瀝青混凝土配合比設計論文

1、延長瀝青路面使用壽命技術對策 交通部公路科學研究所王旭東引言近些年來瀝青路面的早期損壞問題引起廣泛的重視，同時我國上世紀八十年代末、九十 年代初建成的一批高速公路相繼進入了大修養(yǎng)護周期，如：京津塘高速公路、廣深高速公路、 廣佛高速公路、濟青高速公路、京石高速公路等等。由此引發(fā)出一系列關于路面質(zhì)量的一些 問題：如何提高我國瀝青路面質(zhì)量，如何延長我國瀝青路面的使用壽命，如何降低瀝青路面 大修的養(yǎng)護成本等。對于這些問題的澄清有利于我國今后高速公路瀝青路面建設的健康發(fā) 展。筆者結(jié)合這些年來一些的研究工作和工程體會談一些粗淺的看法，不妥之初，敬請指正。我國發(fā)展半剛性瀝青路面的必然性近些年來，由于我國高等

2、級公路瀝青路面早期損壞比較嚴重，一些人開始懷疑我國普遍 使用的半剛性瀝青路面結(jié)構，認為這些病害主要是由半剛性結(jié)構引起的，我國以半剛性路面 結(jié)構為主的高等級公路路面結(jié)構太單調(diào)了，應該研究使用柔性路面結(jié)構，認為柔性路面結(jié)構 才能解決當前半剛性路面的問題，延長路面使用壽命，降低大修成本。是這樣嗎？從世界范圍看，柔性路面結(jié)構和半剛性路面結(jié)構（包括復合式路面結(jié)構）是瀝青路面的 兩大類型。歐美國家、日本、澳大利亞等國以柔性路面為主，而我國、前蘇聯(lián)國家以半剛性 路面結(jié)構為主。因此，認為我國搞半剛性路面就認為結(jié)構單調(diào)是毫無根據(jù)的，更不應以所謂 的“百花齊放”、“百家爭鳴”為由，不對當前半剛性路面存在的問題進行

3、深入、系統(tǒng)研究， 認真解決，就簡單認為柔性路面比半剛性路面好，否定半剛性路面。這不是一種科學的態(tài)度， 反映出當前一種浮躁的學術風氣。應該看到半剛性路面與柔性路面是兩種同等的路面結(jié)構形式，無所謂誰比誰好，各有其 使用的條件和特點。反射裂縫（或?qū)芽p）固然是半剛性路面結(jié)構的病害特點，同樣，車 轍、疲勞裂縫也是柔性路面的病害特征。更何況，對于我國當前半剛性瀝青路面早期損壞所 表現(xiàn)出的主要病害并不是反射裂縫或?qū)芽p，也不是由其引起的。我國選擇半剛性路面結(jié)構作為我國高等級公路的主要結(jié)構形式有其歷史的必然性和現(xiàn) 實的可行性。我國是一個發(fā)展中國家，經(jīng)濟條件有限，又要大力發(fā)展公路建設，選擇半剛性 瀝青路面

4、結(jié)構無疑是一個技術上可行、經(jīng)濟上合理的技術方案。有人認為，現(xiàn)在我國經(jīng)濟發(fā) 展了可以修建造價比較高的柔性路面結(jié)構的高速公路了。今年，江南某經(jīng)濟發(fā)達省的一條高 速公路的擴建工程，專門請國外專家進行柔性路面結(jié)構設計，設計方案確定后，進行造價分 析發(fā)現(xiàn)其造價高得驚人，無法承受，只得一半用柔性路面結(jié)構，一半用半剛性結(jié)構。由此可 見，采用柔性路面結(jié)構在我國當前經(jīng)濟水平下仍是難以承受的。根據(jù)目前國內(nèi)公路造價，1cm 的普通瀝青混合料造價相當于4cm的水泥穩(wěn)定碎石基層，而1cm改性瀝青混凝土相當于6cm 的水泥穩(wěn)定碎石基層；而從強度、承載能力角度來看，相同厚度的瀝青混凝土（包括改性瀝 青）遠遠小于水泥穩(wěn)定碎石

