为了保证在大交通量的情况下车辆在高速公路上能安全、舒适地通行,沥青面层必须有良 好的抗滑性能。这表明构造深度大,刹车力系数降低小。第一节概述中曾提到,传统的I型、II 型混凝土都不能满足路面使用性能的要求。
(一)多碎石沥青混凝土(SAC)
为了保证在大交通量的情况下车辆在高速公路上能安全、舒适地通行,沥青面层必须有良 好的抗滑性能。这表明构造深度大,刹车力系数降低小。第一节概述中曾提到,传统的I型、II 型混凝土都不能满足路面使用性能的要求。为了克服传统沥青混合料的缺点,解决沥青表面 层的抗滑性能,特别是构造深度满足要求、又透水性小这一技术问题,国家“七五”课题研究结 果提出了多碎石沥青混凝土(SAC)o这是一种骨架密实结构,用做表面层较好地解决了前述问 题,克服了传统级配的缺点。SAC比传统I型沥青混合料2.5mm(圆孔筛)以上的粗集料多 15% ,故取名为多碎石。同时收入《公路沥青路面设计规范》(JTJ 014-97),即规范中的AK- 16AO由于其良好的抗车辙和密水性能,SAC也可用于中面层和底面层,我们在河北石黄高速 中面层和底面层使用取得了良好的效果。国内研究统计资料显示,SAC—16混凝土的稳定度可达到传统AC25—I型混凝土的2.67 倍,表面构造深度TD 一般都在0.8~ 1.1mm之间,最大可超过1.2mm。实践证明,SAC有优良 的摩擦系数和表面构造深度,并具有优良的抗车辙能力。
由于施工控制等方面的原因,SAC在沪宁等路的一些段落应用时出现了一些早期损坏现 象,如表面松散、泛油等,因此引起了对SAC的争论,有些省甚至否定了 SAC的优越性,这对提 高我国沥青路面使用性能来说是极为不利的。实际上,只要施工控制达到了要求,SAC是能满 足使用性能要求的,如在沪宁、济青、石黄等高速公路中运用SAC都达到了预期的效果。
(二)沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)
20世纪60年代初,德国为抵抗带钉轮胎的磨耗开发了 SMAo由于其耐久性好,在1984年 德国正式制定了 SMA规范,在国内推广应用。然后欧洲一些国家也先后开始应用SMAo美国 于1991年开始铺筑试验路,到1996年底已经在多数州铺筑了试验段。1993年我国在首都机 场路和广佛高速公路上用SMA做表面层,随后在不少省铺筑了 SMA路面。
SMA是Stone Mastic Asphalt的缩写,它是一种间断级配的沥青混合料,由沥青玛蹄脂填充 碎石骨架组成的骨架嵌挤型密实沥青混合料。
由于粗集料(大于4.75mm)碎石相互接触形成碎石骨架有良好的传力功能, SMA有高抗车辙能力。同时SMA有较多的沥青砂胶包裹于集料表面形成相当的厚度,因此, SMA有较高的抗疲劳强度、抗老化能力、抗松散性和很好的耐久性,特别适合需要高摩擦力的 位置,如环道、交叉口等。经验证明:
DSMA有很好的高温稳定性和耐久性,其寿命较普通沥青混凝土长20%〜40%。SMA初 期费用约增加20%,长期看却很经济;
2) 耐磨性能好;
3) 抗滑性能好;
4) 用于铺筑底面层,也可以用于铺筑表面层,特别可以用于铺薄面层,降低造价。
(三)大粒径沥青混合料LSAM结构
