大粒径大孔隙沥青碎石抗裂基层的应用研究

杨 梦， 王婷宇， 蓝光欣， 刘 炫

(1.湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015； 2.湖南省高速公路集团有限公司， 湖南 长沙 410003；3.长沙环路建设开发集团有限公司， 湖南 长沙 410000)

0 前言

大粒径大孔隙沥青碎石是一种骨架空隙结构沥青混合料，空隙率一般为13%～18%，较大的空隙率在路面结构中可以起到应力消散作用，能有效抑制反射裂缝，具有良好的抗裂效果。同时，由于空隙大，可以有效排除路面结构内部的水，避免沥青路面的水损害。另外，其骨架结构也具有良好的抗车辙性能[1-6]。目前国内外一般将大粒径大孔隙沥青碎石混合料用在路面结构中的柔性基层。

长沙机场高速公路于2003年建成通车，随着使用年限增加，路表出现大量反射裂缝。2015年全线进行了一次病害加铺改造，罩面养护后路况较好，但经过2 a多的运营，大量横向裂缝又重新出现。为了解决反射裂缝问题，更好地保证长沙机场高速公路的路用性能，并为后续机场高速公路大修工程积累经验和提供技术支撑，在机场高速典型病害路段铺筑大修试验段。大修试验段采用了大粒径大孔隙沥青碎石抗裂上基层防裂技术并进行了试验研究。目前试验段已运营2 a多，本文结合室内外试验、试验路建设及后期跟踪情况，总结设计和施工经验，对大粒径大孔隙沥青碎石抗裂基层的混合料设计方法、路用性能、施工工艺及质量、后期观测及后评估进行了研究。

1 工程概况及设计方案

1.1 工程概况

长沙机场高速公路现状路面结构组合为：4 cm改性沥青AC-13+4 cm改性沥青AC-16(I)+5 cm改性沥青AC-25(I)+6 cm沥青稳定碎石AM-25+20 cm水泥稳定碎石(6%)+20 cm水泥稳定碎石(4%)。

通过对现场病害调查以及钻芯取样，并结合历史资料分析，机场高速公路横向裂缝绝大多数为反射裂缝的原因是：机场高速公路水泥稳定碎石基层水泥用量为6%，剂量大、强度高;同时级配采用的是悬浮密实型结构，开裂严重，最终反射至沥青面层，导致横向裂缝较多。

1.2 设计方案

铣刨路面20 cm，包括原沥青面层厚度19 cm以及水泥稳定碎石上基层1～1.5 cm，确保铣刨到上基层顶面。

路面铣刨后，水稳基层裂缝采用改性乳化沥青灌缝并骑缝黏贴32 cm宽抗裂贴进行处治。对于基层松散路段或严重网裂路段，进行开窗处理，并用C15贫混凝土进行回填。

试验段路面结构组合设计方案为：旧水稳基层裂缝及其他病害处治+乳化沥青透层+1 cm改性沥青碎石应力吸收层+11 cm大粒径大孔隙沥青碎石抗裂上基层+0.5 cm改性沥青同步碎石封层+6 cm改性沥青AC-20C+黏层+4 cm改性沥青AC-13C，共计：22 cm，标高增加2.5 cm(见图1)。

图1 路面结构组合示意

2 上基层混合料设计方法

大粒径大孔隙沥青碎石采用马歇尔试验，如果采用AC马歇尔配合比设计方法，鉴于其孔隙大易松散，疲劳耐久性可能达不到预期效果，所以要求粗骨架表面裹覆厚沥青膜，且不析漏、不飞散[7]。针对大粒径大孔隙沥青碎石配合比设计，通过研究提出了基于马歇尔体积设计,且采用沥青膜厚度控制，析漏试验和飞散试验验证的新配合比设计方法。

2.1 原材料试验

2.1.1沥青

为了保证大粒径大孔隙沥青碎石抗裂上基层的耐久性，混合料需比较厚的沥青膜，同时又需防止混合料的析漏和松散，因此采用黏度较高的沥青。试验路SBS改性沥青试验结果如表1所示。

2.1.2集料

大粒径大孔隙沥青碎石抗裂上基层中粗集料起到骨架作用，粗集料的质量及其物理性能直接影响混合料的使用性能。因此，粗集料应采用具有足够强度和耐磨耗性的坚硬岩石，按19～26.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm 3级备料，并安装除尘设备。0～4.75 mm细集料采用同一碎石场生产的石灰石机制砂。粗集料、细集料的试验检测结果如表2、表3所示。

表1 SBS改性沥青检测结果项目针入度/0.1 mm针入度指数5 ℃延度/cm软化点/℃运动黏度/(Pa·s)闪点/℃溶解度/%弹性恢复/%25 ℃相对密度TFOT后残留物质量变化/%针入度比/%5 ℃延度/cm结果510.302780.52.630499.85921.030-0.0772.515要求40～60≥0≥20≥75≤3≥230≥99≥85实测-1.0～1.0≥65≥15

表2 粗集料检测结果项目集料/mm压碎值/%洛杉矶磨耗损失/%与沥青的黏附性/级表观相对密度吸水率/%针片状颗粒含量/%软石含量/%坚固性/%19～26.52.7250.336.1结果9.5～1920.521.052.7280.306.40.92.14.75～9.52.7320.367.5要求—≤24≤285≥2.5≤2.0≤10/15≤1≤12

表3 细集料检测结果项目表观相对密度坚固性/%砂当量/%亚甲蓝值/(g·kg-1)棱角性/s结果2.72.2711.144要求≥2.6≤12≥60≤2.5≥30

2.1.3填料

填料采用洁净的石灰石粗集料磨细得到的新鲜矿粉，检测结果如表4所示。

2.2 级配设计方法

大粒径大孔隙沥青碎石抗裂上基层既要承受车辆荷载，还兼有抗裂、排水功能。因此，设计的混合料矿料级应形成骨架嵌锁结构。室内配合比设计采用体积填充的方法，通过线性规划求解对混合料进行级配设计。

