冷拌半柔性路面材料的工程应用

王伟明，吴旷怀

(1.广东建设职业技术学院土木工程系，广东广州 510440;2.广州大学土木工程学院，广东广州 510006)

0 引言

半柔性路面材料在各种重载路面不断得到推广和应用，然而半柔性路面的基体沥青混合料采用热拌沥青作为胶结料，施工时沥青和骨料需加热到较高温度，不仅耗费大量能源，还造成不少污染，危害施工人员的身体健康，而且长时间的高温加热也会导致沥青老化，从而影响其黏结性能。

如将基体的热拌料改为冷拌料，则可以改善半柔性路面材料的上述状况，但目前的冷拌料强度较低，若作为基体，采用大空隙结构可能无法形成有效的骨架结构，且强度形成时间长，养生时间长会影响后续施工。

基于此，本文以自主研发的含水量少、固含量高、性能优良的SBR复合改性乳化沥青为基体胶结料，克服冷拌料强度低、养生时间长的不足，以流动性好、强度高的砂浆材料灌入大空隙的基体乳化沥青混合料中，形成新型的复合路面材料。冷拌半柔性路面材料的基体材料使用乳化沥青混合料，因此在施工中避免耗费能源，废气排放较少，而且常温施工能避免沥青因高温而发生的老化现象［1-4］。

本文基于相关研究成果，结合汕头市金凤路段的路面改造工程，介绍冷拌半柔性路面材料的组成设计以及乳化沥青混合料的施工、专用砂浆浇注、恢复表面构造等施工工艺。

1 改造工程概况

汕头市金凤路全长5.34 km，设计为双向八车道，单幅机动车道宽14.5 m。因该路段为市交通要道，来往车辆中以重载车辆为主，导致沥青路面面层产生严重的推移和车辙破坏，需要对其进行大修改造。

原路面结构如图1所示。对该路段进行钻芯取样，同时对所取样本进行抽提试验，结果发现，该路面的面层材料沥青含量为6.4%，油石比为6.8%，明显偏高;而且粉料、细料通过率偏大，粗料偏少，沥青混合料材料形成明显的密实悬浮结构，导致材料的高温稳定性不足，易于流动变形而发生车辙破坏。因此，在改造方案中选择抗车辙能力较强的冷拌半柔性路面材料作为上面层结构。

图1 原沥青路面结构

路段调查结果显示，该路段基层完好，具有相当的承载力，故试验路段仅翻修沥青面层。改造方案为:铣刨原沥青面层，表面层采用冷拌半柔性路面材料CsemiFlex-13，下面层采用以SBS改性沥青作为胶结料的GAC-25。改造后的路面结构如图2所示。

2 冷拌半柔性路面材料的设计

2.1 原材料性能

2.1.1 SBR 复合改性乳化沥青

采用自主研发的SBR复合改性乳化沥青，按现行沥青试验规程进行检测，结果见表1。由表1可知，该乳化沥青固含量高、高低温性能优良，各项指标均满足施工规范要求。沥青固含量高，在破乳后可形成较厚的沥青膜，有效提高乳化沥青的黏结力，另外由于水含量的减少，基体可较快形成强度，从而减少灌浆等待时间［5-7］。

图2 改造后路面结构

表1 SBR复合改性乳化沥青性能

2.1.2 水泥砂浆

基体乳化沥青混合料的空隙率较大，强度并不高，因此混合料的强度基本依靠砂浆强度。另外从施工角度而言，砂浆的流动性好才能保证其充分灌入;同时水泥砂浆还应有较好的干缩特性，能和基体沥青混合料产成黏结。本文参考日本相关规范的要求，同时结合国内实际情况，提出冷拌半柔性路面材料灌注砂浆的性能要求，见表2。本文所设计的冷拌半柔性材料采用国内某公司生产的灌注专用砂浆，其流动性好、收缩率低、早期强度高，能满足灌浆需要，在保证流动度的前提下仍有较高的强度。

表2 灌注砂浆性能要求及实测值

砂浆流动度测试方法为测定1 L砂浆通过标准漏斗的时间。由表2数据可知，砂浆流动度和强度均能满足预期，可用于本次工程实践。

2.2 基体沥青混合料的配合比设计

基体沥青混合料的设计空隙率通常以25%为最优，要求有大量的连通空隙，因此本工程的设计空隙率也采用25%［8-10］。通过CAVF法设计级配，保证骨架连通空隙结构的形成。同时，按经验确定5种沥青用量，乳化沥青用量和用水量根据裹附试验测定的OTLC值(最佳液体用量)调整后确定，最终由修正马歇尔试验确定最佳沥青用量。

