省道S238公路改建工程路面设计

罗闯旦，毛翠荣

(1.平顶山市公路交通勘察设计院，河南 平顶山 467036; 2.平顶山市公路管理局，河南 平顶山 467036)

0 引 言

省道干线公路是村镇公路和高速公路连接的关键通道，也是公路交通网络的重要构成部分。然而，随着通行量及超载的增加，早期建设的省干线公路的通行能力渐趋不足，使用寿命缩短。为此，需要对低等级省干线公路实施升级改建。依据公路水泥混凝土路面设计规范要求，对包括沥青混凝土路面结构、接缝、混凝土配比、加铺层结构等进行设计[1-8]。但是在升级改建中，新旧路面拼接、加铺改造及废料再利用等方面尚存在一定的技术难度。虽然国内外学者进行了大量研究，但因测试手段的制约与规范的局限，新旧路面层间黏结没能得到有效保障。美国Uzan等在室内成型立方体试件，采用直剪试验仪进行了常温和高温下的层间剪切试验，研究了黏层油喷洒量和垂直荷载对抗剪强度的影响，得出了所用沥青材料的最佳用量。Brown和Brunton对不同路面结构进行了层间不良接触对路面寿命的影响研究，发现层间滑移是由于层间黏结力不足导致的，交通荷载的横向和剪切应力导致沥青上面层相对于下面层有相对的移动。Mariana对层间接触条件对柔性路面路用性能的影响进行了研究，通过水平剪切模量定量反映层间接触情况，利用层状线弹性程序对路面结构进行了分析，研究表明：水平力是引起表面层和联结层接触不良的主要原因。国内公路改建技术研究更多地集中于高速公路改扩建工程[9-11]。杭甬高速公路扩建工程始于2000年10月，采取分段逐步实施的方式进行扩建，采取两侧拼接扩建的方式，解决软土地基处理技术问题，对道路平纵面调整、旧路改造(路面、结构物、交通工程)等未作重点考虑。扩建工程采取不中断交通的方式进行，实现了扩建、运营两不误，其建设思路具有代表性。黄志义等采用有限元技术对路面的接触非线性进行分析，并结合高速公路的现场试验进行了验证，结果表明，接触模型比层状体系模型更适合描述路面的力学特性[12]。从国内外的研究文献可以发现，大多是从层间黏结状态的理论计算或者数值模拟进行研究，分析层间黏结状态不良对路面结构的影响。而对于层间强度的评价多采用室内剪切试验和拉拔试验，而且评价方法并没有形成统一的评价体系。可见探讨路面改建设计技术显得极为必要。

省道S238常付线至十里铺段为沥青混合料路面，始建于2001年，历经10多年的营运，路面出现大面积的网裂、松散、坑槽、沉陷等病害，其功能和作用已经难以满足车辆行驶安全及通行舒适的需要，故在2013年对该路进行改建。由于新旧路面拼接、加铺改造及废料再利用等方面缺少成熟的施工经验，存在一定的技术难度。加之公路为暴露于自然环境中的土工构造物，所处的交通环境和地理位置对公路的承载力和运输量影响很大，公路的平整度也有密切的关系。本研究采用室内试验与改建工程实践结合，从省道公路功能需求及要求等出发，探讨其加铺路面设计的技术问题。

1 公路改建工程状况

1.1 改建工程概况

S238常付线大修工程起点位于平顶山市郏县汝州界( K203+648 )，终点位于十里铺( K221+170 )，路线全长17.552 km。沿线既有沥青混合料路面，又有水泥混凝土路面。路面局部宽12 m，多为15 m宽。路面结构为上层细粒式沥青混凝土，下层水泥稳定碎石及乳化沥青下封层，厚度为18 cm，道路无土路肩，两侧均为耕地，为二级公路标准，设计时速为40～80 km·h-1。

