湖北鄂东桥长江公路大桥引桥与接线路面结构设计与性能研究报告带格式.docx
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湖北鄂东桥长江公路大桥引桥与接线路面结构设计与性能研究报告带格式
湖北鄂东长江公路大桥
引桥及接线路面结构设计与性能
研
究
报
告
（一）
湖北鄂东长江公路大桥建设指挥部
武汉理工大学
二零零九年六月
第一章概述
1.1研究背景
湖北鄂东长江公路大桥位于长江湖北黄石水道上游，是沪蓉高速公路湖北省东段（武黄高速公路和黄黄高速公路）和国家高速公路网大庆至广州高速公路湖北段的共用过江通道，是交通部重点工程，也是湖北省公路主骨架的重要组成部分。
建设鄂东长江公路大桥，对于实现湖北省委、省政府提出的“中部崛起”的战略构思，完善区域的交通运输网络，都具有十分重要和紧迫的意义。
湖北鄂东长江公路大桥业经国家发展和改革委员会发改交运[2005]2684号文批准建设，是国家和湖北省交通重点建设项目。
2006年开工，2010年建成。
本项目起自黄冈浠水县，接黄梅至黄石高速公路，于浠水唐家湾附近跨越长江（即艾家湾桥位），止于黄石，接黄石至武汉高速公路。
路线全长约15.149KM，其中大桥全长约6.3KM，主桥主跨为926米混合梁斜拉桥，居世界同类桥梁第二位，为湖北第一桥。
新建接线长约4.9KM，改扩建路线长约4KM；全线在散花、花湖2处设置互通立交。
项目的气象、水文位于长江中下游滨湖丘陵区，大别山南麓，幕阜山北侧；区内分布丘陵、长江I级阶地（冲积平原）、湖泊等地貌。
桥位地处黄石市区东北，黄石市区三面环山，东北临江，地势最高为北风山，海拔487m,属北亚热带，季风气候和过渡性特征明显，热量充沛，无霜期长，日照充足，降水丰富，雨热同季等气候优势，又具有冬冷夏热，东干夏雨，气象灾害种类多、发生频繁等不利条件，尤其是旱涝灾害比较突出。
根据黄石气象站资料统计，年平均气温17.1℃，月平均气温28℃，极端最高气温40.3℃，极端最低气温－11℃，无霜期平均256.7天。
年平均降雨量1420.2mm。
本次试验研究是结合湖北鄂东长江公路大桥区域的工程地质实际和气候条件，在充分调研和大量室内试验的基础上，因地制宜的优选原材料，进行沥青面层混合料的配合比设计，一方面为大桥引桥及连接线的路面工程招标提供详实的数据基础，另一方面提出适合湖北鄂东长江公路大桥引桥及连接线的路面结构组合设计和性能的最佳方案供业主参考。
本研究报告分为如下两个部分：
（1）沥青面层原材料优选
（2）沥青面层目标配合比设计研究
1.2国内沥青路面现状调查
为了研究鄂东长江公路大桥引桥和连接线沥青路面的合理厚度、沥青混合料组成设计及沥青面层施工工艺，有必要对影响我国沥青路面使用性能的原因进行研究分析，为此，首先要调查了解路面的实际使用状况，全面总结沥青路面使用的成功经验和失败教训，找出我国高速公路沥青路面存在的不足。
对此，本课题组对湖北邻近几个省、直辖市的高速公路（包括正常路面、隧道、桥梁），尤其是工程环境与该高速公路类似的高速公路的路面结构及使用情况进行了广泛调查。
调查结果如下：
表1-1福建省高速公路沥青路面使用情况调查表
公路名称
通车时间
长度
路面结构及其材料组成
使用状况
编号
名称
沥青面层
联结层
基层
上面层
中面层
下面层
基层
底基层
厚度
材料组成
厚度
材料组成
厚度
材料组成
厚度
材料组成
厚度
材料组成
1
福泉高速公路
1998.5
320
4
AK-16A
5
AC-20Ⅱ
7
AC-25Ⅱ
1cm下封层
36
5%水泥稳定碎石
20
3%水泥稳定碎石
较好
2
泉漳高速公路
2002.5
180
4
AK-16A
5
AC-20Ⅱ
7
AC-25Ⅱ
1cm下封层
36
5%水泥稳定碎石
17
3%水泥稳定碎石
较好
3
三福高速公路
2004.9
280
4
AK-16A
5
AC-20Ⅱ
7
AC-25Ⅱ
1cm下封层
36
5%水泥稳定碎石
17
3%水泥稳定碎石
一般-
表1-2浙江省高速公路沥青路面使用情况调查表
公路名称
通车时间
长度
设计累计当量轴次
（万次）
路面结构及其材料组成
使用状况
编号