表4 矿粉检测结果项目表观相对密度含水量/%亲水系数粒度范围<0.6 mm<0.15 mm<0.075 mm外观加热安定性结果2.6950.40.610094.082.1无团粒结块无明显变化要求≥2.5≤1<110090～10075～100—无明显变化

1) 拌合楼配置3、5、11、15、22、32 mm筛网，对应的矿料分为0～3 mm(1#)、3～5 mm(2#)、5～11 mm(3#)、11～15 mm(4#)、15～22 mm(5#)和22～32 mm(6#)等6档热料仓集料。热料仓集料比例为m(6#)∶m(5#)∶m(4#)∶m(3#)∶m(2#)∶m(1#)∶m(矿粉)=33%∶21%∶15%∶14%∶5%∶9%∶3%，大粒径大孔隙沥青碎石混合料的矿料设计级配范围及合成级配如表5、图2所示。

表5 大粒径大孔隙沥青碎石混合料矿料设计级配级配通过下列筛孔(mm)的质量百分率/%31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075合成级配10096.967.057.346.934.720.012.58.35.94.74.13.0设计级配范围10070～9850～8542～7432～6220～456～296～183～152～101～71～61～4

图2 大粒径大孔隙沥青碎石混合料生产配合比合成级配

2.3 最佳油石比确定

大粒径大孔隙沥青碎石混合料油石比采用空隙率指标进行确定，并采用有效沥青膜厚度、谢伦堡沥青析漏试验的结合料损失、肯塔堡飞散试验的混合料损失进行验证。以接近空隙率要求的中值作为设计空隙率，以马歇尔试验体积指标确定油石比范围，取范围中值验算有效沥青膜厚度；通过谢伦堡沥青析漏试验确定最大油石比，肯塔堡飞散试验确定最小油石比，从而综合确定最佳油石比。

混合料配合比设计试验结果如表6所示，根据沥青膜厚度、设计空隙率并综合析漏与飞散试验，确定试验段混合料最佳油石比为3.5%，试件毛体积相对密度(体积法)为2.516，理论最大相对密度为2.579。

表6 大粒径大孔隙沥青碎石抗裂上基层混合料配合比设计试验结果油石比/%毛体积相对密度理论最大相对密度空隙率/%间隙率/%沥青膜有效厚度/μm谢伦堡沥青析漏试验的结合料损失/%肯塔堡飞散试验的混合料损失/%2.52.1222.61416.423.28.7—35.73.02.142.59513～1822.910.50.0828.63.52.1542.57916.522.812.10.1623.4技术要求//13～18/≥12≤0.2≤20

2.4 混合料路用性能验证试验

根据配合比设计结果成型试件，按规定的试验方法进行浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验，检验混合料的水稳定性、高温稳定性，检测结果均满足规范的要求(见表7)。

表7 大粒径大孔隙沥青碎石抗裂上基层混合料路用性能试验结果项目浸水马歇尔残留稳定度/%冻融劈裂强度比/%动稳定度(60 ℃)/(次·mm-1)结果86.383.52 966要求≥85≥80≥2 600

3 试验路跟踪观测及后评价

3.1 试验路跟踪观测

长沙机场高速公路交通量大，雨水充沛。2018年11月铺筑完试验路后，分别于2019年7月、2020年1月、2020年6月、2020年12月、2021年5月进行了跟踪观测，观测结果如下：

1) 试验段范围未见任何反射裂缝，表面粗糙密实，无裂缝、坑槽、车辙、不平整等病害，具有良好的路用性能。

2) 施工过程中，针对基层裂缝分布进行了测量定位，并在不同时间对典型裂缝交叉点钻芯取样；芯样如图3所示，从钻芯结果来看，沥青层(含沥青面层+大粒径大孔隙基层)均未见裂缝，下部的半刚性基层裂缝未反射至沥青层。

(a) 2019年7月芯样

3.2 试验路后评价

经过2 a多的经营，获取试验路段5次跟踪观测结果，得出如下结论：

1) 大粒径大孔隙沥青碎石层具有良好的抗裂性能，对于机场高速严重的基层裂缝，采用“抗裂贴+大粒径大孔隙沥青碎石层”处治措施达到了良好的抗反射裂效果。

2) 大粒径大孔隙沥青碎石层具有良好的高温稳定性，在持续高温、大交通量荷载作用下未出现明显的车辙病害。

3) 大粒径大孔隙沥青碎石层具有一定的排水功能，能排除路面结构层内部自由水，提高路面结构水稳定性，防止水损害产生。

4 结论

1) 大粒径大孔隙沥青碎石混合料采用改性沥青作为结合料是合理且必要的，其具有良好的高温稳定性、抗裂性能、水稳定性等。

2) 大粒径大孔隙沥青碎石层采用体积填充法进行级配设计，配合比采用体积设计方法，用空隙率、沥青膜有效厚度、谢伦堡沥青析漏试验、肯塔堡飞散试验等技术指标综合确定最佳油石比的大粒径大孔隙沥青碎石设计方法合理、可行。

3) 试验段通车2 a后的观测结果表明：大粒径透水沥青混合料作为基层，具有优良的防止反射裂缝能力，下一步将继续对该段路面状况进行跟踪观察。

4) 试验路的成功铺筑可以为后续机场高速公路大修工程及其他半刚性基层沥青路面的大中修积累经验并提供技术支撑，对丰富湖南省路面结构类型，提高路面性能具有较大的促进作用。