大粒径沥青混合料(Large-Stone Asphalt Mixes,简称LSAM) 一般是指含有矿料的最大粒径 在25 ~ 53mm之间的热拌热铺沥青混合料,级配良好的I5AM可以抵抗较大的塑性和剪切变 形,承受重载交通的作用,具有较好的抗车辙能力,提高了沥青路面的高温稳定性;特别对于低 速、重车路段,需要的持荷时间较长时,设计良好的LSAM与传统沥青混凝土相比,显示出十分 明显的抗永久变形能力。
沥青混凝土强度主要是由内摩擦力和粘聚力形成,骨架密实型LSAM的内摩阻角平明显 大于普通沥青混合料,由于<p的温度敏感性较小,因而内摩擦力的变化也很小,强度衰减慢。 I5AM粗集料能形成良好的石一石接触,发挥骨架作用,在车轮荷载不断碾压或冲击下,不会 产生突然的大变形,集料间产生相对移动的可能性较小或产生的过程较慢,因此高温累计积变形(车辙)较小。LSAM承载能力高的另一个重要原因是:在同等的路面厚度或轮载作用范围 内,由于LSAM比普通AC粗集料粒径大,一方面,容易产生错动、滑动的小集料接触面数量减 少,而且粗集料传力方向明确且容易传力至基层,从而减少了斜截面上的剪切应力,提高了抗 剪强度,这也是LSAM与普通AC承载机理的主要区别之一。通常铺筑在表面层的下面,其上的细集料表面层,在保证必需的铺筑厚度和压实性的前 提下,应当尽可能减薄其厚度,以便最大限度地发挥ISAM抗车辙能力。大粒径集料的增多和矿粉 用量的减少,使得在不减少沥青膜厚度的前提下,减少了沥青总用量,从而降低工程造价。
(四) 纤维沥青混凝土
我国农村很早以前在砌筑土坯墙时在土中加入草(麦或玉米)秸之类的加强筋,对减小墙 体裂缝,增强墙体整体性起到了很好的效果。在沥青混凝土中掺加纤维,以改善沥青混凝土的 性能,提高沥青混凝土的高温稳定性,低温抗裂性、抗疲劳性、柔韧性、抗剥落性、抗磨耗性和水 稳性,以及抵抗反射裂缝等方面都有很好的功效。应用比较广泛的是聚脂类纤维博尼维(Boni fibers).聚丙烯睛纶纤维德兰尼特AS(Dolanit AS),国外的研究和应用实践表明,加筋纤维使沥 青混合料性能得到了普遍的提高,疲劳寿命提高了 25%-45%,车辙减少了 45% ~53%。
沥青中酸性树脂组分是一种表面活性物质,它在纤维表面产生的物理浸润、吸附甚至化学 键作用,使沥青呈单分子状排列在纤维表面,形成结合力牢固的“结构沥青”薄膜。由于纤维直 径极细,纤维加入致沥青用量增加,使沥青膜增厚。较厚的沥青膜减慢了沥青老化速率,从而 可长时间地维持其粘弹性,降低沥青的温度敏感性,改善沥青混合料的高温和低温性能。纤维 均匀分散在集料之间,使沥青矿粉不能形成胶团,减少油斑岀现的机率。短纤维在沥青基体内的分布是三向随机的,形成纵横交织的空间网络。纵横交错的纤维 形成的纤维骨架结构网跨越沥青混合料中的孔隙及裂纹,形成“桥架纤维”,使得裂纹扩展的能 量释放率减小,对沥青基体裂纹扩展起到阻滞作用,使沥青胶浆大大提高裂纹的自愈能力,增 强了弹性恢复,减缓车辙的加深速度。由于三维随机各向短纤维阻滞了裂纹的扩展,增加了弹性恢复,减缓了亚临界扩展,延长 了材料失稳扩展、断裂岀现的时间,因而材料抗疲劳强度得到明显改善。
(五) 土工合成材料加筋沥青混凝土
通常人们认为裂缝是沥青路面的主要缺陷之一。初期产生的裂缝对路面的使用性能无明 显影响,但随着雨水或雪水的侵入。路面强度明显降低,在大量行车荷载的作用下,产生冲刷、 剥落、唧浆、坑槽等破坏现象,因而,沥青路面的裂缝问题就和沥青混合料的高温稳定性、低温 抗裂性、耐久性等成为沥青路面设计中所考虑的主要问题之一。许多道路工作者对这些问题 进行了大量的研究。