按上述方法设计后，CsemiFlex-13的油石比为3.4%，乳化沥青用量为4.9%，设计空隙率为25%，矿粉用量为3%，基体沥青混合料合成级配见表3。

表3 矿料合成级配

2.3 冷拌半柔性材料配合比验证

将前面所述的砂浆灌入基体乳化沥青混合料中，制作相关试件，经养生7 d后，按试验规程规定对CsemiFlex-13进行马歇尔试验、车辙试验、小梁弯曲试验(－10℃)、冻融劈裂试验，试验结果见表4。

由表4可知，经7 d养生的CsemiFlex-13各项路用性能指标优良，高温稳定性好、强度较高、低温弯曲性能较好、水稳定性好，完全符合施工技术规范要求［11-14］。其中，动稳定度为+∞是因为车辙试验开始20 min后，试件的变形不再变化，这也说明该材料高温下抵抗变形能力强，适合作为重载路面的面层结构。

表4 CsemiFlex-13配合比验证试验结果

3 路段施工

本工程中冷拌半柔性路面的施工主要包括基体乳化沥青混合料面层的铺筑和专用砂浆的浇注2个阶段。主要施工流程为:喷洒黏层油、铺筑基体乳化沥青混合料、基体养生、灌注专用砂浆、路面养生、开放交通。

3.1 喷洒黏层油

在基体乳化沥青混合料铺筑前，对SBS改性沥青下面层进行检测和评定，将面层清扫干净后在沥青面层顶面喷洒黏层油，在加强面层黏结的同时防止专用砂浆渗透到下面层，黏层油用量为0.3 L·m－2。

3.2 基体乳化沥青混合料的铺筑

3.2.1 拌合

基体沥青混合料采用厂拌，集料与乳化沥青拌合前应用水湿润，由于粗集料多、细料较少，因此集料含水总量为3%左右即可。含水量过高，将延长后续的基体养生时间。乳液与集料的拌合时间也不宜过长，本工程采用机械拌合，拌合25 s即可保证乳液与集料的拌合均匀。

3.2.2 运输和摊铺

运输和摊铺工艺与普通乳化沥青混合料的要求一致，应在乳化沥青破乳前完成。

3.2.3 碾压

有研究表明，在乳化沥青开始破乳后，使用高频的振动压路机碾压乳化沥青混合料效果较好，可边碾压边将水振出。因此在摊铺完成后，使用6 t轻型压路机初压1～2遍，复压在乳化沥青破乳开始后进行，为防止表面堵塞而影响专用砂浆的浇注，采用不大于12 t的钢筒式振动压路机碾压2～3遍，晾晒一段时间后，进行整平碾压，以消除轮迹。本工程的压实组合为静压1遍、振动碾压2～3遍、再静压1～2遍，其他要求根据《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)执行。

3.3 基体养生

基体乳化沥青混合料的养生在常温下进行，待乳化沥青混合料内部的水分蒸发完成，养生即可结束。基体为大空隙沥青混合料，水分蒸发较为容易，另外乳化沥青的固含量较高，因此养生时间较短，具体视当时气温而定。在基体养生完成后方可进行专用砂浆的浇注。

3.4 专用砂浆的拌制与浇注

3.4.1 拌制

半柔性路面要求砂浆的强度高、流动性好。本工程采用国内某公司生产的灌注专用砂浆。在施工前，将水和干粉砂浆按1∶4掺兑，同时现场测试流动度，符合表2的要求(10～14 s·L－1)后方可浇注。

3.4.2 浇注

为保证砂浆的浇注质量，待路表温度降到30℃左右时进行浇注(在夏季高温时，应在下午4点左右浇注)。浇注砂浆时，用软管与现场的水泥砂浆搅拌机连接，同时设置加压泵，水泥砂浆在泵的压力及自身重力作用下渗入基体沥青路面中，同时使用橡胶耙往返拖刮，保证灌浆的通畅，当灌浆区域不再有气泡上泛，即可认为灌浆完成，如图3所示。遇到路面坡度较小的路段，可由高往低处浇注砂浆，如坡度较陡则应由低向高浇注，以保证砂浆浇入的均匀和密实。

