CN112832086B - 一种组合式超薄长寿命路面结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种组合式超薄长寿命路面结构及其施工方法，该结构包括抗滑磨耗层、耐久性承重层、抗疲劳层和高强度复合式基层，可以解决目前建筑市场砂石料短缺、提高长寿命路面使用性能、减少施工能耗和排放等问题。

Description

一种组合式超薄长寿命路面结构及其施工方法

技术领域

本发明涉及一种组合式超薄长寿命路面结构及其施工方法，属于道路工程领域。

背景技术

沥青路面是我国目前应用最为广泛的路面结构，然而，随着交通量的日益增长，道路环境的日益复杂，沥青的耐久性能、高温稳定性等路用性能已显得捉襟见肘，车辙、坑槽、疲劳开裂等病害频频出现，路面实际使用年限常常不到20年。目前，世界道路工程正朝着耐久、绿色、智能为特征的“第五代”智能道路转型发展，各种感知设备在路面结构中的应用也越来越多。周期性维修不仅会造成大量的资源浪费、环境问题，也会扰动和破坏路面结构中的感知设备，所以长寿命路面的呼声越来越高。

长寿命路面是指路面设计和建设后至少35～50年无结构性修复和重建，仅需针对面层损坏进行周期性修复。目前，欧洲和美国多采用柔性基层和热拌沥青混合料抗疲劳层、抗滑磨耗层组合的路面结构形式，我国长寿命路面大多采用在柔性基层上铺筑较厚的沥青混合料面层结构，或者在传统半刚性基层上铺设高性能沥青混合料面层。这些路面结构，在适宜的工况下取得了较好的效果，但由于路面结构厚度较大、沥青类材料的温度敏感性等问题，在节约建材资源、保护生态环境和提高路面结构耐久性等方面尚存在可进一步改善之处。

我国发明专利CN 103669154 A公开了一种结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面设计方法。该结构层寿命逐层递增的耐久性沥青路面由耐久性面层、长寿命基层、永久性路基构成，其中耐久性面层由优质高性能沥青混合料铺筑而成，厚度为18cm～36cm，长寿命基层由优质无机结合料稳定类基层铺筑而成，厚度为60cm～80cm，永久性路基为路堤或路堑，整个路面结构厚度为78cm～116cm。

我国发明专利CN 103243626 A公开了一种适用于重载交通的半刚性基层沥青路面耐久性结构，自上而下包括如下结构层：4cm表面层为改性SAC沥青混凝土，改性沥青防水粘结层，6cm中面层为重质SAC沥青混凝土，2cm下面层为改性SAC沥青混凝土，改性沥青防水粘结层，四层半刚性基层分别厚20cm以及土基，整个路面结构层厚度大于92cm。

可见，目前长寿命路面结构中存在两个方面的典型问题，一是路面结构层数多，结构层厚度大。二是沥青路面本身存在温度稳定性差、疲劳极限低、施工能耗和排放大等问题。三是各结构层之间协调配合作用发挥的不够明显，各结构层性能优势无法在整个路面结构中完美体现。

发明内容

本发明克服了上述现有技术的不足，提供一种组合式超薄长寿命路面结构及其施工方法，该结构包括抗滑磨耗层、耐久性承重层、抗疲劳层和高强度复合式基层，可以解决目前建筑市场砂石料短缺、提高长寿命路面使用性能、减少施工能耗和排放等问题。

一种组合式超薄长寿命路面结构，所述路面结构由上到下依次包括抗滑磨耗层、耐久性承重层、抗疲劳层、高强度复合式基层；

所述抗滑磨耗层由改性沥青混合料铺筑而成，层厚2～5cm；

所述耐久性承重层由聚氨酯混合料铺筑而成，层厚6～10cm；

所述抗疲劳层由聚氨酯橡胶粉混合料铺筑而成，层厚5～6cm；

所述高强度复合式基层其构成自上而下为水泥稳定碎石底基层、水泥稳定碎石基层、大孔隙聚氨酯碎石基层。

进一步的，上述改性沥青混合料由改性沥青、玄武岩集料和石灰石矿粉混合而成，改性沥青用量为混合料总量的5～7％，所述的改性沥青为成品SBS改性沥青、橡胶粉改性沥青和聚氨酯改性沥青中的一种。