名称
沥青面层
联结层
基层
上面层
中面层
下面层
基层
底基层
厚度
材料组成
厚度
材料组成
厚度
材料组成
厚度
材料组成
厚度
材料组成
1
杭千高速公路
在建
64
2043
4
AK-13A
6
AC-20Ⅰ
7
AC-25Ⅰ
封层
36
5%水稳碎石
18
4%水稳碎石
一般
2
甬金高速公路
在建
74
1808
4
AK-13A
6
AC-20Ⅰ
8
AC-25Ⅰ
封层
36
5%水稳碎石
16
3.5%水稳碎石
一般
3
杭金衢高速公路（一期）衢州段
2001
43
1058
4
AK-13A
5
AC-20Ⅰ
7
AC-25Ⅰ
封层
32
二灰砂砾
20
二灰砂砾
局部有损坏
4
杭金衢高速公路（二期）衢州段
2003
57
797
4
AK-13A
5
AC-20Ⅰ
6
AC-25Ⅰ
封层
32
二灰砂砾
16
二灰砂砾
局部有损坏
5
杭宁高速公路二期
2002.11.28
75
2002
4
AC-13Ⅰ
6
AC-20Ⅰ
7
AC-25Ⅰ
封层
32
5%水稳碎石
18
3.5%水稳碎石
损坏较少
6
上三高速嵊州段
2000.12
40
1799
4
AC-13Ⅰ
5
AC-20Ⅰ
7
AC-25Ⅰ
封层
28
5%水稳碎石
20
3.5%水稳碎石
损坏严重
公路名称
通车时间
长度
路面结构及其材料组成
使用状况
备注
编号
名称
沥青面层
联结层
基层
上面层
中面层
下面层
基层
底基层
厚度
材料组成
厚度
材料组成
厚度
材料组成
厚度
材料组成
厚度
材料组成
1
常（德）张（家界）高速
在建
160.78
4
SAC
5
中粒式沥青砼
6
粗粒式沥青砼
30
6%水泥稳定碎石
15
4%水泥稳定碎石
一般
2
元江～磨黑高速
2003.12.28
147.37
4
中粒式沥青砼
5
中粒式沥青砼
6
粗粒式沥青砼
25~38
水泥稳定碎石
15
级配碎石
一般
3
石（家庄）安（阳）高速
1997.12.30
216
4
SLH-20
5
LH-30Ｉ
6
LH-35Ⅱ
20
水泥稳定碎石
一般
4
开（平）阳（江）高速
2003.9
126
4
AK-16A
5
AC-20I
6
AC-25I
1cm下封层
36
5%～6%水泥稳定碎石
20
3%～4%水泥稳定粒料
一般
潮湿段加15cm级配碎石垫层
5
湘潭～邵阳高速
2002.12
218.29
4
AK-13
5.5
AC-20
5.5
AC-20
6mm稀浆封层
17
5.5%水泥稳定碎石
20
4%水泥稳定碎石
一般
石质挖方段基层为10cm
6
南京机场
高速
1997.6.28
28.756
4.5
AC-16B
6
AC-25Ⅰ
6
AC-25Ⅱ
34
石灰、粉煤灰、碎石基层
20
石灰、粉煤灰土
一般
7
沪宁高速
1996.9.15
248.21
4
AC-16B
6
AC-25I
6
AC-25Ⅱ
20
二灰碎石
40
二灰土、二灰、石灰土
良好
表1-3其它部分高速公路沥青路面使用情况调查表
公路名称
通车时间
长度
路面结构及其材料组成
使用状况
编号
名称
沥青面层
联结层
基层
上面层
中面层
下面层
基层
底基层
厚度
材料组成
厚度
材料组成
厚度
材料组成
厚度
材料组成
厚度
材料组成
8
四川南广
高速
2004.6.20
69.761
4
SMA-13
5
AC-20
6
AC-20
10
ATB-30沥青稳定碎石
18
水泥稳定碎石
一般
22
级配碎石
9
广深高速
1993
122.8
4
沥青砼磨耗层
8
沥青砼
10
沥青碎石
10cm沥青碎石
23
水泥碎石
25
级配碎石
良好
10
广佛高速
1989
16
4
中粒式沥青砼
5
粗粒式沥青砼
6
沥青碎石
6cm沥青碎石
25
6%水泥稳定石屑
28
4%水泥稳定土
一般
11
沪杭高速
1998.12.29
151
4
中粒式沥青砼
6
粗粒式沥青砼
7
粗粒式沥青砼
37
二灰碎石
20
水泥碎石土
一般
12
郑（州）洛（阳）高速
1996
201.4
4
AC
5
粗粒式沥青砼
6
热拌沥青碎石
15
水泥二灰稳定碎石
40
石灰土
一般
13
安（阳）新（乡）高速
