大粒径透水性沥青碎石混合料柔性基层技术应用与探讨

李金成

［摘要］通过滨德高速公路的修建，重点对大粒径透水性沥青混合料作为柔性基层，其作用性能及施工质量控制做详细的分析，并对存在的问题进行了认真的探讨。

［关键词］高速公路；大粒径透水性沥青混合料；应用；探讨

1概况

1.1滨州至德州公路是国家重点公路东营至香港（口岸）公路滨州至衡水支线的重要路段，该路段在山东境内途径滨州和德州两市，是连接渤海湾经济区尤其是胶东半岛北部沿海港口与其经济腹地的高速通道。其东起滨州市，与国家高速公路长春至深圳公路和荣城至乌海公路相连，西至德州市，与已建成的德州至衡水高速公路相连。同时，该路段还是山东省规划的“五纵连四横、一环绕山东”高速公路网 “一横”和“一环”的重要组成部分。

1.2路面结构设计为：上面层（4cm）--沥青玛蹄脂碎石混合料（SMA-13）；中面层（6cm）—中粒式沥青混凝土（AC-20C）；下面层（8cm）—粗粒式沥青混凝土（AC-25C）；基层（12cm）—大粒径沥青碎石（LSPM-30）；基层（2*18cm）—水泥稳定碎石；底基层（20cm）—二灰土（石灰、粉煤灰稳定土，外掺1.5%水泥）。山东省经过对大粒径透水性沥青混合料柔性基层（LSPM）试验路建成通车以来，大力推广该种结构，为此在滨德高速公路的修建中同样也采用了大粒径透水性沥青混合料。本文将重点介绍大粒径透水性沥青混合料在滨德高速公路的应用，以及对目前应用过程中存在的问题予以探讨。

2LSPM性能及作用

2.1 高温稳定性：

LSPM为单一粒径骨架嵌挤型混合料，9.5mm以上粗集料比例在70%左右，形成了完成的骨架嵌挤，因此具有良好的高温稳定性。评价混合料高温稳定性的试验方法有多种，通常我们采用的方法是动稳定度试验，即车辙试验。沥青混合料车辙试验是试件在规定温度及荷载条件下，测定试验轮往返行走所形成的车辙变形速率，以变形稳定期内每产生1mm变形的行走次数即动稳定度表示。

由于LSPM粒径较大，一般情况下最大粒径可达到37.5mm，因此传统的5cm 车辙试件厚度已不适用。对于LSPM应有较小压实厚度，当车辙试件厚度小于该厚度时，粗集料之间不能形成良好的骨架结构，集料之间不能互相嵌挤，此时的试验数据不能反映真实情况。根据混合料压实厚度应为最大公称粒径的3-4倍原则，通过山东省其他已完成高速所提供的试验验证，表明对于LSPM车辙试验最小应采用8cm厚度，试验温度采用现行规范中的规定的60℃。

2.2水稳定性：

沥青混合料在浸水条件下，由于沥青与矿料的黏附力降低，表现为混合料的整体力学强度降低。尤其对于LSPM，由于空隙较大，沥青用量少，矿料之间的接触点比普通沥青混合料少，对于LSPM的胶结料宜采用较高黏度的改性沥青，以形成较厚的沥青膜，可使沥青膜的厚度大于12μm。由于目前没有统一的标准，因此，对于LSPM的水稳定性主要从保证沥青膜厚度即沥青含量进行检验与控制。

2.3疲劳性能：

沥青路面的疲劳开裂也是沥青路面最主要的破坏模式之一。沥青路面使用期间，经受车轮荷载的反复作用，其应力或应变长期处于交迭变化状态，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定的次数以后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过路面结构强度下降后的结构抗力，会在路面处治层底部产生疲劳开裂，在荷载继续作用下，裂缝扩展至表面形成疲劳裂缝。

LSPM为嵌挤型混合料，粗集料比例较大，沥青用量较低，空隙率较大，因此其疲劳性能要较密级配、密实型沥青混合料低，但与密级配沥青稳定碎石疲劳性能相当。借鉴以往工程和经验算LSPM层出现较大拉应力时，可采用以下两种方法改善结构抗疲劳性能：

2.3.1精心进行路面结构组合设计，让LSPM层处于受压区域，基本上不出现拉应力。

2.3.2在LSPM层下增设细粒式沥青混合料抗疲劳层。

2.4渗透性能：

LSPM的主要功能之一是能将渗入路面中的水迅速排除，因此，渗透性是评价透水性沥青混合料最为关键的指标之一。透水性能常用渗透系数表示。

根据以往山东省已完工程及相关课题研究，对于LSPM当空隙率达到13%时，混合料的渗透系数发生突变，而空隙率达到18%以后渗透系数变化不明显，一般渗透系数为0.01cm/s到1.0cm/s之间，此时能够满足混合料排水性的要求，而对密级配沥青混合料即使空隙率达到10%，其渗透系数的数量级一般为10-5，即混合料的渗透性能不仅与空隙率有关。