进一步的，上述聚氨酯混合料由聚氨酯胶结料、集料和石灰石矿粉在常温下拌和而成，聚氨酯胶结料、集料和石灰石矿粉按照质量比(3～8)：(85～92)：(5～12)混合。

进一步的，上述聚氨酯橡胶粉混合料为聚氨酯胶结料、集料、石灰石矿粉和橡胶粉在常温下拌和而成的聚氨酯混合料，其中橡胶粉与聚氨酯胶结料的质量比例为(15～25)：(75～85)，聚氨酯胶结料、集料和石灰石矿粉之间的质量比为(4～7)：(86～90)：(4～10)。

进一步的，上述水泥稳定碎石底基层采用骨架密实型级配，由集料和水泥混合而成，0～5mm、5～10mm、10～30mm的集料按照(30～40)：(40～50)：(15～25)的比例混合，水泥剂量为3％～7％，压实度不小于96％，7天无侧限抗压强度为4～5MPa，层厚15～25cm。

进一步的，上述水泥稳定碎石基层采用骨架密实型级配，由集料和水泥混合而成，0～5mm、5～10mm、10～30mm的集料按照(30～40)：(40～50)：(17～25)的比例混合，水泥剂量为4％～8％，压实度不小于97％，7天无侧限抗压强度为5～7MPa，层厚10～15cm。

进一步的，上述大孔隙聚氨酯碎石基层由聚氨酯胶结料和集料组成，聚氨酯胶结料与集料之间的质量比为(2～5)：(95～98)，层厚5～10cm。

上述组合式超薄长寿命路面结构的制备方法，包括如下步骤：

1)按上述配制水泥稳定碎石底基层、水泥稳定碎石基层、聚氨酯橡胶粉混合料、聚氨酯混合料、改性沥青混合料；

2)将步骤1)获得的水泥稳定碎石底基层采用厂拌法施工，控制压实时混合料的含水量，15t振动压路机进行碾压，由两侧向中间碾压，压实度不小于96％；

3)将步骤1)获得的水泥稳定碎石基层采用如步骤2)的施工方法铺设在水泥稳定碎石底基层之上，水泥稳定碎石基层压实度不小于97％；

4)步骤1)获得的大孔隙聚氨酯碎石基层采用间歇式沥青混合料拌和站进行混合料生产，将大孔隙聚氨酯碎石基层铺设在步骤3)获得水泥稳定碎石基层之上；

5)步骤1)获得的聚氨酯橡胶粉混合料采用间歇式沥青混合料拌和站进行混合料生产，施工过程中无需对原材料加热，采用沥青混合料摊铺机进行摊铺，摊铺在步骤4)获得的大孔隙聚氨酯碎石层之上，摊铺机的铺设速度1.5～2.0m/min，采用钢轮压路机静压2～4遍，压路机速度为2.5～3.5km/h，压实后获得抗疲劳层，压实24～36h后可进行下一层次施工；

6)步骤1)获得的聚氨酯混合料采用步骤5)的铺设方法，摊铺在步骤5)获得的抗疲劳层之上，压实后获得耐久性承重层，压实24～36h后可进行下一层次施工；

7)步骤1)改性沥青混合料铺设抗滑磨耗层的施工方法同常规热拌改性沥青混合料的施工方法，混合料铺设在步骤6)获得的耐久性承重层之上，至此形成了组合式超薄长寿命路面结构。

进一步的，上述聚氨酯胶结料是按照专利CN109180071B中所述方法制备的单组分湿固化胶结料；上述集料为石灰岩、玄武岩和辉绿岩中的一种，含水率不大于1％，含土量不大于1％。