1998
121.7
4
AC
5
粗粒式沥青砼
7
热拌沥青碎石
20
水泥稳定碎石
35
二灰土
差
14
许（昌）漯（河）高速
1998.12.16
48.95
4
AC
6
粗粒式沥青砼
6
粗粒式沥青砼
25
水泥稳定碎石
35
石灰土
差
表1-4高速公路隧道沥青路面使用情况调查表
公路名称
通车时间
长度（m）
路面结构及其材料组成
使用状况
备注
编号
名称
沥青面层
基层
上面层
中面层
下面层
基层
底基层
厚度
材料组成
厚度
材料组成
厚度
材料组成
厚度
材料组成
厚度
材料组成
1
渝合高速公路尖山子隧道
2002.7
左4045
右4065
5
阻燃性沥青混凝土
自粘式玻纤格栅
24
C35混凝土
16
C15混凝土垫层
一般
特长隧道
2
深圳市盐（田）坝（岗）高速公路大梅沙隧道
2004.5
2666
4
沥青混凝土抗滑表层
5
中粒式沥青混凝土
24
碾压混凝土
8
碎石排水垫层
一般
3
福建省漳龙高速公路东家舍隧道
2002
350
SMA10改性沥青混凝土
自粘式玻纤格栅
4
改性沥青SuperpaveACS
25
C3.5水泥混凝土
15
C10贫混凝土找平层
一般
注：
以上各表除单独注明外，长度均以km计，厚度以cm计。
第二章沥青路面原材料的优选
根据项目实施进度计划，本着就地取材、因地制宜的原则，原材料中、下面层拟采用项目所在地黄石铁山宝峰石灰岩、黄石下陆振强石灰岩、武穴石灰岩做对比研究，上面层拟采用镇江茅迪玄武岩和京山玄武岩做对比研究。
下面层所用沥青为道路石油沥青70#，拟采用湖北鄂州壳牌公司沥青和湖北国创沥青公司沥青做对比研究。
中、上面层所用沥青为PG76-22SBS改性沥青，拟采用湖北鄂州壳牌公司沥青和湖北国创沥青公司沥青做对比研究。
上面层用纤维拟采用聚酯纤维和木质素纤维做对比研究。
矿粉为黄石市河口镇龙山粉磨厂生产矿粉，各种原材料的物理性能试验结果如下所示。
2.1.集料
2.1.1下面层用集料
中、下面层配合比所用集料为黄石铁山宝峰石灰岩、武穴石灰岩，集料的各项性能试验以及筛分结果如表2-1～2-3所示。
表2-1中、下面层石灰岩粗集料性能试验结果
料场
项目
黄石铁山宝峰
黄石振强
武穴
JTGF40-2004
规范要求
备注
石料压碎值（%）
21.3
22.7
24.1
≤28
－
洛杉矶磨耗损失
23.5
23.8
26.5
≤30
－
表观相对密度
2.725
2.716
2.710
≥2.50
16-31.5
2.723
2.717
2.724
4.75-16
2.731
2.719
2.745
2.36-4.75
吸水率
0.3
0.2
0.24
≤3.0
16-31.5
0.33
0.2
0.27
4.75-16
0.4
0.3
0.39
2.36-4.75
对沥青粘附性
5
5
5
≥4级
PG76-22
5
5
5
AH-70
坚固性（%）
1.3
1.5
1.9
≤12
－
细长扁平颗粒含量（%）
7.7
9.2
11.1
≤18
16-31.5
11.6
13.8
15.6
4.75-16
软石含量（%）
1.0
1.7
1.9
≤5
－
水洗法<0.075mm颗粒含量
0.2
0.5
1.2
≤1
－
表2-2集料化学成分分析试验结果
序号
料场名称
CaO
MgO
Fe2O3
Al2O3
TiO2
SiO2
烧失量
1
黄石铁山宝峰石灰岩
29.35
21.76
0.10
1.60
1.11
1.68
44.35
2
武穴石灰岩
28.17
22.79
0.14
1.53
1.13
1.68
44.67
3
黄石下陆振强石灰岩
-
-
-
-
-
-
-
表2-3中、下面层石灰岩细集料性能试验结果
黄石铁山宝峰
黄石振强
武穴
指标
表观相对密度
2.730
2.723
2.706
≥2.5
砂当量（％）
78.1
76.2
64.5
≥60
中、下面层石料试验结果表明，石灰岩能满足JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》相关技术要求，因取样进行试验研究前各石料场均未按标准的沥青混凝土石料规格进行控制，影响了级配的合成，黄石石灰岩细集料为<4.75mm的统料，应分成4.75-2.36mm、0~2.36mm两档。