5、。眾所周知，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國公路上的超載運輸現(xiàn)象十分普遍和嚴重，盡管我國的 汽車保有量與發(fā)達國家相比有較大的差距，高速公路上的交通量遠遠小于發(fā)達國家。如美國 州際公路上的交通量水平一般在1020萬輛/天，而我國一般在26萬輛/天。但由于我國的 軸載水平遠遠大于歐美國家，因此實際上我國公路上的單車道的累積軸載作用次數(shù)卻遠遠大 于歐美國家，如美國州級公路上15年的設計年限內(nèi)的累積軸載作用次數(shù)一般為15002000 萬次，而我國據(jù)統(tǒng)計平均已達到了1億次左右，有些路段可以達到近2億次。這是擺在我們 面前的客觀現(xiàn)實。對于這樣大的交通荷載柔性路面結(jié)構能否承受，國內(nèi)外均沒有相關的研究 成果可以證明，因此

6、更無從談起用柔性路面結(jié)構代替半剛性路面的優(yōu)越。相反，通過十多年來我國高等級半剛性瀝青路面的使用經(jīng)驗證明，從承載能力角度看， 這種路面結(jié)構是適合我國交通環(huán)境的。筆者結(jié)合有關研究調(diào)查了我國早期修建的幾條著名的 半剛性結(jié)構的高速公路的交通軸載水平和實際的大修周期，發(fā)現(xiàn)：如果從軸載水平角度，這 些高速公路的使用壽命只有24年，而實際的大修周期一般卻為10年左右，遠遠大于設計 使用壽命的要求。這都證明了半剛性路面結(jié)構是適應于我國當前運輸水平的。這些高速公路 的大修中絕大多是對原有瀝青面層的處理，只有個別路段對基層進行了補強。因此，我們有理由認為，沒有半剛性瀝青路面結(jié)構，就沒有我國高速公路建設的飛速發(fā) 展

7、；半剛性路面結(jié)構是適合我國國情的路面結(jié)構形式，是不容否定的。值得說明的一點，近十多年來國外發(fā)達國家采用柔性結(jié)構后發(fā)現(xiàn)，由于交通量的增加， 車轍十分嚴重，現(xiàn)在重新在反思、研究半剛性路面結(jié)構的使用。這正與我們不謀而合。如果 我們此時棄“半剛性”，而撿“柔性”，盲目跟著國外走，何談公路技術趕超世界先進水平。改善半剛性瀝青路面質(zhì)量對策在肯定半剛性瀝青路面結(jié)構的同時，也不應回避由于管理、施工和質(zhì)量控制等多方面的 因素，產(chǎn)生當前比較普遍存在的路面早期損壞或耐久性不足的質(zhì)量問題。具體分為三個方面：半剛性基層的質(zhì)量控制，瀝青面層本身設計和施工問題以及兩者之 間的結(jié)合問題。3.1 加強對半剛性基層施工的質(zhì)量控制

8、對于半剛性基層來說，多年來由于經(jīng)濟利益的驅(qū)使和一些偏見，我國高等級公路建設過 程中存在一種“重面層、輕基層”的傾向。尤其在施工過程中對半剛性基層質(zhì)量控制不嚴， 不知現(xiàn)在還有多少設計和施工單位認真進行基層材料配合比試驗，還有多少施工和監(jiān)理單位 能嚴格按照施工規(guī)范的要求每天按質(zhì)、按量地抽檢混合料、制件、測7天強度。盡管每個工 程的相關的技術文件資料都很齊全，但實際上真正去做的卻是鳳毛麟角。這樣的狀態(tài)如何能 保證基層的質(zhì)量，一些路段基層使用壽命短、早期損壞嚴重也就不足為奇了。隨著高速公路建設的發(fā)展，我國瀝青面層的施工機械水平逐步更新?lián)Q代，一直保持著世 界先進的水平，但半剛性基層的施工設備卻十多年來一

9、直保持不變，有些已嚴重老化、落后 了，直接造成混合料的級配控制不住、含水量和水泥劑量添加不準等通病，采用能夠嚴格控 制基層混合料產(chǎn)品穩(wěn)定的間歇式拌和設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連續(xù)式拌和設備已經(jīng)勢在必行。當前國內(nèi)有一種傾向：為了減少半剛性路面的反射裂縫或?qū)芽p，半剛性基層的強度 普遍有降低的趨勢。這是不對的。一方面，沒有足夠的基層強度就無法滿足我國較大的交通荷載對承載力的使用要求，就 會大大降低半剛性基層與瀝青面層的層間粘結(jié)狀態(tài)，就無法增加路面的耐久性和使用壽命。 近些年來一些高速公路大修工程中發(fā)現(xiàn)局部路段半剛性基層的碎裂、松散現(xiàn)象，并不是基層 強度過高引起的，而恰恰是由于基層施工不均勻和強度水平不足所導