有益效果：

(1)复合式基层承载能力强。大孔隙聚氨酯碎石基层是作为一种新型的基层材料，与其它类型基层材料相比，具有较好的温度稳定性、水稳定性和耐久性，强度和刚度高，整体性好，不会产生温缩和干缩裂缝，抗冲刷能力强，有效保证了整个路面结构的承载能力和稳定性。采用水泥稳定碎石和大孔隙聚氨酯混合料共同组成的复合式基层结构，既不同于传统的半刚性基层也不同于柔性基层结构。其结构强度大，承载能力高，水稳定性优异，解决了半刚性基层易产生反射裂缝等问题，在60～70年内不会产生结构性破坏。

(2)结构层厚度小，节能减排。相对于常规的组合式长寿命沥青路面，结构层厚度减薄30～40cm，节约大量筑路材料。抗疲劳层和耐久性承重层的聚氨酯混合料冷拌生产，无需对集料和集料进行加热，降低了施工能耗，减少了碳排放。

(3)疲劳极限高，抗温度稳定性好，耐久性好。抗疲劳层的聚氨酯混合料疲劳极限在300με左右，即使在重载交通作用下，路面结构层层底弯拉应变也小于其疲劳极限，故抗疲劳层混合料将拥有无限长的使用寿命。聚氨酯作为一种反应型结合料，其混合料的温度稳定性好，承载层和抗疲劳层不易产生温度变形。同时，承重层聚氨酯混合料形成骨架嵌挤结构，使其既具有较高的劲度模量、抗车辙能力和耐久性，从而有效保证了路面结构的使用寿命。

(4)抗车辙能力强，养护维修方便。抗滑磨耗层采用热拌改性沥青混合料，一方面具有较强的抵抗温度变形的能力，有效减少辙槽等病害的产生，另一方面便于维修养护，当路面出现车辙、坑槽等功能性损坏时，可以直接进行抗滑磨耗层的加铺、铣刨或再生等养护工作，不影响路面结构强度和承载力。

附图说明

图1组合式超薄长寿命路面结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域人员更好地理解本申请中的技术方案，下面结合实施例对本发明作进一步说明，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部，本发明不受下述实施例的限制。

《交通强国建设纲要》中明确提出“促进资源节约集约利用”和“强化节能减排和污染防治”。本发明提出了一种低碳环保的组合式超薄长寿命路面结构，整体性及耐久性好，可以有效较少养护维修次数，节约投资，提高公路服务水平，同时结构层较薄，可节约大量筑路材料，减少能量消耗和排放，可为公路建设高质量绿色发展服务。

实施例1组合式超薄长寿命路面结构的工程应用

2020年10月27日，组合式超薄长寿命路面结构应用于山东省临沂市黄海四路(芦山路至岚济路)K3+381平交口处、K3+460～K3+960，具体路面结构为水泥稳定碎石+大孔隙聚氨酯碎石+橡胶粉聚氨酯混合料层+聚氨酯混合料层+抗滑磨耗层，路段长度为600m。

1、各结构层材料组成

水泥稳定碎石由0～5mm、5～10mm、10～30mm的集料，按照35:45:20的比例配合，合成级配见表1所示。

表1水泥稳定碎石合成级配

大孔隙聚氨酯碎石基层采用0～3mm、3～5mm、5～10mm、10～20mm、20～30mm的集料按照28:24:28:12:8比例混合配制而成，合成级配见表3，聚氨酯用量为3.0％。

表3大孔隙聚氨酯碎石合成级配

聚氨酯混合料抗疲劳层采用悬浮密实结构聚氨酯橡胶粉混合料，选用40目的橡胶粉，橡胶粉与聚氨酯胶结料的比例为18:82，由石灰石矿粉、0～3mm、3～5mm、5～10mm、10～20mm的石灰岩集料，按照6:33:24:18:19比例配制而成，合成级配见表4所示，聚氨酯用量为4.1％。

聚氨酯混合料承重层采用悬浮密实结构聚氨酯混凝土，由石灰石矿粉、0～3mm、3～5mm、5～10mm、10～15mm的石灰岩集料，按照8:34:22:20:16比例配制而成，合成级配见表4所示，聚氨酯用量为4.2％。