2.1.2上面层用集料
上面层集料采用湖北京山玄武岩以及镇江茅迪玄武岩进行试验。
集料各项性能及筛分结果如表2-4～2-6所示。
表2-4上面层玄武岩粗集料性能试验结果
京山
镇江
JTGF40-2004规范要求
备注
石料压碎值（%）
14.8
15.8
≤26
－
洛杉矶磨耗损失（%）
16.2
18.3
≤28
－
表观相对密度
2.928
2.867
≥2.6
9.5-16
2.945
2.879
4.75-9.5
2.951
2.883
2.36-4.75
吸水率（%）
0.47
0.6
≤2
9.5-16
0.55
0.74
4.75-9.5
0.6
0.86
2.36-4.75
对沥青粘附性
5
5级
≥5级
PG76－22
坚固性（%）
3.4
4.1
≤12
－
细长扁平颗粒含量（%）
8.5
9.1
≤15
9.5-16
9.8
12.2
4.75-9.5
软石含量（%）
0.4
0.3
≤3
－
水洗法<0.075mm颗粒含量
0.5
0.3
≤1
－
上面层石料磨光值（BPN）
49
47
≥40
－
表2-5集料化学成分分析试验结果
序号
料场名称
CaO
MgO
Fe2O3
Al2O3
TiO2
SiO2
烧失量
1
京山玄武岩
-
-
-
-
-
-
-
2
镇江玄武岩
7.94
9.01
12.20
14.36
1.29
52.27
0.81
表2-6上面层细集料性能试验结果
厂
家
目
项
京山
镇江
JTGF40-2004规范要求
表观相对视密度
2.926
2.928
≥2.5
砂当量（％）
81
85.2
≥60
上面层石料试验结果表明，二家料场所生产的石料指标能够满足JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》相关技术要求。
同样因取样进行试验研究前各石料场均未按标准的沥青混凝土石料规格进行控制，影响了级配的合成，其中镇江茅迪0~2.36mm集料0.075mm筛孔通过率略显偏低，建议在选用材料时，必须严格要求料场准确控制生产所用料筛的规格，对不合适料筛进行适当调整。
2.2沥青
本次试验研究所用沥青包括四种：
下面层为湖北鄂州壳牌道路石油沥青70#，中面层为PG76-22SBS改性沥青，上面层为PG76-22SBS改性沥青。
道路石油沥青70＃及PG76-22SBS改性沥青分别选用湖北鄂州壳牌沥青公司和湖北国创沥青公司的相应产品，进行性能对比试验。
沥青的各项指标如表2-7～2-8所示。
表2-7道路石油沥青70#技术性能
项目
壳牌
国创
技术指标
针入度（25℃，5s，100g）（0.1mm）
74
73
60～80
延度（5cm/min，15℃）（cm）
>150
>150
≥100
软化点（环球法）（℃）
48.9
48.3
≥43
溶解度（三氯乙烯）（%）
99.8
99.7
≥99.5
薄膜烘箱老化
163℃，85min
质量变化（％）
-0.02
0.14
≤±0.8
针入度比（％）
77.7
65.8
≥58
残留延度（15℃）（cm）
>150
>150
≥15
闪点（COC）（℃）
325
315
≥260
含蜡量（蒸馏法）（％）
1.1
1.3
≤2.0
密度（15℃）（g/cm3）
1.032
1.033
实测
60℃动力粘度（Pa.S）
185
188
≥180
表2-8PG76-22改性沥青技术性能
项目
壳牌
国创
技术指标
针入度25℃，100g，5s（0.1mm）
52
59
30～60
针入度指数PI
0.03
0.03
≥0
延度5℃，5cm/min，（cm）
37.5
34.8
≥20
软化点TR&B，（℃）
88.5
85.8
≥70
运动粘度，135℃，（Pa·s）
2.07
1.87
≤3
闪点，（℃）
320
325
≥230
溶解度，（%）
99.7
99.6
≥99
弹性恢复25℃，（%）
90.9
84.9
≥75
贮存稳定性离析，48h软化点差，（℃）
0.3
2.3
≤2.5
TFOT后残留物
质量变化，（％）
