ATB-25沥青稳定碎石混合料配合比设计与施工技术研究

2020-11-24龙康滔曹世江陈德永

土木建筑工程信息技术 2020年2期

龙康滔曹世江廖凯张波李洋杨亮刘毅陈俊陈德永

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081)

引言

沥青路面由于其良好的行车舒适性、噪音低且便于养护维修等特点被广泛应用于道路建设中，然而沥青路面迅速发展的同时也存在着较大的问题，即我国沥青路面普遍存在耐久性不足、早期破坏严重等问题[1]，在公路建设中为增加公路建设的投资效益，道路工作者开始重视路面新技术、新材料、新工艺的探索与研究[2]。沥青稳定碎石混合料作为一种柔性基层材料，由于其良好的抗疲劳性、抗拉及抗剪强度高且具有较高的抗反射裂缝、抗车辙等优点而被建设单位和工程技术人员广泛应用于沥青路面的上基层中。

曾蔚[3]针对ATB-25沥青稳定碎石混合料在配合比验证、施工机械配置、摊铺与碾压工艺以及施工质量控制等方面提出了沥青稳定碎石基层的施工技术要点；申建等人[4]通过对沥青稳定碎石矿料界面的抗拉和拉剪强度进行研究，表明沥青稳定碎石混合料柔性基层具有良好的抗拉及抗剪性能；马金虎[5]采用ATB-25沥青稳定碎石混合料对霍永高速沥青路面的下面层和上基层进行了原材料的配合比设计和路用性能研究，表明ATB-25沥青稳定碎石混合料对于防治半刚性基层反射裂缝具有较好的效果，有利于提高沥青路面的耐久性和使用质量。

本研究首先采用马歇尔试验对ATB-25沥青稳定碎石混合料进行目标配合比设计，并依据车辙试验、低温小梁弯曲试验、浸水马歇尔试验研究了ATB-25沥青稳定碎石混合料的路用性能，通过生产配合比验证，得出了ATB-25沥青稳定碎石的最佳沥青用量，最后论述了ATB-25沥青稳定碎石混合料从拌合站拌和至摊铺碾压完成后进行接缝处理等多个方面的施工工艺[6]，研究成果为ATB-25应用于沥青路面上基层奠定基础的同时有利于防治沥青路面反射裂缝的产生和发展。

1 原材料的选定

随着我国交通量以及车辆轴重的不断增加，对于原材料技术性能的要求也在不断提高。试验用沥青选自克拉玛依70#A级道路石油沥青；粗集料选自贵州思南县兴隆建筑石料厂生产的石灰岩；细集料为0～3mm的机制砂和天然砂；矿粉由石灰岩磨细而成。原材料技术指标检测结果分别如表1～表4所示。

表1 沥青检测结果

表2 粗集料标检测结果

表3 细集料检测结果

表4 矿粉检测结果

由表1～表4可知，原材料的技术指标满足规范要求，可用于试验研究。

2 混合料的组成设计及性能研究

2.1 矿料级配组成设计

为保证混合料具有良好的路用性能，首先需要优选出级配良好的ATB-25沥青稳定碎石混合料[7-8]。研究选用0.075mm～3.5mm的一套标准方孔筛，在室内分别对各档粗、细集料及矿粉进行筛分试验，确定试验用各档粗、细集料级配，根据筛分结果进行矿料级配设计。ATB-25矿料级配的目标配合比设计结果见表5所示。

表5 ATB-25矿料组成比例

2.2 最佳沥青用量的确定

针对所确定的矿料级配，根据参考文献[9-10]的试验方法，分别以3.0%， 3.5%， 4.0%， 4.5%和5.0%的沥青用量成型大马歇尔试件，进行马歇尔试验，以马歇尔体积参数和力学指标确定ATB-25的最佳沥青用量[11]。

选取a1、a2、a3和a4分别作为毛体积密度最大值、稳定度最大值、空隙率范围中值、沥青饱和度范围中值所对应的沥青用量，以四者的平均值作为OAC1；选取各项指标均满足标准要求时所对应的沥青用量范围OACmin、OACmax，以二者的中值为OAC2，最佳沥青用量OAC为OAC1与OAC2的平均值。马歇尔试验结果如图1所示。