10、致的。當前國內(nèi)外都十 分關注瀝青路面長壽命問題，關注減少高速公路大修成本問題。其核心問題就是延長基層的 使用壽命。沒有基層的長壽命就不可能有面層的長壽命，高速公路的大修成本就不可能降低。 而保證基層具有足夠的強度是提高基層質(zhì)量，延長基層使用壽命的關鍵措施之一。另一方面，對于我國半剛性瀝青路面來說，反射裂縫（或?qū)芽p）固然是其一種病害 形式，基層強度與這種裂縫的產(chǎn)生有一定關系，但不是必然的關系，因為還有瀝青面層厚度 的因素在里面。英國早在上世紀七、八十年代就有研究成果表明當瀝青面層厚度大于 1516cm以后，半剛性瀝青路面的橫向裂縫的產(chǎn)生主要是瀝青面層本身的溫度裂縫而不是反 射裂縫。我國“七五

11、”攻關的研究成果也表明，我國半剛性瀝青路面的橫向裂縫主要是溫度 裂縫，并不是反射裂縫。再者也應看到路面這種非荷載性的橫向裂縫的產(chǎn)生與路面其它的病害如：車轍、推移、 泛油、網(wǎng)裂、坑槽、疲勞開裂，并不一樣。前者只是路面病害的一種中間形態(tài)，如果及時地 養(yǎng)護、縫封，對路面本身的行駛質(zhì)量不會造成太大的影響，這在歐美很多發(fā)達國家的高速公 路上都可以看到。而后者的諸多病害則是對瀝青路面行駛安全、行駛質(zhì)量帶來直接的影響， 而且是我國當前瀝青路面早期損壞的主要病害類型，這些病害的產(chǎn)生絕大多數(shù)是由瀝青面層 本身引起的，與基層的強度高低和橫向裂縫水平?jīng)]有直接關系，有些根本沒有關系。因此，切不可“因噎廢食”，降低基層

12、強度，這將對我國半剛性瀝青路面結(jié)構的使用帶 來致命的傷害。如果說半剛性基層的問題主要來源與施工質(zhì)量控制，那末，瀝青面層的問題則主要來源 與設計與觀念。3.2正視瀝青面層質(zhì)量問題我國已建的高速公路80%以上是瀝青路面。瀝青面層的厚度從12cm、15cm，發(fā)展到 18cm，現(xiàn)在又有人提出需要進一步加厚。改性瀝青的使用從最初的有選擇使用，到如今幾 乎是必然使用，而且一層不夠改兩層、改三層。與我國經(jīng)濟水平不相稱的是，我國道路用改 性瀝青的使用比例全世界第一。但結(jié)果如何呢？從全國來看，瀝青面層的加厚、改性瀝青的 “泛”用，工程造價大幅度提高，卻并未由此帶來相應的路面質(zhì)量的提高、壽命的延長，路 該出問題還

13、出問題。這些年來路面早期損害比較嚴重，也正是改性瀝青泛濫成災的幾年。這 里并不是說改性瀝青的使用導致了早期損壞，但可以說明改性瀝青解決不了路面早期損壞的 問題，在有些地方甚至縱容了早期損壞。由于使用改性瀝青，業(yè)主、設計、施工各方面均在 一定程度上在思想上放松了對質(zhì)量控制的要求，認為，已經(jīng)采用昂貴的改性瀝青了，已經(jīng)盡 力了，再出什麼質(zhì)量問題也好交待了。殊不知，改性瀝青不是靈丹妙藥，僅僅是一種工程材 料，代表不了工程質(zhì)量的好壞?，F(xiàn)在回過頭看，大家公認我國早期修建的一些高速公路質(zhì)量 是過得硬的，當時沒有現(xiàn)在多如牛毛的改性瀝青品種，沒有使用改性瀝青，為什麼質(zhì)量好呢？ 其實答案很簡單。同樣，對于盲目增加

14、瀝青面層厚度也是與改性瀝青濫用存在同樣的危害。過去我國高等 級公路瀝青面層厚度一般為1516cm，這對于半剛性路面結(jié)構來說已經(jīng)是比較厚了，但到了 上世紀九十年代后期，在缺乏嚴格論證的基礎上一下提高到18cm，增加了 23cm，為什麼？ 增加23cm意味著每平米瀝青面層的造價增加1624元如果按雙向四車道22米路幅寬度 計算，每公里增加35.252.8萬元；按1萬公里高速公路里程計算國家至少多投入35.252.8 億元。遺憾的是這樣大投入并沒有換來我國公路質(zhì)量的提高。改性瀝青的濫用、瀝青面層厚度的盲目提高其背后的影響因素是多方面的。但都反映出 我國瀝青路面研究缺乏系統(tǒng)性，浮躁、急功近利現(xiàn)象普遍。