-0.06
-0.03
≤±1.0
针入度比25℃,（％）
86.5
91.5
≥65
延度5℃，（cm）
21
20
≥15
道路石油沥青70#及PG76－22SBS改性沥青的国内外产品性能均符合JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》中相关技术要求。
2.3矿粉
本次试验所用矿粉为黄石河口镇龙山粉磨厂石灰岩矿粉，其各项技术性能试验结果如表2-9所示。
表2-9矿粉性能试验结果
项目
试验结果
技术指标
视密度（g/cm3）
2.709
≥2.5
含水量（%）
0.1
≤1
粒度范围
<0.6mm%
100
100
<0.15mm%
99.8
90～100
<0.075mm%
99.6
75～100
外观
无团粒结块
无团粒结块
亲水系数
0.6
<1
矿粉满足技术要求。
但由于矿粉粒度较细，经过较长时间的储存后容易发生团粒结块现象，因此在使用过程用必须注意防潮。
2.4纤维
本实验所采用的聚酯纤维和木质素纤维。
其相关物性指标见表2-10。
表2-10两种纤维的物性指标
聚酯纤维
絮状木质素纤维
抗拉强度/MPa
517±34.5
PH
7.5±1
平均长度/mm
6
平均长度/mm
1
密度/g·cm-3
1.3
密度/g·cm-3
0.9
平均直径/μm
25
平均直径/μm
45
比表面积/cm2·g-1
6500
比表面积/cm2·g-1
11000
第三章沥青面层目标配合比设计研究
3.1设计概述
随着我国交通事业的蓬勃发展，公路建设规模逐年扩大，尤其是高速公路建设里程的不断增加，对高质量的沥青路面的需求量越来越大。
但是我国沥青路面的早期破坏现象十分严重，实际使用3～5年后均出现较大面积的损坏，路面的使用质量和使用寿命普遍达不到应有的水平。
因此，与工程环境相匹配的沥青路面结构组合及科学的材料组成设计对路面的实际使用寿命尤为重要。
3.2设计相关知识内容
3.2.1沥青混合料级配类型
沥青混合料组成设计即确定集料的级配和最佳沥青用量。
不同级配类型的混合料其性能差别是很明显的，也各有特色，如悬浮密实型，骨架密实型和骨架空隙型。
（1）SMA
SMA是按照内摩擦力最大的原则，以间断级配的粗集料为主，形成相互嵌挤的矿料骨架，按较小的空隙率设计，以沥青玛蹄脂填充骨架的空隙，形成一种骨架密实的混合料。
SMA结构类型的优点是密实、粗糙度高、抗滑性能好，能适应大交通量，不易产生车辙，而且使用寿命长。
SMA混合料中粗集料和沥青含量较多，约占70%，粗集料间形成骨架嵌挤结构，高温稳定性较好，抗车辙能力显著，应该说SMA是一种比较好的级配类型。
只是SMA初期造价较高，一般适用于重交通高速公路。
（2）Superpave
Superpave混合料设计方法是美国战略公路研究计划（SHRP）的研究成果。
该混合料的特点是连续、嵌挤、密实。
Superpave级配设计的另一个重要特点是引入了限制区和控制点的概念，级配范围不固定，控制点少，且控制点范围较宽。
如Superpave25的限制区是0.3-4.75mm的一个纺锤型区间，主要考虑级配中不宜含有过多的细料，以避免混合料在铺筑过程中发生压实问题或抗永久变形能力不足。
（3）AC级配
目前，各地对于沥青混合料的设计基本上谨遵规范，采用I型级配混合料空隙率偏小，高温稳定性差，容易形成车辙；采用II型级配，空隙率偏大，稳定度较小，水稳性较差。
为此，一些学者借鉴SMA和Superpave级配的一些设计思想，对AC-I、II型级配进行了取长补短的改良。
主要思路体现在：
（1）不要求级配曲线走规范中值，而是按集料特性试配，在AC级配范围内选出混合料能满足规范各项技术指标即可，生产中以设计级配作为标准级配按一定误差范围进行控制；
（2）级配设计中以空隙率3%-6%作为油石比选择范围最佳油石比对应的空隙率应在4%左右。
为达到以上要求，在级配设计中减少粗集料中的大颗粒含量增加中间颗粒含量，使级配曲线呈现“S”型曲线。
合理采用规范规定的AC改进型级配AC-C型粗集料间趋
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