常温拌合沥青混合料薄层路面技术的应用

2018-04-24张冰清

筑路机械与施工机械化 2018年2期

张冰清

(云南省交通投资建设集团有限公司，云南昆明 650228)

0 引言

随着中国经济高速发展，交通建设力度不断加大，国内公路尤其是沥青路面建设规模呈现快速增长态势，但沥青路面生产、施工过程中需要消耗大量能源，并排放出有害气体，严重影响工程周边环境。随着中国对节能减排重视程度的不断提高，解决沥青路面施工中高能耗、高污染的问题日益迫切，在各种解决方案中，常温拌合沥青混合料是一种有效的方法。

常温拌合沥青混合料是在常温状态下替代热沥青、不加热集料就可以拌合成的各种类型沥青混合料，尽管常温拌合沥青混合料在节能环保方面具有极大的优势，但其应用研究尚存在以下问题:常温拌合沥青的性能不稳定;常温拌合沥青面层厚度薄，无法替代常规沥青路面结构层;乳液型常温拌合沥青的破乳难以控制，拌合时间常常不够，给施工带来麻烦和不便;凝固速度慢，无水化反应，脱水仅靠挥发，开放交通时间长;使用性能偏低，如裹覆和黏附力不够，不能满足新建道路的要求;沥青稠度高，混合料黏度大，与现有设备功率不相适应［1-6］。因此，目前常温拌合沥青混合料主要应用于路面修补或表面处治，暂无法替代具有一定厚度的沥青路面结构层。

常温拌合沥青混合料是由沥青、水泥、矿料、水等组成的多相复合材料，其配合比设计方法、施工工艺有别于传统的沥青混合料。本文以江苏省S331省道盐城段改造项目为依托，以常温拌合沥青混合料CW-10(最大公称粒径为10 mm的常温沥青混合料)为研究对象，分析其配合比设计过程，对设计的混合料性能进行验证，最后通过工程应用效果进行路用性能评价。

1 工程概况

江苏省S331省道盐城段改造项目位于江苏盐城市中部，路线起于与204国道交叉口，终于建湖与宝应交界处，全长48.57 km，其中盐都段长30.8 km，建湖段长17.7 km，按照双向四车道一级公路标准建设，路基宽 26 m，设计速度为100 km·h－1，沿线设有桥涵结构物，采用的设计负荷标准为公路-1级。

交通量观测资料显示，2012年江苏省S331道路服务等级为三级，随着区域经济的快速发展，路段交通量持续增长，2015年后该道路的服务水平不能满足交通量的发展需求，因此对S331道路进行改造。

2 配合比设计

2.1 原材料

常温拌合沥青混合料与传统沥青混合料的最大区别是采用常温沥青和水泥作为胶结料。其他的集料、矿粉等均采用普通材料。

(1)常温沥青。常温沥青与乳化沥青最大的区别是其里面掺加了高分子材料，弥补了普通沥青在乳化过程中损失的性能［7-9］。本次试验所用常温沥青的主要技术指标测试结果如表1所示。

(2)水泥。为了提高混合料的性能，增加常温沥青混合料早期强度和水稳定性，宜选择凝结时间快、早期强度高、反应水量大、吸水量大的水泥。配合比设计所用水泥为P·O42.5的普通硅酸盐水泥，其检测结果如表2所示。

表2 水泥检测结果

2.2 常温拌合沥青混合料的级配范围

在进行常温拌合沥青混合料设计时，首先必须选择一个适合的级配范围，本文在对国内外常用冷补沥青混合料结构的分析基础上，确定了常温拌合沥青混合料的级配范围。目前，常用的冷补沥青混合料有如下几种的典型结构。

(1)骨架密实结构。级配间断型，采用热拌沥青混合料时黏结力和内摩阻力均较高，但在冷补沥青混合料使用初期，由于常温沥青的低黏度及润滑性，次级集料的嵌挤作用小，该结构内摩阻力也较小，初始强度不高;空隙率较小，混合料初期具有一定的抗水性能;细集料用量多，易离析，不利于摊铺、压实等施工［10-11］。

(2)骨架空隙结构。级配连续型，粗集料多，集料与次级集料之间的嵌挤作用和内摩阻力明显，在冷补沥青混合料使用初期相互嵌挤，给予一定的初始强度抵抗早期行车荷载的作用;细集料较少，具有良好的疏松性;混合料空隙率较大，利于乳化剂的挥发，能够提高混合料的成型速度;成型后空隙较大，抗水性能较差［12-14］。

(3)悬浮密实结构。级配连续型，集料与次级集料之间的嵌挤作用和内摩阻力明显，在冷补沥青混合料使用初期，能给予一定的初始强度抵抗早期行车荷载的作用;空隙率较小，具有很好的早期抗水性能，但不利于后期乳化剂的挥发和强度增长;经压实后，密实度较大，水稳定性和耐久性较好［15-16］。

通过以上分析可以看出，3种结构应用于冷补沥青混合料各有其优缺点，因此选择一种比较适合常温拌合沥青混合料的最佳结构，需要结合实际工程对常温拌合沥青混合料的性能要求。与传统的稀浆封层、微表处等冷拌料相比，常温拌合沥青的厚度(2.5～4 cm)增加了较多，对乳化剂的挥发破乳过程要求也相应提高，因此常温拌合沥青混合料采用连续式空隙较大的结构，具备骨架空隙型和悬浮密实型的特点。