目前测试渗透系数的方法采用ASTM PS129-01中规定的无侧向渗水仪（见下图），无侧向渗水仪的基本原理是让量筒里的水渗透饱水瀝青混合料并记录达到预先设定水头落差位置的时间间隔，然后用达西定律计算沥青混合料的渗透系数。

渗透系数K由下式计算：

K=(al/At)ln(h1/h2)

式中：K——渗透系数，cm/s;

a——量筒内径面积，cm2;

l——试件厚，cm;

A——试件横截面积，cm2;

t——水头高计时刻度至低计时刻度花费时间，s;

h1——时间t1水头高度,cm;

h2——时间t2水头高度，cm。

图—无侧向渗水仪

2.5抵抗反射裂缝能力：

由于作用于路面的实际荷载为运动荷载，总会经历对称加载和非对称加载过程，在交通荷载作用下导致基层或旧路面中的裂缝向沥青面层反射的主要原因是裂缝尖端剪应力的奇异性。无论是对称荷载还是分对称荷载作用，裂缝尖端的应力强度因子都将随着加铺基层模量的增大而增大。LSPM由于空隙率较大、沥青含量低，因此其模量也较低，一般在400—600Mpa之间，远较密级配沥青混合料低。

根据断裂力学及以往施工经验分析，混合料中没有空隙或空隙非常小时，无论是对称荷载还是分对称荷载作用，裂缝尖端应力状态都有很大的奇异性，当存在较大空隙时将极大地消减了裂缝尖端的应力集中，即说明在裂缝扩展过程中，大空隙的存在能阻碍裂缝进一步的发展。

综合以上对LSPM性能的分析，可以得到的性能优点：

①LSPM由于粗集料形成了完整的骨架嵌挤结构，具有较强的抵抗车辙变形能力；

②采用了较高黏度的改性沥青，沥青膜厚度较大，具有较高的水稳定性；

③空隙率较大，渗水系数能够满足结构排水要求，能够将渗入路面的水分迅速排出结构以外；

④由于其模量不是非常高，而且存在大量的连通空隙，具有很高的抵抗反射裂缝能力。

3 LSPM柔性基层质量控制

对于LSPM现场压实度采用空隙率与压实度双指标进行控制，从路面取芯样以二次封蜡法或计算法进行测试，混合料理论最大密度采用计算法，另外还需要通过压实遍数来进行压实控制。由于现场压实与室内击实存在差别以及现场沥青封层和石屑的上浮，造成混合料底部比较密实也影响了空隙率，综合考虑各种因素，现场路面钻芯取样检测空隙率宜控制在平均值为13%-18%，极值为20%，考虑空隙率测定方法的不同，在正式实施时还可以进行调整；压实度的控制与普通沥青混合料相同，不应小于98%。现场芯样的检验频率按照规范要求进行，或根据招标文件要求进行。

拌和站控制室要逐盘打印沥青及各种矿料的用量与拌和温度，同时由质检人员检验混合料出厂温度、摊铺温度和碾压温度，并对混合料进行目测，检验有无花白料、严重离析现象等。每天结束后，用拌和站打印的各种数量、以总量控制的各仓用量及各仓级配计算平均施工级配、油石比和抽提结果相比较。

另外对于混合料质量控制，以每天分别从拌和站和摊铺现场取样进行抽提和筛分试验，每天至少两次，每次取样不少于4kg。由于LSPM的级配是根据粗集料的骨架和体积状态以及细集料的填充状态，通过实际计算而得到，级配范围随着原材料的体积性质不同而有所变化，但是为了便于对施工质量的控制，通过国内资料的查询，在级配控制时采用对重点筛孔进行重点控制，主要为0.075、4.75、9.5、13.2、26.5、31.5mm各级必须满足范围要求，根据重点筛孔偏差范围可以制定相应施工控制范围要求，其余筛孔允许有一点超出施工级配要求范围，沥青含量允许偏差为±0.2%。另外还需要对拌和站进行逐盘与总量检验。

混合料的级配曲线以抽提筛分结果为准，由于拌和站热料仓取样偏差比较大，不以热料仓筛分根据比例计算为控制要求。混合料在取样时应尽量避免离析，可以多取一些然后进四分法控制。同时为防止由于沥青含量过高而发生析漏，混合料还需要进行析漏试验，要求析漏量小于0.2%。