1.2 改建路面结构

根据S238常付线的路况，对病害部分面层及基层采用挖补或刷涂黏层油直接加铺补强处理，其中K203+648～K210+929、K212+520～K221+170段路基宽15 m，路面宽12 m；K210+929～K212+520段路基宽15 m，路面宽15 m。该改建路面结构为两侧均设置土路肩1.5 m，路面单侧加至5 m宽，路面均统一铺筑细粒式沥青混凝土(AC-10)、水泥稳定碎石、砂砾石沥青混凝土(AC-5)，其中水泥稳定碎石厚度为18 cm，细粒式沥青混凝土铺设厚度为3 cm，砂砾石沥青混凝土铺设厚度为2 cm。

1.3 路面拼接方案和材料

该改建路段主要采用垂直拼接，而后路面层整体铺设沥青面层和水泥稳定碎石的拼接方案；拼接不设置台阶。改造中充分利用既有混凝土路面；在新路面部分的拼接处，应清除其表土并碾压夯实，而后铺设砂砾石垫层40 cm。铺设C15混凝土20 cm，使其与原路面平高，而后对既有路面和新路面统一加铺罩面。

1.4 旧料利用情况

此改建项目不涉及再利用及破碎既有路面的旧料，施工过程中主要对降低噪声、保护植被及保持水土等方面进行重点控制，做好环境保护工作。

2 省道S238公路改造加铺设计

2.1 加铺层结构设计

2.1.1 影响加铺层的因素

S238常付线至十里铺段是平顶山市连接豫西地区的交通要道，道路加铺层的结构组合受到交通量、既有路面技术状况路面病害、经济性等因素的影响。

2.1.2 既有公路加铺层的构成方式

加铺层既有公路加铺层的结构形式主要依据其承载力及路标病害、交通量等因素来综合评比选定。省道S238常付线至十里铺段既有道路加铺层的构成方式见表1。

表1 既有路面加铺层的结构形式

2.2 路面加铺层的材料设计

2.2.1 罩面层材料设计

省道、过大干线公路改建工程的使用性能和行驶质量由罩面层的技术状况决定，罩面层若具有耐磨抗滑、密实凭证和耐久抗裂等优点，则可选择混合料来加铺罩面，适用的混合料为OGFC抗滑磨耗层(开级配)、SMA玛蹄脂沥青碎石混合料、AC-C沥青混凝土(粗型密级配)等，具体情况如下。

AC-C混合料为《公路沥青路面设计规范》中AK-A沥青混合料的改进型，在此混合料中，沥青混合料的空隙率为3%～5%，明显低于原来4%～5%的空隙率。同时马歇尔试验击实次数，由50次提高为75次，原大空隙率的AK抗滑面层调整为密实型，连续级配由AC调整为S型，现场空隙率低于7%，级配多靠近骨架密实的粗集料级配，大大降低了AK级配混合料的渗水性。当前，AC-C型沥青混合料的经济性较好，且技术成熟，已经在中国的面层混合料中得到广泛应用，其结构见图1。

图1 AC-13C沥青混合料

SMA玛蹄脂沥青混合料依据最大内摩擦角原则，用粗集料(间断级配)构成矿料骨架(相互嵌挤型)，而后依据较小空隙原则，用玛蹄脂沥青对骨架空隙进行填充，构成密实骨架结构的沥青混合料。玛蹄脂沥青混合料级配构成的特点为：多用粗集料，占比为70%～80%；多用沥青，占比6%左右；多用矿粉，占比10%左右；少用细集料，占比为15%～20%。这种结构(图2)具有耐磨抗滑、抗车辙、水稳定性优良、抗疲劳和可降低早期路面破坏等特点。

图2 玛蹄脂沥青碎石混合料

橡胶沥青为性能优秀的改性沥青，被广泛应用在高速公路建设及公路加铺工程中。

橡胶沥青混合料(图3)的特征决定了它具有极强的低温抗裂性、高稳定性、抗水损害能力等，且与其他类型沥青混合料相比，其抗疲劳及抗老化性能更加优秀和突出。应用橡胶沥青混合料改建或铺筑的公路，具有噪音低、舒适度高和平稳性强的优点，可以大大改善公路质量，从而使其使用寿命大大延长。