为解决这一问题,道路工作者进行了很多尝试,在理论和实践上寻找解决途径,已经取得 了很好的效果。用土工合成材料加强沥青面层克服其性能上的不足是非常有效的方法之一。
土工合成材料在路面结构中能够以较大的变形吸收应力,扩散应力分布范围,从而减少应 力集中,裂缝的扩展角也有所增大,即裂缝会沿着更长的路径到达沥青面层表面,增强了延缓 裂缝作用。当格栅加入沥青混合料后,由于集料能穿过格栅的网状结构形成一个复合的力学 嵌锁体系,格栅与沥青混合料由于网孔的作用而相互嵌锁,限制了集料的位移,使格栅与沥青 混合料间的相互作用不只是表面摩擦,从而保持了矿质骨架的稳定,减少了变形,增强了抗车 辙能力。许多足尺试验研究表明,从减少反射裂缝和车辙的角度看,加铺格栅可以使路面结构 的使用寿命提高3倍以上;就疲劳开裂而言,可延长使用寿命约10倍。
(六) 半刚性面层
近年来,为了克服沥青路面的高、低温性能上的不足,吸取刚性路面的优点,国内外很多学 者进行了大量研究,开发出半刚性路面,即水泥一沥青复合材料面层,它是利用无机(水泥)一 有机(沥青)复合技术开发的具有特殊微结构的新型路面材料铺筑而成,是介于刚性和柔性路 面之间路用性能更趋合理的一种新型路面结构。在半刚性路面的水泥一沥青一骨料复合材料体系中,形成了 “水泥石骨架+粗骨料悬浮” 的密实型受力主体结构或“水泥石骨架+矿料骨架”的密实型双重骨架的受力主体结构。由于半刚性路面中水泥砂浆或水泥浆的存在,增大了材料的骨架组成部分,减小了沥青材 料的相对比例,从而减小了混合料的温度敏感性。另一方面,由于面层颜色的变浅,降低了路 面的吸热速率,使路面内部温度低于普通沥青路面的温度,使温度应力显著降低,与水泥混凝 土路面相比,半刚性路面的骨料含量相对较多,所以其面层胀缩系数大大降低。同时,混合料 具有一定的空隙率及沥青材料的存在,使得混合料本身具有弹性,对收缩和膨胀具有一定的缓 冲作用。这样面层可以不设或少设胀缝,大大提高了行车的舒适性。
(七) RCC + AC复合式路面结构
随着水泥混凝土路面施工工艺的不断发展,20世纪70年代中后期,美国、加拿大率先开 始研究碾压混凝土路面、碾压水泥混凝土(Roller Compacted Concrete,简称RCC) RCC是一种含 水率低、通过振动碾压施工工艺达到高密度、高强度的水泥混凝土。其特干硬性的材料特点和 碾压成型的施工工艺特点,使碾压混凝土路面具有节约水泥、收缩小、施工速度快、强度高和开 放交通早等技术经济上的优势。但RCC路面平整度差,难以形成粗糙面,在汽车高速行驶时 抗滑性能下降较快。平整度、抗滑性和耐磨性三方面的不足,使其难以在高等级公路上得到广 泛应用。随着路面结构研究的不断深入,修筑碾压水泥混凝土与沥青混凝土(RCC—AC)复合 式路面,能有效地解决RCC抗滑性、耐磨性和平整度的三大难题,从而使性质截然不同的两种 类型(RCC与AC)路面以复合的形式达到了高度统一与和谐。
RCC—AC复合式路面结构层中,沥青混凝土层在一定厚度范围内可改善行车的舒适性。 因此,随着沥青混凝土厚度的增加;下层RCC板的平整度可适当放宽,这样便于不同类型RCC 路面的施工。不仅如此,这种新型路面结构对下层的RCC材料要求也可适当放宽,如可掺加 适量粉煤灰或用低标号水泥、地方性非规格集料等材料,并可不考虑抗滑和耐磨性能,从而造 价得以降低。