4大粒径透水性沥青混合料（LSPM）柔性基层有关问题探讨

4.1施工时的离析问题。由于大粒径透水性沥青混合料（LSPM）柔性基层为开级配的沥青混合料，所以集料在堆积和运输、汽车装卸料、摊铺机铺筑作业的过程中无法避免沥青混合料产生离析，而且通过现场实際施工观察，离析的程度相当严重。离析是混合料中的粗集料与细集料分离开来，呈现出粗集料在某一部位局部集中的现象，切离析是大碎石的固有级配特性所决定的，要改善离析所产生的危害，一方面在在料场尽可能减少料堆的高度，减少随机离析。同时在卸料、运输方面注意严格按“三盘”卸料法和减少制动等措施；另一方面从摊铺机上着手，对现有摊铺机增设二次搅拌设备，同时对螺旋布料器加以改良，采用传输带分布卸料，整个摊铺机的机构应注意作相应调整。

4.2选择合适的改性沥青问题。由于大粒径透水性沥青混合料（LSPM）柔性基层的空隙率大，尽管骨料级配是骨架-空隙结构，内摩擦角j大，但骨料之间的粘结力c就偏小，所以沥青膜的厚度和沥青质量的优劣将直接影响LSPM的耐久性，同时石料与沥青的粘结抗剥和抗水损害相当重要的。本工程根据设计图纸和业主要求，采用MAC-70号改性沥青或SBSI-D改性沥青。MAC-70号改性沥青应满足相关要求，SBS改性沥青技术要求参考《公路沥青路面施工技术规范》。

4.3空隙率大而无具体标准致使施工控制与管理较难。本工程大粒径透水性沥青混合料（LSPM）柔性基层设计时以13～18％的空隙率为控制指标，实际施工时由于离析等原因，致使大粒径沥青混合料的空隙率难控制，无形中难以把握和检测压实程度，由于振动压路机容易震碎粗细骨料，所以造成该层的级配、内摩擦角j和粘结力c都相应的改变了，该层的耐久性将很难保证。实际施工时，人为控制压实效果的因素占相当大的比重，碾压时往往是根据碎石是否震碎来调整压路机的震幅和频率，对整体层次的压实度均匀性和一致性不免产生不良影响，对路面的整体使用效果也可能产生较为不利的影响。

4.4大粒径透水性沥青混合料（LSPM）柔性基层摊铺很难保证一致带来的问题。由于改建路或下层表面平整度不符合要求，致使找平层厚度不均，整条路的大粒径透水性沥青混合料（LSPM）柔性基层总厚度不等，且实际施工时最大压实层厚也很难固定，所以造成了该层的级配不良和压实度不均匀，以上两指标的不良，影响路面整体的使用寿命。

5结束

目前全国公路通车总里程已突破200万公里，其中沥青路面道路占了大多数。由于经济、技术等原因，以石灰稳定类和水泥稳定类为主的半刚性基层沥青路面是目前已建沥青路面的主要结构形式。已建半刚性基层沥青路面经过一段时间使用后，会出现不同程度的损害，必须进行加铺改造，以恢复路面的使用功能，尤其当路面出现早期损害后，加铺改造往往提前。

随着对半刚性基层认识的不断深入，逐渐认识到对半刚性基层进一步扩大应用的趋势因自身弱点而受到制约。大量在建或已建工程研究证明，采用大粒径透水性沥青混合料能够有效地防止反射裂缝的发生，并且能够排出路面结构内部的水分，避免水分对下层或沥青面层的破坏；另外大粒径透水性沥青混合料具有较高的模量和抵抗变形的能力，可以直接用于旧路补强或新建路的结构中。为了延长路面的使用寿命，尤其是拓宽改建工程的路面使用寿命，避免路面过早损坏，交通行业在贯彻科学发展观和建设资源节约型社会的现实情况下，采用新技术和新工艺进行路面设计和施工是社会需要和形势所趋。尽管采用LSPM柔性基层还存在初期投资比较大，而且在施工和检测方面还存在很多问题需要探讨和进一步解决，但影响不了大粒径沥青混合料柔性基层的进一步发展和应用。

参考文献

［1］中华人民共和国行业标准.公路沥青路面施工技术规范（JTGD50-2006）.北京：人民交通出版社，200O.

［2］王松根《大粒径透水性沥青混合料柔性基层设计与施工指南》， 人民交通出版社，2007年1月

［3］中华人民共和国行业标准.公路工程沥青与沥青混合料试验规程（JTJ052-2000）.北京：人民交通出版社，200O.

［4］滨州至德州（鲁冀界）高速公路两阶段施工图设计 施工图纸

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。