本次配合比设计级配范围参照了《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中冷补料细粒式LB-10级配范围的要求，见表3。

表3 设计级配范围要求

2.3 矿料配比计算

根据级配范围对常温拌合沥青混合料CW-10的矿料级配进行设计，最后确定2#仓、3#仓、4#仓、矿粉的比例为55∶23∶20∶2，合成级配见图1。

图1 CW-10合成级配

2.4 常温拌合沥青混合料的拌合方法

常温拌合沥青混合料的拌合涉及到粗细集料、矿粉、乳化沥青、水泥和水等多种材料，不同的添料、拌合顺序，会影响到常温沥青的破乳速度，进而影响常温沥青混合料的性能。

为了得到常温拌合沥青混合料的拌合方法，生产出最佳的常温沥青混合料，借鉴水泥乳化沥青混合料、微表处混合料的拌合方法，在集料与水拌合20 s后，加入常温沥青拌合60 s，再加入水泥和矿粉拌合20 s，最后成型马歇尔试件。

2.5 最佳常温沥青用量确定

根据CW-10常温沥青混合料拌合方法，常温沥青用量分别为8.5%、9.0%、9.5%(占集料总质量的百分比)，掺水泥2%、矿粉2%、水1%成型马歇尔试件。将试样放入60℃的鼓风烘箱中养生24 h后，脱模形成试件。在室温25℃条件下养生1 d进行试验，结果如表4所示。

试验结果表明，常温沥青用量为9.0%时，沥青混合料马歇尔试件的稳定度最高，飞散损失最少，同时试件的空隙率适中，既有利于后期强度形成，又有较好的抗水损害性能，因此选择9.0%作为CW-10常温沥青混合料的最佳沥青用量。

表4 常温沥青混合料马歇尔试验结果

2.6 最佳水泥掺量

根据设计的矿料级配要求，采用上述CW-10常温沥青混合料拌合及成型方法，常温沥青用量为8.5%，分别采用水泥用量1.0%、1.5%、2%、2.5%、3%成型马歇尔试件。将试样放入60℃的鼓风烘箱中养生24 h后，脱模形成试件。在室温25℃条件下养生1 d后，进行密度、稳定度、流值检测，结果如图2所示。

由图2可以看出:水泥掺量小于2%时，随水泥掺量的增加，常温沥青混合料马歇尔毛体积密度、马歇尔稳定度增加速度较快，流值逐渐下降，速度较慢;但当水泥掺量超过2%以后，常温沥青混合料的马歇尔毛体积密度、马歇尔稳定度增加速度变缓，流值逐渐下降，速度变快。因此，选择2%作为水泥的最佳掺量。

3 性能验证

根据合成级配，以常温沥青9%(占集料总质量的百分比)、水泥2%、水1%和矿粉2%为掺量成型马歇尔试件，将试样放入60℃的鼓风烘箱中养生24 h后，脱模形成试件。在室温25℃条件下养生1 d，然后进行浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验，检验CW-10设计常温沥青混合料的水稳定性、低温抗裂性能和高温稳定性，试验结果见表 5～7。

图2 水泥掺量对常温沥青混合料密度、稳定度和流值的影响

表5 CW-10常温沥青混合料的浸水马歇尔试验结果

表6 CW-10常温沥青混合料的冻融劈裂试验结果

表7 CW-10常温沥青混合料的车辙试验结果

试验结果表明，采用本文提出的原材料和设计方法制成的常温拌合沥青混合料的水稳定性能、高温性能以及低温抗裂性能均满足规范。

4 工程应用

为了进一步验证常温拌合沥青混合料薄层路面技术的可行性，课题组在大量收集资料、借鉴国内外的类似项目经验的基础上，在S331省道盐城学富路段进行了试验路铺设，并且通过后期跟踪观测结果对常温拌合沥青混合料薄层路面进行综合评价。试验路长500 m，试验路路面结构为:原路面铣刨2 cm后铺1 cm高黏乳化沥青下封层，再铺2.5 cm常温沥青混合料面层。

4.1 施工工艺

常温拌合沥青混合料薄层路面厚度在2.5 cm左右，传统的稀浆封层车和微表处专用车辆无法完成摊铺，且目前没有专用的常温沥青混合料摊铺机，因此本文采用传统的热拌沥青摊铺机。摊铺的各种参数与热拌沥青混合料相同。本次试验路采用1台摊铺机，摊铺宽度7 m，摊铺速度为1.5～2.5 m·min－1。

常温拌合沥青混合料的碾压工艺和热拌沥青混合料一样，都是以压实度为控制指标，但是这里需要注意的是初压的时机，热沥青混合料要求紧跟摊铺机碾压，而常温沥青混合料最好等15～20 min后开始破乳时再进行碾压，否则初压时容易粘轮，而且未破乳之前常温沥青黏度低，不容易压实。同时，碾压时间不能超过水泥的初凝时间，不然会影响混合料的性能。

采用2台12 t双钢轮压路机、1台30 t胶轮压路机进行碾压，初压采用双钢轮碾压2遍，复压采用胶轮碾压3遍，最后钢轮收光2遍。现场碾压完成后整体效果较好。施工现场如图3所示。