图3 橡胶沥青混合料

上述3种混合料的特征、用量、使用性能、外观特征、造价、抗疲劳特征、通过率及碾压要求等对比分析见表2。

磨耗层混合料需要具备抗水损坏能力以及良好的抗高温车辙能力。如果经济允许，应选择玛蹄脂沥青混合料或AC-C混合料。

2.2.2 改建公路中层及下层用料设计

改建公路基层拼接需要解决的关键问题是减少拼接裂缝的反射，防止中层及下层位移对路面结构承载力的影响。公路建设实践表明，在公路的下面层、中层，沥青混合料常会发生变形和推移，仅有少数发生在上面层。所以，若要确保复合型沥青路面结构的稳定性，就需要在下面层、中层的混合料中选择高性能混合料，通常选择TB沥青稳定碎石(密级配)、AC沥青混合料(密级配)及EME沥青混合料(高模量)。

表2 橡胶沥青、玛蹄脂沥青及AC-C沥青混合料的对比

本文参考当前公路沥青混合料Superpave级配设计的思想及理念，应用了级配“S”形曲线，且采用了粗型级配，以保证能够满足各项性能的要求。实践证明，混合料经过改良，其密水性和施工均匀性均良好。然而，由于设计方法的因素，当前所用的AC-C混合料仍为密实型悬浮混合料，高温稳定性仍存在不足。

Superpave混合料能够防治早期路面损害，尤其车辙病害。该混合料的路面均匀密实、骨架嵌挤，高温稳定性远优于AC-C结构，且能够有效降低路面级配离析，保障路面的密水性能，并防止沥青路面的水损害。 Superpave混合料与AC-C混合料的对比分析见表3。

表3 Superpave与AC-C混合料的对比分析

通常情况下，为确保省道干线公路改建施工中沥青路面的稳定性和耐久性，需要特别注意其下面层、中层的抗疲劳性和高温稳定性，通过对其下面层、中层混合料技术特征的比较，发现选择Superpave混合料较为合适。

2.2.3 改建路面下封层的沥青设计技术

下封层沥青主要用于封闭路面基层表面的空隙，防止基层受到水分浸入，同时可以增强沥青混合料与基层面层的黏结。在既有路面层、半刚性基层下增铺下封层，不但能够增强路面的稳定性，还能增强其整体性。

当前，可用于下封层的材料非常多，不管是双层式还是单层式，其下封层结构所用材料较均为丰富。研究结果显示，相较于单层式结构，双层式下封层并不具有明显的优势，因此，建议下封层选用单层式结构。下封层为单层式结构时，主要适用的结构方式包括碎石加乳化改性沥青、碎石加改性热喷沥青、碎石加乳化普通沥青、稀浆封层乳化改性沥青、碎石加橡胶热喷沥青等。

改性SBS沥青碎石封层材料与橡胶沥青应力吸收层材料的对比分析见表4。

沥青下封层的黏结力非常突出，但是需要有足够的低温抗裂和高温抗变形能力，方能有效应用。同时，应用沥青下封层还需要良好的防水、排水条件。从上述封层材料技术及特性对比可知，选择热喷改性SBS沥青碎石作为封层较佳。

2.2.4 改建公路基层设计技术

在道路扩建工程中，半刚性路面基层结构的反射裂缝现象是工程施工者的最大困扰，提高石料自身抗裂性成为关键。当前，常用的水泥稳定碎石料抗裂性提高途径主要有：应用振动成型骨架结构设计配合比，以提升其强度；通过低剂量水泥稳定碎石的应用来强化其影响强度。作为路面基层，由于其结构为承重层，必须具有一定的刚度及强度，且水稳定性及板体都较强的优势。所以，在混合料强度不受影响的情况下增强其抗裂性能。

表4 改性SBS沥青碎石层与橡胶沥青应力吸收层材料对比分析

半刚性材料基层的构成主要为骨架密实、空隙两种结构，也包括均匀密实、悬浮密实等结构。通过粗集料的连续级配达成嵌挤骨架的为骨架密实结构，骨架空隙由细料和水泥填充。骨架密实结构的设计方法为振动成型技术，该设计方法能够很好地解决抗裂性能与强度之间的矛盾，且水泥剂量少，强度高。