3.4.3 恢复表面构造

在砂浆灌注完成后，必须将残留在基体沥青路面的多余砂浆清除干净，以便露出基体沥青混合料凹凸的表面，保证冷拌半柔性路面拥有和沥青路面相同的构造深度。目前常用的处理措施是:待砂浆初凝完成后喷洒缓凝剂，在路面浆体终凝之前用高压水枪将表面多余的浆体清洗干净。

图3 灌注专用水泥砂浆

本工程采用自行设计的大风力路面构造恢复设备清除表面多余的砂浆，具体做法为:待灌浆完毕时，依靠大风力路面构造恢复设备将多余的浆液吹入专门的回收箱中，同时安排人工使用橡胶刮板将剩余浆液刮入回收箱。

为说明本工程恢复表面构造的效果及效率，各选取50 m路段作为对比段和试验段，试验段为大风力路面构造恢复设备法，而对比段则采用喷洒缓凝剂再使用高压水枪冲洗的方法。施工时分别记录2种方法的耗时量，结果见表5。

表5 路面表观处理施工用时对比

从表5可知，采用大风力路面构造恢复设备法的试验段耗时仅为30 min，比喷洒缓凝剂的方法要节省70 min，而且不需要洒水车、消防车或高压水枪等辅助工程设备，效率较高。在2段路面上选取若干点测试其构造深度，结果见表6。

表6 各测试点构造深度对比mm

由表6可知，试验段的构造深度均值为0.78 mm，而对比段的仅为0.67 mm，说明采用本工程的除浆方法，可以很好地恢复表面构造，保证冷拌半柔性路面的抗滑性能，施工后的路面效果如图4所示。另外，从表6中数据发现，对比段的构造深度变异系数要大于试验段，这主要是因为路拱坡度和纵坡等因素使缓凝剂分布不均匀所致。因此，本工程的所采用的大风力路面构造恢复设备法工艺简单、效率高、除浆效果好。

3.5 养生

砂浆浇注完成后，需要进行一段时间的养生。温度高于30℃时采用塑料薄膜养生;温度在30℃以下时，可采取露天养生。由于水泥浆具有早强性，所以养生时间较短，超过12 h即可通行一般车辆，超过24 h可通行重载车辆。

图4 施工完成后路面效果

4 路段检测

路段竣工通车后，委托第三方检测公司对该路段的几个车道进行钻芯取样，对弯沉值、抗滑性能、平整度以及渗水系数等进行检测，结果见表7。

表7 路面检测结果

由表7可知，弯沉代表值较大，说明冷拌半柔性路面材料的强度高，摆值和构造深度值大说明路面抗滑性能好，渗水系数小表明路面密实不透水;另外，钻芯试样的平均填充率达到97%左右，说明砂浆填充的有效性。截至2016年12月，该路段通车已2年多，在承担重载交通流的情况下仍完好无损，未见路面病害的发生，后期养护成本较低。

5 结语

(1)本工程是冷拌半柔性路面材料的一次成功应用，表明本文所提出的基于CAVF法并结合裹附试验和修正马歇尔试验的材料组成设计方法适用于冷拌半柔性路面材料，所采取的基体碾压、灌浆、恢复路面构造等施工工艺和措施是行之有效的，可保证施工效果，相关措施可为该技术的推广应用提供参考，特别是在恢复路面构造时所采用的自制大风力路面构造恢复设备法较普遍的喷洒缓凝剂后进行高压水枪冲洗的方法效率更高，而且效果更好。

(2)冷拌半柔性路面材料路用性能好、路面强度高、抗滑性能好、高低温稳定性和抗水损害能力强，且在施工中采用冷铺冷拌工艺，减少能源消耗和有毒有害气体的排放，节能环保且性能优良，应用前景广阔，适用于交通繁忙的重载交通路段。

(3)虽然冷拌半柔性路面材料的路用性能较好，后期维护成本低，但在实际施工中依然面临成本较普通改性沥青路面高的问题，为保证该种新材料的推广，后续应在乳化剂、灌注砂浆材料组成和施工工艺等方面加以改良，最大程度地降低工程成本。参考文献:

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