谈密级配沥青稳定碎石柔性基层补强应用
2021-09-07张西棉
张 西 棉
(陕西省西安公路管理局,陕西 西安 710003)
1 背景
随着我国经济的迅速发展,公路建设里程不断增加,据统计,我国90%以上的公路沥青路面的基层和底基层均采用了半刚性材料。半刚性基层具有强度高、刚度大的特点。然而,半刚性材料具有的干缩和温缩特性,半刚性基层的收缩裂缝,使沥青路面不可避免要产生反射裂缝,容易导致沥青面层的早期破坏。另外,半刚性基层的抗冲刷性能比较弱,易受到水损害,使路面产生唧泥、翻浆等早期破坏。
由于沥青稳定材料良好的强度和抗疲劳性能,使得密级配沥青稳定碎石柔性基层结构在国外得到长期而有效的应用,鉴于此,深入系统地开展沥青稳定碎石基层混合料设计方法和性能的研究,对于避免沥青路面早期破坏,延长沥青路面使用寿命,提高沥青路面的使用质量具有极为重要的意义。2018年,我局在国道108周至段进行了7.798 km的密级配沥青稳定碎石(ATB-25)柔性基层,取得了良好效果。
2 前期准备工作
2.1 旧路概况调查
G108 K1405+220~K1415+233段位于周至境内,该路段建于1956年,于2010年—2013年进行大修补强,路面基层薄,强度差。由于近年交通量的快速增长,整段道路水泥混凝土路面不堪重负,路面大面积出现纵向裂缝、斜向裂缝、交叉裂缝及沉陷等病害,板面破损十分严重。该路段路面破损情况见表1,表2。
表1 路面破损调查结果汇总表
表2 原路面实测弯沉成果汇总表
2.2 密级配沥青稳定碎石基层补强设计方案
根据旧路病害情况和弯沉计算,路面结构设计方案为:用级配碎石对旧路破碎后的表面进行调平,采用2 cm热沥青单层贯入;然后采用8 cm ATB-25密级配沥青稳定碎石混合料进行基层补强,面层为4 cm AC-13F沥青混凝土。本次设计弯沉为55.3(0.01 mm)。针对密级配沥青稳定碎石(ATB-25)基层的特点,参照JTG F40—2017公路沥青路面施工技术规范编写了《密级配沥青稳定碎石基层施工工艺》,对配合比设计、原材料、施工过程中的每道工序控制、试验检测等均提出了严格的要求,确保施工质量。
3 密级配沥青稳定碎石基层材料组成要求
密级配沥青稳定碎石(ATB-25)基层与传统的用于面层的沥青混凝土相比,它是针对于基层用的,粒径偏大,级配偏粗,沥青用量偏少,对原材料的要求相对于面层要低。
1)道路石油沥青:采用A级90号石油沥青。沥青在储运、使用及存放过程中应有良好的防水措施,避免雨水或加热管道蒸汽进入沥青。沥青试验结果见表3。
表3 沥青指标检验结果
2)粗集料及细集料:粗集料应洁净、干燥、表面粗糙,与沥青的粘附性好,一般选用碱性或中性石料。细集料应洁净、干燥、无风化、无杂质,并应有适当的颗粒级配。根据ATB-25沥青稳定碎石混合料级配范围以及对料源规格型号的调查筛分,初步选定的沥青混合料材料为泾阳产碎石、石屑、矿粉以及黑河砂。
3)填料:必须采用石灰岩经磨细得到的矿粉,矿粉应干燥、洁净,能自由地从矿粉仓流出。拌合机的粉尘和粉煤灰不得作为填料使用。
经试验检测砂石材料各项技术指标见表4。
表4 原材料的技术指标试验结果
4 密级配沥青稳定碎石基层目标配合比设计
4.1 矿料配合比设计
根据表5各种矿料的筛分结果及ATB-25型沥青稳定碎石混合料的级配要求进行矿料级配设计,经计算机计算合成确定合成级配各种矿料百分含量如表6所示。
表5 原材料级配
表6 合成级配各种矿料百分含量
4.2 目标配合比设计
按规范和设计要求,分别采用3.0%,3.5%,4.0%三种油石比成型马歇尔试件进行试验,测定各项物理力学指标并对试验结果进行处理,确定最佳油石比为3.6%。最佳油石比时的马歇尔试验结果见表7。考虑施工期间的气候和交通因素,试验报告建议油石比应增加到3.6%。
表7 最佳油石比及Marshall试件实验结果
4.3 生产配合比确定
依据确定的目标配合比和实际施工的拌和机械进行生产配合比设计,采用LB30型拌和设备,该设备配备冷料仓和热料仓各4个,由于其中1个热料仓为溢料仓,所以,试验前根据级配类型初步选定了3个振动筛筛号分别为1号仓6 mm,2号仓15 mm,3号仓25 mm,最大粒径筛孔通过量符合范围要求,并使三个热料仓的材料进料量相差不多,超粒径碎石能通过溢料仓排出。然后,按目标配合比设计的冷料比例上料、烘干、筛分,按照试验规程要求取样筛分,用计算机进行矿料级配计算,原材料的技术指标及沥青稳定碎石矿料级配组成见表8。
表8 原材料的技术指标试验结果
