后，选择了最佳油石比OAC=4.8%，低温破坏应变大于με，满足极端低温下沥青性能要求，见表4。
由试验参数可得知，该种配合比设计的AC-16F型沥青混凝土防水性能、抗车辙性能以及水稳定性能均较好，适用于冬季积雪时间较长的区域。
(2)下面层。
沥青混凝土路面的中下面层是路面结构的重要的受力部分，是保证面层强度的主要部分。本项目选择AC-20Ｃ中粒式沥青混凝土作为沥青路面的下面层材料，其级配(见图2)与上面层AC-16F型沥青混凝土较为连续，结合良好，受力均匀，其良好的摊铺性能可在一定程度上弥补AC-16型沥青混凝土较为粗糙，作为表面层摊铺要求高的缺点。经过实测，AC-20C摊铺完成后，其平整度已经高于该其他类似公路项目的竣工时路面平整度，为上面层的摊铺质量提供了良好的平台。
下面层沥青采用俄罗斯地区号石油沥青，其检测指标见表5。
本配合比试验数据均以马歇尔试验为依据，各种矿料合成级配见表6。
用上述级配按3.6%、4.0%、4.4%、4.8%、5.2%的油石比进行马歇尔试验，其结果见表7。
根据沥青混合料马歇尔试验结果图解数据最佳沥青用量OAC=4.43%(详细数据见附表沥青混合料马歇尔试验结果图解)，结合实践经验和本项目交通量、气候条件，综合确定AC-20C目标配合比的最佳油石比为4.4%，其结果见表8。
按照试验获取的AC-20C沥青混凝土配合比进行生产的沥青混凝土在防水性能、抗车辙性能以及水稳定性能方面均较好，适用于冬季积雪时间较长的区域。
ATB-25沥青碎石应力调节层的重要作用
本项目是我国在该国重要的标杆工程，其建成后的质量、使用性能不仅代表了企业的技术水平，还关系到当地人的生命财产安全，同样还与国家形象息息相关，影响着企业的信誉和长久发展。
项目所在国的公路普遍采用半刚性基层结构，由于气候干燥、水源缺乏、气温多变、养护不足，往往在沥青混凝土摊铺前，半刚性基层已经密集开裂，沥青混凝土摊铺完成后，反射裂缝也随之产生，加之气温骤降或者温差较大的温度应力作用，该国的公路经常会出现施工结束后不久路面就产生大量的裂缝。
从20世纪70年代开始，世界上许多国家开始探索将沥青碎石柔性基层应用在公路的路面结构上，ATB沥青碎石是一种黏弹性材料，其具有弹性好、韧性强的重要特点，沥青碎石材料成型后具有一定的自我恢复能力，能有效地过滤半刚性基层带来的反射裂缝和上部重载引起的车辙等病害，具有较强的承载能力。
受条件水平限制，本项目未采用高标准的三层沥青路面结构，路面结构厚度不足导致沥青面层缺乏弹性和自愈性，在严寒地区，沥青面层脆性增加，路面易产生车辙、开裂等破坏。在参考类似条件道路项目如鹤大高速公路、哈大高速公路等项目的设计及后期使用状况后，本项目将10cm厚ATB-25的沥青碎石应力吸收层取代上基层水泥稳定碎石，使面层与基层进行适度的柔性过渡，提高路面的弹性性能，减少后期路面开裂，提高路面使用性能和使用寿命。ATB-25的沥青检测指标见表9，其骨料级配见图3。
再以马歇尔试验为依据，各种矿料合成级配见表10。
用上述级配按3.0%、3.4%、3.8%、4.2%、4.6%的油石比进行马歇尔试验，结果见表11。
由表11可见，油石比为3.8%的马歇尔试验结果的各项指标均符合规范及设计要求。
根据沥青混合料马歇尔试验结果图解数据最佳沥青用量OAC=3.88%，结合实践经验和本项目交通量(中等交通)、气候条件，综合确定ATB-25目标配合比的最佳油石比为3.9%，其他试验结果见表12。
经过试验优选，最佳油石比设计时，ATB-25沥青碎石水稳定性能良好。最终选择路面结构见图4。
路面基层材料选择及应用
路面基层材料选择
路面基层是路面结构的主要持力层，其作用是吸收上部车辆等经沥青路面材料传递而来的荷载，并将之分散至路基，其性能的优良与否，直接关系着路面结构的使用质量。
参考了我国北方地区尤其是哈尔滨地区的多条高速公路的设计使用情况，例如哈佳高速公路、哈大高速公路等项目，建设单位曾对这些项目进行了相关的科学研究和试验，基层材料主要有：水泥稳定碎石、水泥碎石土、级配碎石、水泥粉煤灰稳定碎石、灰土等材料。研究结果表明，半刚性基层如水泥稳定碎石、二灰碎石等材料在北方多雪低温地区使用性能优于级配碎石、灰土等柔性基层材料，分析其原因主要是由于北方地区降雪低温，沥青路面容易开裂渗水，使用级配碎石等孔隙率较大的材料，路面水极易渗入基层、路基部位，路基上部积水长期得不到疏干，经过反复的冻融作用，导致大面积的路面翻浆、不均匀沉降。综合比较了境内外的研究成果后，选择水泥粉煤灰稳定碎石、水泥稳定碎石作为路面的基层材料。