抗滑磨耗层采用SBS改性沥青混合料，SBS改性沥青混合料由SBS改性沥青、玄武岩集料和石灰石矿粉混合而成，其中SBS改性沥青的针入度为42，软化点为88℃，135℃布氏黏度为2.5Pa.s，石灰岩矿粉、0～3mm、3～5mm、5～10mm、10～15mm的玄武岩集料，按照7:34:24:12:23比例配制混合，合成级配见表4所示，沥青用量为5.8％。

表4混合料矿料级配范围

2、施工方法

水泥稳定碎石层采用厂拌法施工，控制压实时混合料的含水量，15t振动压路机进行碾压，由两侧向中间碾压，直到压实度大于等于97％。

悬浮密实结构聚氨酯橡胶粉混合料和悬浮密实结构聚氨酯混合料采用间歇式沥青混合料拌和站进行混合料生产，施工过程中无需对原材料加热，由自卸汽车运输至施工现场，采用沥青混合料摊铺机进行摊铺，摊铺机速度1.5m/min，采用钢轮压路机静压2～4遍，压路机速度为2.5～3.5km/h，每层压实24～36h后可进行下一层次施工。

抗滑磨耗层施工方法同常规热拌改性沥青混合料。

3、检测结果

施工结束后对超薄组合式长寿命路面进行检测，检测结果见表5所示。

表5聚氨酯混合料路面实测项目结果

项目	测试结果
		压实度(％)	98
国际平整度指数(IRI)(m/km)	1.2
		构造深度MDT	0.86
弯沉代表值(0.01mm)	2.1

由表5中的测试结果可知，超薄组合式长寿命路面的检测结果均满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)相关指标要求，国际平整度指数IRI为99.3，说明此路面结构具有较好的行驶舒适性；构造深度大，路表面具有较好的抗滑性能；弯沉代表值非常小，仅为2.1，说明此路面结构具有较高的承载力。采用超薄组合式长寿命路面，相对于常规的全厚式和组合式长寿命沥青路面，具有较好的行驶舒适性、较高承载力、耐久性和抗车辙能力，能够满足高性能路面的使用要求。

实施例2组合式超薄长寿命路面结构的对比

1、路面结构组成优势

选择典型的组合式长寿命沥青路面和组合式长寿命沥青路面进行对比分析，路面结构见表6，全厚式超薄长寿命路面总厚度仅为结构二和三的81.0％和41.5％，大幅减薄了长寿命路面厚度。

表6路面结构及厚度

2、路面结构成本优势

以长1km路面宽度25m的高速公路为例，按照当前材料市场价格，对表6中拟定的三种路面结构的各类材料用量及成本进行计算，计算结果见表7。

表7 3种路面结构材料用量及成本

分析表7中数据可知，相对于常规长寿命路面结构，超薄长寿命路面的抗疲劳性能优异，路面结构整体性好，超薄长寿命路面大幅减薄路面结构厚度，混合料用量相对于结构二和结构三分别减少15.2％、56.6％，材料成本相对于结构二增加了3.5％，相对于结构三减少了8.1％，同时由于超薄长寿命路面中聚氨酯混合料采用常温施工，相对于结构二和三分别减少了90.2％和84.6％的CO₂排放和天然气消耗。综上所述，所推荐的全厚式超薄长寿命路面结构具有显著的经济环保效益，推广应用价值大。

Claims (4)

1.一种组合式超薄长寿命路面结构，其特征在于，所述路面结构由上到下依次包括抗滑磨耗层、耐久性承重层、抗疲劳层、高强度复合式基层；

所述抗滑磨耗层由改性沥青混合料铺筑而成，层厚2~5cm；

所述耐久性承重层由聚氨酯混合料铺筑而成，层厚6~10cm；所述的聚氨酯混合料由聚氨酯胶结料、集料和石灰石矿粉在常温下拌和而成，聚氨酯胶结料、集料和石灰石矿粉按照质量比（3~8）：（85~92）：（5~12）混合；

