杜晓萍 高宏刚 颜鲁春 王永宁
（1甘肃柳敦高速公路项目管理有限公司，甘肃 敦煌 736200；
2甘肃恒路交通勘察设计院有限公司，甘肃 兰州 730030；
3甘肃省高等级公路养护工程研究中心，甘肃 兰州 730030）
沥青路面在长期服役过程中容易受自然环境和车辆荷载作用而发生病害，尤其在极旱高温条件下，对沥青路面结构设计更是提出了较高要求[1-3]。柳敦二级公路位于敦煌市戈壁滩域内，该区域气候干燥，降雨量少，年昼夜温差及日昼夜温差大，严峻的气候环境导致沥青路面出现严重的泛油、车辙、拥包、裂缝等路面病害。
近年来，国内外学者对极端气候条件下的沥青路面性能进行了大量研究。冯涛等[4]结合工程实际对沥青路面进行了研究，发现沥青路面开裂的主要原因是极端气候环境条件的影响。杜镀等[5]通过建立极端气候环境条件下的路面温度模型，发现当沥青路面温度超过60℃时，沥青路面容易发生车辙等路面病害。田明等[6-7]通过实体工程探讨了沥青路面高温稳定性能的防治措施。但是，针对甘肃河西地区典型气候环境条件下的沥青路面结构设计尚鲜有研究。为此，本文结合柳敦二级公路实体工程，在其维修改造过程中，针对沥青面层结构及沥青混合料设计进行了论证与设计，以期为河西特殊气候环境条件下沥青路面的结构设计提供数据支撑。
在沥青面层结构组合设计中，较统一的理念是中下面层主要承受沥青路面的竖向剪力，即提供沥青路面的抗车辙能力，而上面层除提供行车舒适性外，还须兼顾防水抗滑的功能。针对柳敦二级公路维修改造工程实际，除采用上述理念外，还须照顾当地气候特点、原有二级公路病害成因、交通状况等。
原有二级公路高温性能表现不佳，且位于夏季高温区；
同时，虽然预期交通量达不到重载交通量，但时有大吨位货运车辆行驶。因此，柳敦公路新建路面下面层应着重考虑高温性能表现优越的材料组合，结合当地成功经验，下面层选用5cm厚AM-16型沥青混合料，这种间断级配的沥青混合料可充分发挥骨料之间的嵌挤力，提供充足的抗车辙能力，同时，虽然空隙率较大，但当地少雨，可消除空隙率较大的不利影响。而上面层选用4cm厚AC-13C型沥青混合料，可保证行车舒适性，且AC-13型较大的油石比也可为沥青面层的耐久性提供保证。
根据项目区气候特点及实际交通组成，在考虑高温性能时，除通过合理沥青面层结构组合设计外，还须进行混合料矿料级配设计。混合料矿料级配对混合料体积指标和性能影响较大，所选择的混合料矿料级配应能有效提高动稳定度和降低空隙率。同时，考虑到混合料的压实及现场铺筑的和易性，粗细集料的比例须合理设计。混合料级配设计常用方法是图解法，控制关键筛孔的通过率，根据实际原材料状况进行调整。矿料中的粗集料部分是影响沥青混合料压实和离析的主要原因，集料的最大粒径与路面厚度比例应根据规范规定，中下面层的集料最大粒径不宜超过层厚的2/3。粗集料的适量增加能有效提高动稳定度，使颗粒与颗粒之间互相嵌挤；
而细集料和填料对沥青混合料的体积指标相当敏感，把粗集料颗粒间的空隙充分填充，这样成型的沥青路面才会有较小的空隙率，减少水损害发生。
具体在沥青混合料级配设计时，AM-16应尽量靠近级配中值设计级配曲线，尤其是细集料不应过粗，应保证一定的油石比，为沥青混合料提供一定的耐久性。经设计，AM-16各筛孔通过率及油石比见表1。而在AC-13C设计时，应有效选择与控制4.75mm，2.36mm，0.075mm三个关键筛孔的通过率，在严格避免“驼峰”曲线的同时，4.75mm及以下筛孔通过率要接近偏中值以下，特别是2.36mm的通过率应尽可能小，这可避免混合料由于胶粉比的波动损害高温稳定性。经设计，Ac-13C各筛孔通过率及油石比见表2。
表1 AM-16筛孔通过率及油石比
表2 AC-13C筛孔通过率及油石比
项目上、下面层均采用70号基质沥青。
3.1 室内试验