15、具體表現(xiàn)在幾個方面：1、缺乏 長期、系統(tǒng)的研究；2、偏重于材料性能研究，忽視使用性能研究；3、設計與施工脫節(jié)，設 計不能反映施工水平；4、施工工藝水平低。上世紀九十年代初期，國內(nèi)有些專家就呼吁開展路面長期使用性能的研究，但卻遲遲得 不到重視。路面結(jié)構的研究是一門應用性極強的工程技術類學科，大量的基礎性數(shù)據(jù)來源于 長期的實際工程的積累，而并不是像一般學科，僅僅通過力學計算、數(shù)學模型模擬就可以得 到的。美國的路面設計之所以在世界處于領先的地位，正是由于上世紀五六十年代修建了大 量的試驗路和實體工程，進行了充分的總結(jié)、分析而得到的一整套完善、可靠的路面設計方 法；進入到八十年代仍投入巨資開展相應的路

16、面長期使用性能研究。我國從九十年代引入美 國Superpave設計方法，投入幾千萬上億的資金購買相關的試驗設備，并開始應用，但實際 的使用效果國內(nèi)一直沒有統(tǒng)一的觀點，其中一個主要原因是沒有一條象樣的試驗路段予以證 明。而美國亞利桑那州在推廣使用Superpave時，首先于1996年在一條重交通的州際公路 上修建了 10英里的長期使用性的特殊觀測路段，其中有5英里修建了 5種不同結(jié)構、設計 水平的Superpave試驗路段，至今已經(jīng)過8年的使用，實際的使用效果擺在每個研究者、使 用者的面前，這些路段與其它路段相比有明顯的車轍和疲勞開裂，因此，該州不再使用這種 設計方法進行路面設計。這就是長期使用

17、性能研究最直接的效果。路面結(jié)構是由各個結(jié)構層相互疊加組合而成的，每個結(jié)構層都有其不同的功能作用，因 此從某個角度看，路面是一個系統(tǒng)工程。也正因為如此，單靠某個結(jié)構層使用某種特殊材料 （如：改性瀝青）是不可能解決整個路面系統(tǒng)問題的。因此路面結(jié)構的研究應采用系統(tǒng)的觀 點，從系統(tǒng)的角度進行系統(tǒng)的研究。這樣才能達到技術上優(yōu)越，經(jīng)濟上合理的目標。目前國 內(nèi)有些省份盲目使用湖瀝青，認為只要使用了這種瀝青就能解決路面的某些技術問題都是不 科學的，實際上也是達不到的。再者，路面上許多技術要求看似是相互“矛盾”的，如高溫 抗車轍和低溫抗裂縫問題。這更需要從系統(tǒng)的高度，權衡路面各個指標的協(xié)調(diào)性問題，避免 顧此失彼

18、的現(xiàn)象發(fā)生。多年以來，我國瀝青面層的研究偏重于材料性能，而忽視實際的使用性能。當前我國各 種設計方法、各種材料技術指標層出不窮，有國外引進的，也有自主研發(fā)的。但大多回避或 無法回答一個問題：用了這種方法，用了這種指標評價后，是否就能達到了路面使用性能的 要求（施工管理因素除外）？也就是，在這種氣候環(huán)境、交通水平下，路面材料和結(jié)構應該 達到何種水平？這就導致一種現(xiàn)象的發(fā)生：凡是好的、貴的材料用總比不用好，瀝青面層厚 總比薄好，工程造價越來越高，而最終的質(zhì)量如何誰也說不清。這點在我國現(xiàn)行的一些技術 規(guī)范中表現(xiàn)尤為突出。因此開展深入、扎實的路面使用性能研究十分必要和迫切。當然難度 也是很大的，它需要

19、投入大量的時間和精力做默默無聞的基礎性工作，不會向?qū)Σ牧涎芯磕?樣早出成果，對從事這方面研究的人員來說無論是名譽上還是經(jīng)濟上都是一個考驗。但這方 面研究卻又非常重要，瀝青路面的材料性能研究向使用性能研究轉(zhuǎn)變，是我國瀝青路面研究 的一個質(zhì)的飛躍。當前瀝青路面設計中還有一個突出問題就是設計與施工、設計與使用相脫節(jié)。具體表現(xiàn) 為，瀝青混合料的幾乎所有的技術指標與實際的施工控制條件不匹配。高溫車轍指標、水穩(wěn) 定性指標、低溫性能指標是瀝青混合料常用的主要技術要求，這些指標確定的實驗條件與實 際施工的控制條件不一樣。在施工過程中壓實度、空隙率是主要的控制指標，壓實度的大小、 空隙率的高低對瀝青混合料的各方