所述抗疲劳层由聚氨酯橡胶粉混合料铺筑而成，层厚5~6cm；所述的聚氨酯橡胶粉混合料为聚氨酯胶结料、集料、石灰石矿粉和橡胶粉在常温下拌和而成的聚氨酯混合料，其中橡胶粉与聚氨酯胶结料的质量比例为（15~25）：（75~85），聚氨酯胶结料、集料和石灰石矿粉之间的质量比为（4~7）：（86~90）：（4~10）；

所述高强度复合式基层其构成自上而下为水泥稳定碎石底基层、水泥稳定碎石基层、大孔隙聚氨酯碎石基层；所述的水泥稳定碎石底基层采用骨架密实型级配，由集料和水泥混合而成， 0~5mm、5~10mm、10~30mm的集料按照（30~40）：（40~50）：（15~25）的比例混合，水泥剂量为3%~7%，压实度不小于96%，7天无侧限抗压强度为4~5MPa，层厚15~25cm；所述的水泥稳定碎石基层采用骨架密实型级配，由集料和水泥混合而成， 0~5mm、5~10mm、10~30mm的集料按照（30~40）：（40~50）：（17~25）的比例混合，水泥剂量为4%~8%，压实度不小于97%，7天无侧限抗压强度为5~7MPa，层厚10~15cm；所述的大孔隙聚氨酯碎石基层由聚氨酯胶结料和集料组成，聚氨酯胶结料与集料之间的质量比为（2~5）：（95~98），层厚5~10cm。

2.如权利要求1所述的路面结构，其特征在于，所述的改性沥青混合料由改性沥青、玄武岩集料和石灰石矿粉混合而成，改性沥青用量为混合料总量的5~7 %；

所述的改性沥青为成品SBS改性沥青、橡胶粉改性沥青和聚氨酯改性沥青中的一种。

3.如权利要求1或2所述的路面结构，其特征在于，所述的集料为石灰岩、玄武岩和辉绿岩中的一种，含水率不大于1%，含土量不大于1%。

4.如权利要求1所述的组合式超薄长寿命路面结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）按权利要求1所述的路面结构配制水泥稳定碎石底基层、水泥稳定碎石基层、聚氨酯橡胶粉混合料、聚氨酯混合料、改性沥青混合料；所述的改性沥青混合料由改性沥青、玄武岩集料和石灰石矿粉混合而成，改性沥青用量为改性沥青混合料总量的5~7 %；所述的改性沥青为成品SBS改性沥青、橡胶粉改性沥青和聚氨酯改性沥青中的一种；

2）将步骤1）获得的水泥稳定碎石底基层采用厂拌法施工，控制压实时混合料的含水量，15t振动压路机进行碾压，由两侧向中间碾压，压实度不小于96%；

3）将步骤1）获得的水泥稳定碎石基层采用如步骤2）的施工方法铺设在水泥稳定碎石底基层之上，水泥稳定碎石基层压实度不小于97%；

4）步骤1）获得的大孔隙聚氨酯碎石基层采用间歇式沥青混合料拌和站进行混合料生产，将大孔隙聚氨酯碎石基层铺设在步骤3）获得水泥稳定碎石基层之上；

5）步骤1）获得的聚氨酯橡胶粉混合料采用间歇式沥青混合料拌和站进行混合料生产，施工过程中无需对原材料加热，采用沥青混合料摊铺机进行摊铺，摊铺在步骤4）获得的大孔隙聚氨酯碎石层之上，摊铺机的铺设速度1.5~2.0 m/min，采用钢轮压路机静压2~4遍，压路机速度为2.5~3.5 km/h，压实后获得抗疲劳层，压实24~36h后可进行下一层次施工；

6）步骤1）获得的聚氨酯混合料采用步骤5）的铺设方法，摊铺在步骤5）获得的抗疲劳层之上，压实后获得耐久性承重层，压实24~36h后可进行下一层次施工；

7）步骤1）改性沥青混合料铺设抗滑磨耗层的施工方法同常规热拌改性沥青混合料的施工方法，混合料铺设在步骤6）获得的耐久性承重层之上，至此形成了组合式超薄长寿命路面结构。

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