按以上配比进行马歇尔试验,分别采用3.0%,3.5%,4.0%三种油石比成型马歇尔试件,测定各项物理力学指标并对试验结果进行处理,得出的最佳油石比如下:按密度最大值、稳定度最大值、空隙率中值确定的最佳油石比OAC1=3.3%。按各指标符合范围的中值确定的最佳油石比OAC2=3.2%。由此确定的最佳油石比OAC=3.7%。此结果与目标配合比设计结果的最佳油石比相差0.1%,基本吻合。结合以往经验,商定采用平均值即油石比3.7%作为生产配合比供试拌试铺使用。
5 施工的控制要点
1)要避免混合料的离析。由于该混合料材料粒径较大,原材料堆放、石料进仓、混合料装车及自卸汽车卸料、摊铺机螺旋布料器运送混合料过程中均会不可避免的产生粗细集料的离析现象。因此,在施工中应尽可能减少人为因素造成的离析现象。主要措施有:不同规格的材料分别堆放整齐,取料时装载机尽量做到垂直取料,以避免石料堆上部的集料坍塌滚落,造成集料离析;沥青混合料从拌和机上装车时,按规定先在车厢前部装料,然后挪动车辆在后部装料,最后在中间装料,如此往复几次,直至装满。摊铺过程中,摊铺机的螺旋布料器根据摊铺速度调整到保持一个稳定的速度均衡地转动,两侧保持有不少于送料器2/3高度的混合料,以减少混合料在摊铺过程中的离析。
2)要重视混合料的压实。由于混合料的摊铺厚度较大,一般摊铺厚度在10 cm,压实厚度在8 cm。因此,混合料的碾压工作至关重要,要采用大吨位胶轮压路机来保证混合料的压实度。同时,松铺系数要根据试验段来确定。
3)机械设备配置。采用生产能力与摊铺能力相匹配的拌和设备,一般应采用1000型以上拌合机。拌和设备具有足够的料仓,并配备计算机控制系统,能够进行实时监测,显示、保存所采集的数据,自动计算并及时打印各项数据的统计结果,以便实施施工过程中的质量管理动态控制。
4)拌和厂应具备良好的试验条件,配备足够的试验检测人员,能在每天开始生产时及时进行抽提筛分及马歇尔试验,检测结果准确及时,信息反馈迅速,以正确指导当天的拌和生产。
5)施工现场应配专人检测施工过程中的温度变化情况及压路机碾压作业情况,保证当天碾压的沥青稳定碎石混合料碾压遍数均匀一致,并保证在允许的碾压温度下完成施工作业。
6)加强摊铺初期的水准测量,检查摊铺厚度、路拱横坡情况,及时反馈予以调整,随时记录摊铺混合料的数量与成型长度,计算摊铺的平均厚度。
6 技术、经济评价
1)密级配沥青稳定碎石基层前期资金投入略多,但全寿命周期时间长,路用性能优于半刚性基层。路面结构:沥青稳定碎石基层(8 cm沥青稳定碎石基层+4 cm AC-13细粒式沥青混凝土面层)费用为166元/m2;水泥稳定碎石基层(20 cm水稳碎石基层+4 cm AC-16中粒式沥青混凝土下面层+3 cm AC-13细粒式沥青混凝土上面层)费用为152元/m2。但密级配沥青稳定碎石基层路面寿命可以达到15年不用大修,而一般的水稳碎石基层路面大修年限为8年。若按15年的周期进行经济效益评价,沥青稳定碎石基层路面成本基本为二灰碎石基层路面成本的一半。同时,沥青稳定碎石基层路面不会产生半刚性基层质量通病反射裂缝,避免了路面的早期破坏。据我局养管部门资料统计,沥青稳定碎石基层路面日常养护费用较传统水稳碎石基层低约20%。
2)沥青稳定碎石基层路面其平整度及行车的舒适性,是半刚性基层路面及混凝土路面无法比拟的。
3)沥青稳定碎石基层路面施工时堵车时间较短,在夏季碾压结束后2 h即可开放交通,在交通流量较大且无法封闭交通的大修路段施工优势更为明显。
4)沥青稳定碎石基层在大修工程施工时直接加铺于旧路面层上,旧路面做到了再次利用,减少了环境污染。
5)密级配沥青稳定碎石施工季节较长,一般在关中地区4月份~10月份均可施工。另外,路面各结构层时间间隔很短,基层施工结束后即可进行面层施工,而一般的半刚性基层需保湿养生7 d。由此可见,密级配沥青稳定碎石基层适用于不封闭交通的公路大修工程路段。
7 结语
本工程在补强应用密级配沥青稳定碎石基层中存在,试验室进行马歇尔试件击实时仅有垂直方向的击实作用,而无实际施工时的揉搓作用,无法客观地体现实际施工的碾压效果。同时,由于密级配沥青稳定碎石基层厚度一般在10 cm以上,沥青路面常规26 t胶轮压路的有效压实效果也需要进一步工程实践探索。通过两年来工程通车检验,密级配沥青稳定碎石基层具有较高的抗剪强度、抗弯拉强度和耐疲劳性,不易产生收缩裂缝和水损害,使用寿命长,行车舒适性好,避免路面早期裂缝,后期养护费用低等优势,具有良好的发展和应用前景。