按规范中推荐的AM型沥青混合料采用双面各50次的击实标准制备试件，马歇尔指标见表3。
表3 AM-16混合料指标
3.2 试验路验证调整
根据试验路铺筑效果，AM-16级配较为合适，但时值7月高温，在铺筑过程中下面层出现些许泛油现象，尤其在中午最高温时，铺筑后的路面泛油现象明显。鉴于此，为了进一步保证高温性能，将油石比在设计基础上下调0.1%，避免了铺筑过程及铺筑后的泛油现象。油石比调整后的AM-16混合料指标见表4。
表4 经试验路调整后的AM-16混合料指标
3.3 调整前后分析
通过试验路调整，AM-16型混合料在降低油石比后所有指标均符合规范要求。其中，空隙率增大，沥青饱和度降低；
稳定度提高，流值降低。值得注意的是，调整前沥青饱和度为54.7%，而调整后沥青饱和度为52.5%，前者更靠近中值55%，而后者有所减小而趋近50%。因此可推定，在敦煌地区，AM-16型沥青混合料设计时饱和度应小于55%，且尽量偏中值向下，才能减缓摊铺中泛油现象的发生。
规范中推荐二级公路AC型沥青混合料马歇尔试验采用双面击实各50次的击实标准。由于敦煌地区夏季高温，因此在进行AC-13C型沥青混合料设计时，从严比对双面击实各75次时各项指标的变化。
4.1 双面击实各50次的试验
双面击实各50次成型马歇尔试件，各指标见表5。
表5 双面击实各50次时马歇尔试件指标
4.2 双面击实各75次的试验
双面击实各75次成型马歇尔试件，各指标见表6。
表6 双面击实各75次时马歇尔试件指标
4.3 试验路验证调整
根据试验路铺筑效果，AC-13C级配较为合适，但在7月高温下，在铺筑过程中面层出现较严重的泛油现象，在中午最高温时，铺筑后第二天的上面层表面实测温度可达70℃，严峻的高温造成上面层泛油现象严重。鉴于此，为了避免泛油及高温车辙现象的发生，将油石比在设计基础上下调0.3%。调整后，铺筑过程及铺筑后的再无泛油现象。油石比调整后在双面击实各75次时的AC-13C混合料指标见表7。
表7 试验路调整后双面击实各75次时马歇尔试件指标
4.4 调整前后分析
比较5.0%油石比下不同击实次数的指标及经试验路调整后在4.7%油石比下双面各75次击实后的指标发现，数据均符合规范要求。在5.0%油石比下，双面各击实75次的指标相比双面各击实50次，沥青饱和度有所上升，达到69.9%，说明沥青混合料进一步密实，相同油量下饱和度指标增大。而经过试验路试铺后，在进一步降低油石比至4.7%的情况下，双面击实各75次的马歇尔试件的沥青饱和度为66.8%，比调整前降低了3.1%，基本上与调整前双面各击实50次时的饱和度（66.5%）相仿，这既说明了在高温性能优先保证时从严设计沥青混合料的重要性，又说明了双面击实各50次时的指标容易造成误差。
通过上述比较分析，说明在敦煌地区二级沥青路面AC-13C型混合料设计时，宜按照高速公路、一级公路从严设计，马歇尔击实试验应采用双面各75次的标准；
同时，针对夏季高温，为避免泛油乃至高温车辙、拥包的出现，应尽量降低混合料油石比，沥青饱和度应小于70%，并尽量接近65%。
1）本文根据柳敦二级公路维修改造工程实践，探讨了敦煌戈壁地区沥青路面结构组合的原则，结合当地工程经验，提出了柳敦二级公路沥青路面结构组合、沥青混合料类型及设计方案。
2）进行AM-16混合料设计时，级配曲线宜靠近中值，尤其是细集料部分不宜过粗。AM-16混合料饱和度应在55%以下，且尽量趋近50%。
3）进行AC-13C混合料设计时，级配曲线宜中值偏下；
二级公路宜参照高速公路、一级公路的马歇尔击实试验标准从严设计，采用双面各75次的标准；
同时，宜尽量降低混合料油石比，沥青饱和度应小于70%，并尽量接近65%，避免或减缓面层摊铺过程中或运营期的泛油、高温车辙及拥包现象。