再经过材料来源考察后发现，由于工艺较为落后，项目所在国的电厂生产产生的粉煤灰多是水洗法排出，无法得到干粉，流质粉煤灰和易性差，难以搅拌均匀，遇水泥后容易板结，无法施工。因此，最终选择了水泥稳定碎石作为基层材料(见图5)，基层与路基之间设置级配碎石底基层过渡。
以水泥剂量分别为：3.0%、3.5%、4.0%、4.5%、5.0%的混合料进行标准击实试验，按4%、5%、6%、7%、8%的含水率计算加水量，确定最大干密度和最佳含水量。
根据标准击实试验确定最佳含水量和最大干密度，按98%的压实度用静压法制作mm×mm的标准无侧限抗压强度试件，相同水泥剂量的每个试件需混合料质量=ρ干max×(1＋ω%)×98%×3.14×7.5×7.5×15，试件成型后按规范进行6d保湿和1d浸水养生后，进行无侧限抗压强度试验，试验结果见表13。
水泥剂量为4.0%的混合料7d无侧限抗压强度为3.7MPa，4h延时强度为3.5MPa，完全满足规范的要求。虽然从实验结果上看，水泥剂量高，7d无侧限抗压强度也越高，但是由于项目区域干燥多风，水源稀缺，养护标准不足，水泥剂量过高极易产生裂缝，同时本着经济合理的原则，选用基层水泥剂量为4.0%。
基层裂缝处理
水泥稳定碎石是一种半刚性材料，材料强度高，脆性大，容易收缩产生干缩裂缝，尤其是项目所在国所处地区，气候干燥，年平均降水量不足mm，全年多风，场地地下水深度多在60~80ｍ深度以下，取水困难，水泥稳定碎石养护也较为困难，本项目水泥稳定碎石基层摊铺后，尤其是在试验段K5+~K6+段，采用了5%、4.5%水泥剂量的水泥稳定碎石基层进行实验性摊铺，摊铺后产生了大量的裂缝，基层裂缝不进行合理处治的话，必然会反射至路面，使得沥青路面产生大量的裂缝。处理方案如下。
(1)在多方研讨后，选择了对基层进行乳化沥青灌缝处治，然后从我国进口了玻纤格栅对试验段进行了处治，然后再重新撒布乳化沥青和碎石进行封层处理，处理后现状使用良好，除个别特殊位置外，其余沥青路面未见反射裂缝等情况。
(2)在研究了试验段的数据后认为，过高的水泥剂量和无法按要求进行养护是水泥稳定碎石产生大量裂缝的主要原因，因此，在其他路段又使用4%、3.8%、3.5%等剂量的水泥稳定碎石进行了摊铺试验后发现，水泥剂量降到4%以下后，随着水泥含量的降低，裂缝会大幅度减少。在后期摊铺中，调整了水泥剂量，基本维持在3.5%~3.9%左右，既能保证基层强度足够，又能尽量减少裂缝的产生。
(3)我们认识到，在寒冷、干燥地区使用水泥稳定碎石，裂缝将难以避免会产生，裂缝的产生虽然可能会对路面结构造成一定的影响，但是只要处治得当，对路面使用性能的影响较小，甚至由于对水稳裂缝进行了灌缝、加筋等柔性手段处治，其冬季抗裂性能有所提升。因此，在后续的路面摊铺过程中，采用这些手段对水泥稳定碎石基层进行主动处理，现路面已经全部完成近半年时间，除个别特殊位置外，其余路面并未发现明显反射裂缝，这些处治的效果已经初步得到了体现。
结语
严寒地区的沥青路面设计与施工方法一直是境内外学者研究的前沿课题，在本项目中，通过多种同条件实验与传统设计方法对比的方式，提出了一种适应高纬度严寒地区路面结构组合方案和研究的方向。
(1)对于沥青面层，通过对规范的配合比进行一定试验与优化，寻找到了一种适应于高纬度严寒地区沥青路面特征的结构组合方式和材料设计参数，在高纬度严寒地区采用偏粗糙的细型中粒式沥青面层结构组合形式既提高了路面的防滑性能，又兼顾了路面行驶的平顺与噪音性能。
(2)沥青碎石是一种非常适用于严寒地区路面的一种材料，其力学特点介于半刚性与全柔性材料之间，是良好的面层~基层过渡层材料，本项目采用了两层柔性材料夹一层半刚性材料作为路面的基层结构组合形式，满足了道路基层作为主要受力层的强度要求，又提高了其低温性能和抗病害能力，在我国大量的工程实例应用中也证明了这种材料的优越性能。但是我们也要清醒地认识到，任何材料都有其两面性，由于沥青碎石油石比较低、骨料级配不够均匀，实际在摊铺过程中极容易发生离析、崩散等现象，影响施工质量，未来的研究应重点着手解决这一弊端。
(3)水泥稳定碎石是一种良好的基层材料，其施工质量容易控制，摊铺简便，但是容易产生干缩裂缝等病害，切缝、灌缝等处治手段能有效地降低裂缝数量和对沥青路面的影响，在以后的工程应用中应大力研究处治办法，寻找最佳水泥含量和处治手段。
全文完。首发于《公路》年5月。登陆