图1 马歇尔体积参数与力学指标随沥青用量变化试验结果

由图1中的试验数据结果可以得出：a1=4.7%，a2=3.9%，a3=3.7%，a4=3.7%，OACmin=3.3%，OACmax=4.0%。依据最佳沥青用量取值要求，可计算得出目标配合比的最佳沥青用量OAC=3.8%，由图1可以看出， 3.8%沥青用量所对应的马歇尔体积参数和力学指标均符合规范要求。

2.3 路用性能检验

为验证目标配合比下的设计级配及最佳沥青用量的合理性，通过对设计级配在最佳沥青用量3.8%的条件下的车辙试验、低温弯曲小梁试验、浸水马歇尔试验，分别对ATB-25沥青稳定碎石混合料的高温稳定性、低温抗裂性与水稳定性进行检验。

2.3.1 高温稳定性

沥青混合料对于温度的敏感性很强，通常伴随着温度的不断升高，其抵抗荷载变形的能力将不断降低，进而易引起沥青路面产生高温车辙、波浪及拥包等病害。为保证高温条件下ATB-25沥青稳定碎石混合料上基层的路用性能满足要求，沥青混合料在高温条件下应具有较高的抵抗永久变形的能力[6， 12]，即高温稳定性。为验证目标配合比下的ATB-25沥青稳定碎石混合料的高温稳定性，依据参考文献[9]中试验方法在室内成型试件，进行车辙试验，试验结果见表6所示。

表6 高温稳定性试验结果

表7 低温小梁弯曲试验结果

车辙试验结果表明，ATB-25沥青稳定碎石混合料的平均动稳定度为2510次/mm，远大于规范要求的1000次/mm，具有良好的高温抵抗永久变形能力。

2.3.2 低温抗裂性

沥青混合料在路面使用中会由于温度的降低而产生收缩变形进而产生温度应力，温度应力的存在易导致路面开裂，严重危害道路的使用寿命和质量[13-14]。为验证目标配合比下的ATB-25低温条件下抗裂能力，根据规范试验方法，采用低温小梁弯曲试验，以抗弯拉强度、最大弯拉应变、弯曲劲度模量为指标评价两种沥青混合料的低温抗裂性。低温小梁弯曲试验采用的试件是由轮碾成型机碾压成型的车辙板切割制成的棱柱体小梁，尺寸为： 50mm(高)×50mm(宽)×250mm(长)，跨径为200mm。试验采用中间施加荷载的方式，荷载施加速率为50mm/min，试验温度-10℃。试验结果见表7所示。

由表7试验结果可知，ATB-25沥青稳定碎石混合料在-10℃低温条件下最大弯拉应变可达到3 130με，满足规范要求的不小于2 500με，表现出良好的低温抗裂性能。

2.3.3 水稳定性

沥青混合料在水或温度冻融循环作用下会降低沥青与矿料的黏附性[15]，进而导致沥青从矿料表面被剥离出来，在车辆的动态荷载作用下最终使得沥青路面产生坑槽、推挤变形等现象。为检验ATB-25沥青稳定碎石混合料抵抗水损害能力，采用浸水马歇尔试验，以马歇尔残留稳定度为指标评价其水稳定性[16]。试验结果见表8所示。

表8 浸水马歇尔试验结果

表9 生产配合比设计结果

由表8可知，ATB-25沥青稳定碎石混合料马歇尔残留稳定度为92.2%，大于规范不小于80%的要求，具有良好的水稳定性。

由路用性能试验结果可知，在最佳沥青用量3.8%条件下，ATB-25沥青稳定碎石混合料路用性能满足规范要求，表明目标配合比下， 3.8%的最佳沥青用量对于设计级配下的ATB-25沥青稳定碎石混合料是合理的。

3 施工工艺

3.1 生产配合比设计

生产配合比设计是根据现场施工条件，以目标配合比设计所确定的最佳沥青用量为基数，在其上下0.3%的范围内以0.1%的步长进行试拌，结合室内马歇尔试验及铺筑试验路，最终确定ATB-25最佳沥青用量及矿料级配。ATB-25生产配合比设计结果见表9所示。