依据沥青公路路面设计相关规范的要求，一级公路及高速公路上基层、基层应选择骨架密实型稳定集料，二级及以下公路基层或其他级别公路底基层常选用悬浮密实混合料。本文从设计方法、级配组成和应用效果等方面对比分析骨架密实型与悬浮密实型结构。

(1)级配构成。经对比发现，骨架密实型级配的0.075 mm、4.75 mm、19 mm筛孔通过率低于悬浮密实级配。此结果表明，在级配构成上，骨架密实的粗骨料用量高于悬浮密实水稳。此外，可以利用少量粉尘降低水稳基层的开裂几率。水稳混合料的剖面见图4。

表5 悬浮密实与骨架密实基层级配对比

图4 水稳混合料的相应剖面

(2)设计混合料的技术方法。确定混合料的最大干密度，骨架密实型水稳应用振动压实法，悬浮密实型水稳则用重型击实法。在强度成型技术上，骨架密实型水稳用振动压实法，悬浮密实水稳则用静压法，不同的设计方法各有优势。混合料设计时应用振动成型法，水泥剂量通常为2.5%～4.5%，分别取4～5种比例进行配制，各组混合料的最大干密度及最佳含水量均用振动压实法确定。为确保抗裂能力及基层强度要求，设计过程中应限制粉料、细集料和水泥的用量。

(3)应用效果。骨架密实水稳粗集料设计技术被广泛应用到许多实体工程中，该设计方法修筑的公路里程已超过2 000 km。对试验路段的观测结果显示，骨架密实结构的路面裂隙密度不足悬浮密实型结构的1/3。

由上述分析可知，相较于悬浮密实型碎石骨架密实水稳粗集料的水泥用量较小、粗集料量多且强度高，能减少碎石基层开裂问题，是优化设计水稳碎石的重要趋势。

2.3 既有公路加铺改建结构设计技术

在设计省道S238常付线至十里铺段公路加铺改建路面结构时，既要平衡协调拓宽路面结构，也应考虑对既有路面病害的根治，充分利用既有公路路面，协调各个车道的路面结构，尽量重复利用既有公路的铣刨材料。为此，本文提出了省道S238常付线改建路面的结构。

(1)公路结构良好的路段，直接罩面；病害较轻者，则在局部维修处治后罩面。直接罩面方案为：在维修处理既有路面病害的基础上，先铺设改性SBS沥青碎石封层，然后铺设SNA-10改性沥青，厚度为3 cm。

(2)路面结构良好、但病害稍重的公路，要先对既有公路面铣刨，再罩面。即铣刨既有路面基层，再应用改性SBS沥青碎石封层，而后应用厂拌热再生或就地热再生技术，最后铺设SMA-10改性沥青，厚度为3 cm。

(3)补强面层罩面。对于结构差且病害一般的路面，需要进行补强罩面。即维修既有路面病害，以改性沥青SBS碎石封层，再铺设5 cm厚SUP-20改性沥青。

(4)补强基层罩面。结构差、病害严重的路面，需要补强既有路面基层。即维修既有路面，铺设厚20 cm水泥稳定(抗裂型)碎石，而后以改性沥青SBS碎石封层，再铺设5 cm厚的SUP-20改性沥青，最后铺设厚3 cm的SNA-10改性沥青。

3 结 语

旧路改建加铺应以通行舒适、安全为目的，公路必须具备足够的稳定性及强度。同时，在旧路加铺结构组合方式上，要有基层补强、面层补强、维修罩面等类型。在加铺材料的选择上，磨耗层选择AC或SMA型混合料；Superpave混合料用于中、下面层；下封层选择改性沥青碎石混合料及抗裂性水稳。通过室内试验与实践检验，相关数据表明S238常付线至十里段公路设计具备一定的防水性、承重性和稳定性，各项指标均满足施工现场及周围环境的要求。经过对该扩建工程几年来的观察，其运行效果较好，表明该旧路加铺工艺有一定的推广应用价值。