20、面性能有明顯的影響。而瀝青混合料這些性能指標的實驗 條件卻又忽視了這個關鍵性條件，因此，試驗的結(jié)果無法反映最終路上的實際水平。這也是 導致瀝青路面施工質(zhì)量不確定的技術因素。當然，不可否認，提高我國瀝青路面施工工藝水平是提高我國瀝青路面質(zhì)量的重要方面。 應該看到，我國大部分高速公路施工單位的機械水平并不低，甚至是世界一流的；我國大部 分施工單位的施工人員也是世界上最勤勞的；為什麼施工水平低、路面質(zhì)量上不去呢？這里 體現(xiàn)出工藝水平的差距。影響工藝水平高低的因素很多，首先是工程項目的管理者，沒有管 理者正確的決策，就不可能有好的工藝水平。最突出的問題仍施工期問題。合理的工期是施 工組織設計中最重要的

21、一環(huán)，直接影響到各道工序的安排布置，以至于相應的工藝流程和要 求。盲目的壓縮工期會直接導致工藝水平的降低。其次，工程管理者應加強業(yè)務的學習，切 忌瞎指揮?，F(xiàn)在不少工程中發(fā)現(xiàn)施工單位人員的專業(yè)水平、工程經(jīng)驗高于業(yè)主單位和監(jiān)理單 位，盡管現(xiàn)在業(yè)主單位人員的學位水平都比較高。因此，作為工程的管理者要不恥下問，虛 心向一線的工人學習，以幫助自己在工程管理中做出正確、可行的技術決策。再者，需要不 斷完善現(xiàn)有的施工技術規(guī)范。我國幅員廣闊，從南到北，從東到西，施工的材料、施工的季 節(jié)、施工的設備差異很大，應根據(jù)不同的條件提出不同的施工技術要求和工藝流程。施工技 術規(guī)范作為指導性規(guī)范，不宜統(tǒng)的過多過死，應充分

22、發(fā)揮各個工程項目單位的積極性。總之，我國瀝青路面的問題主要來源于瀝青面層，提高瀝青面層的質(zhì)量還有許多深層次 問題值得研究探討。絕不是簡單使用改性瀝青、增加面層厚度或柔型結(jié)構就能解決的。3.3加強層間粘結(jié)等功能層設置瀝青路面由各個結(jié)構層組成，層與層之間的粘結(jié)尤為重要，特別是瀝青面層之間，瀝青 面層與半剛性之間。盡管在路面結(jié)構設計計算中，采用連續(xù)體系模型，但實際上瀝青面層之 間，瀝青與半剛性基層之間在使用過程中難以達到理想的連續(xù)狀態(tài)，有時根本是分開、滑動 的。路面的層間狀態(tài)又連續(xù)變?yōu)榛瑒?，層間的應力狀態(tài)水平（拉應力、剪應力）回增加幾倍， 直接導致路面受力狀態(tài)的改變，產(chǎn)生破壞。我國大多數(shù)橋面鋪裝層的

23、損壞，主要就是層間粘 結(jié)防水沒有做好所導致的。層間粘結(jié)又如穿珍珠的鏈子，如果層間粘結(jié)做不好，用再好的材 料修筑的結(jié)構層也只能是一顆顆散珠，形成不了完整的項鏈。目前，這個問題已逐步引起廣大工程設計人員的重視，但仍嫌不夠。不少路面設計文件 中，往往沒有透層、粘層油的設置，有些將透層油當作粘層油使用，有些又將粘層油當作透 層油使用；有些雖然設計上提出了透層油、粘層油，但相關的材料要求、施工技術要求不配 套，導致實際的使用性能遠遠達不到設計的要求。從國內(nèi)外的工程經(jīng)驗看采用灑鋪熱瀝青（包括改性瀝青）的措施是目前最好的層間粘結(jié) 措施，國外稱為應力吸收層（SAMI）?？晌覈恢睕]有相應的定額標準，直接影響到這種技 術的推廣使用。此外，半剛性基層與瀝青面層之間的粘結(jié)是當前普遍面臨的一個問題。半剛性基層質(zhì)量 的好壞，強度僅僅是其中