3.2 拌和

沥青稳定碎石混合料在运往施工现场进行基层的摊铺碾压之前应采用厂拌法间歇式拌和机进行拌和，为保证混合料质量，拌和之前须对沥青、集料等原材料进行质量审核，审核通过方能使用，在拌制混合料之前应根据确定的生产配合比进行试拌。由于ATB-25沥青稳定碎石混合料中粗集料含量较多，沥青用量较小，因此为保证混合料拌和均匀，与一般沥青混合料相比，干拌时间可延长至10s，之后加入热沥青进行45s以上的湿拌，以沥青均匀裹附集料为准。

温度对于沥青混合料施工质量有很大的影响，在拌制时，需要严格控制矿料和沥青的加热温度及拌和温度。对于ATB-25沥青稳定碎石混合料，沥青的加热温度应控制在为150℃～160℃，集料的加热温度应控制在185℃～190℃，沥青混合料的拌和温度应控制在170℃～180℃，出厂温度为160℃～170℃，运输到施工现场以不低于150℃为准，为保证ATB-25沥青稳定碎石混合料的碾压效果，应控制混合料摊铺碾压开始时的初压温度不低于140℃，终压温度不低于90℃。

3.3 运输

运送ATB-25沥青稳定碎石混合料到施工现场进行沥青路面上基层摊铺的的运输车采用30t自卸车，为提高运输效率，减少混合料运输过程中热量损失，应尽量缩短运输时间，提前了解运输路线并制定好预备方案，保证混合料能够及时送达摊铺现场[5]。

运输车的数量必须与拌和设备的生产能力及摊铺机的摊铺速度相匹配。为避免沥青混合料与运输车车板粘结，装料之前应将柴油和水的混合液(一般为1∶3)涂抹在车厢底板和侧板。装料过程中应严格按照前、后、中的顺序挪动运输车，以减少沥青混合料产生离析。运输车辆装满后，为防止沥青混合料掉落，避免混合料降温过快或被雨水、粉尘等物质污染，应在沥青混合料顶部加盖保温、防雨、防污染设施，例如保温篷布。运输车辆在运输过程中，应匀速行驶，尽量避免颠簸、急刹车，同时应安排相关人员检查车后挡板密封情况。运输车辆进场前应有专人清理干净前后车轮上的黏土，为了保证摊铺机连续作业，应在摊铺机前方配备等候的运输车，等候过程中应采取保温措施保证混合料温度不低于150℃。

3.4 摊铺

摊铺之前，应检查混合料的质量，确保不存在离析、花白料现象以免影响基层的施工质量，根据确定好的松铺厚度安装好摊铺机，安装就位后应首先预热熨烫板0.5～1h，使熨平板的温度在100℃以上。为保证ATB-25沥青稳定碎石混合料上基层的压实度满足要求，应控制摊铺碾压时的温度不低于140℃。同一幅路应由两台同型号摊铺机呈梯队摊铺，前后错开距离以10～20m为最佳。摊铺机的摊铺速度应控制在2m/min并与拌和设备的生产能力及运输车辆配套情况相协调，避免因摊铺过快或过慢而导致摊铺中断或运输车辆等候时间过长等现象。

3.5 碾压

ATB-25沥青稳定碎石混合料开始摊铺约50m后即进行碾压。由于ATB-25沥青稳定碎石混合料上基层层厚较厚，因此控制整个碾压过程的温度比一般沥青混合料更为关键。碾压过程分为初压、复压和终压三个阶段。初压时的温度应控制在140℃以上，采用双钢轮压路机按照先边后内、先低到高的顺序静压2遍，速度控制在1.5km/h～2.0km/h，初压后需立即检查基层表面平整度和路拱，满足要求后方能进行复压。复压首先采用重型轮胎压路机碾压一遍，然后选用钢轮振动压路机高频低幅碾压至无显著轮迹为止，碾压速度控制在4km/h～5km/h，碾压遍数应以试验路确定的为准，一般为4-6遍。复压完成后采用双轮压路机以3km/h左右的碾压速度碾压2-4遍，终压结束时混合料内部温度应不低于90℃。