季冻区沥青混凝土路面施工技术要点研究

2023-12-02傅川

工程建设与设计 2023年20期

傅川

（中铁十二局集团国际工程有限公司，天津 300000）

1 引言

季冻区具有降水集中、雨热同季、冰冻期长、昼夜温差大等特点。从工程建设的角度出发，此类地区属于恶劣气候环境，在冻结和融化两种状态交替过程中，地质条件会发生明显变化，尤其是在车辆荷载反复作用下，会导致沥青路面过早出现破坏。为了降低路面病害的危险性，必须明确病害特点及成因，并采取针对性的技术措施。

2 季冻区沥青混凝土路面病害特点分析

2.1 功能性病害

季冻区沥青混凝土路面病害的种类有很多，整体上分为功能性病害和结构性病害。功能性病害会影响道路的使用功能，降低沥青路面抗滑能力和平整度，破坏部位集中在沥青面层。功能性病害中车辙病害占比最高，结构性车辙和失稳性车辙是常见的两种类型，磨耗性车辙也占有一定的比重，压密性车辙主要出现在纵坡路段。

对于季冻区沥青混凝土路面产生车辙病害的原因，要从路线设计、基层性能、路面材料、交通压力等方面综合分析。高温季节沥青混凝土强度降低，在荷载作用下容易产生侧向位移；在冬季车辆使用防滑钢钉，会形成槽辙。沥青混凝土路面抗滑性能损失主要是面层泛油和磨光导致的。如混合料出现沥青含量过高、出现离析等现象，都会使自由沥青从表面溢出，产生泛油现象。在车辆轮胎长期的摩擦作用下，路面会被逐渐磨光，尤其是防滑链的使用，会加重路面磨光。除了车辙病害和抗滑能力降低，季冻区沥青混凝土路面还存在着松散剥落等其他影响行车体验的功能性病害，需要从设计和施工两个方面加强控制研究。

2.2 结构性病害

结构性危害通常会贯穿道路横断面，裂缝是典型的结构性病害，也是除车辙之外的第二大沥青混凝土路面病害。在季冻区，由于温度的变化幅度大，裂缝病害会逐年加重，进而出现严重的网裂情况。经研究发现，温缩裂缝和反射裂缝是主要表现形式，疲劳裂缝占比相对较小。低温收缩裂缝是季冻区沥青混凝土路面特有的病害形式，会降低结构层承载力，在车辆长期荷载作用下，路面会从横向裂缝或纵向裂缝发展成网裂。反射裂缝最初发生在半刚性基层底部，然后向上发展到路面，导致面层开裂。对于季冻区半刚性基层沥青混凝土路面，采用密实型沥青混合料能够有效缓解反射裂缝。当沥青层的层底拉应变超过极限拉伸应变时，裂缝会从底部开始向上扩展，使路面产生疲劳裂缝。除了路面结构问题，路基变形也会引起路面产生开裂病害，随着反复的冻融，内部结构也会跟着膨胀与收缩，不断加深破坏程度[1]。

3 季冻区沥青混凝土路面施工技术要点

3.1 保证材料性能

孔隙率是影响沥青混凝土性能的主要因素之一，也是配合比设计的核心控制参数。季冻区沥青混凝土路面病害主要是由冻胀引起的，通过降低孔隙率能有效控制渗水系数，提高路面的耐久性。同时，孔隙率与沥青混凝土的高温稳定性也密切相关，需要合理控制下限。浇筑式沥青混凝土具有极低的孔隙率与渗水系数，能够提高路面的耐久性和低温变形能力。但由于其高温稳定性较差，应用受到局限，需要经过适度改良，保持浇筑式沥青混凝土优点的同时提高高温稳定性。在哈萨克斯坦TKU 项目公路改造过程中，制备了专用的富油沥青混合料，随着油石比的增加，混合料孔隙率下降显著，各项性能指标也得到大幅度上升，获得了良好的应用效果。

路面结构由面层、基层和垫层3 部分组成。面层直接承受车辆荷载；基层起到主要的承重作用，对强度、抗冻性、水稳定性、扩散荷载能力要求较高。根据道路等级的不同，路面结构设计有所不同，面层可以分为单层、双层、3 层3 种形式，不同层位选择不同类型的混合料。比如，在季冻区长大纵坡路段，面层应选用骨架密实型沥青混凝土，保证面层的抗滑性能；中面层应选择中粒式密级配混凝土，以具有较好的抗疲劳性和抗剪能力；下面层则应采用密集配沥青混凝土，防止产生冻胀破坏。路面基层负有主要的承重作用，应具备良好的抗冻性、较强的抗冲刷能力以及较小的收缩性，应严格按照规范要求选择基层材料，为面层提供可靠支撑。

3.2 设置特殊层位

为了提高季冻区沥青混凝土路面的耐久性，除选用合适材料和优化配比外，还可以通过设置特殊功能层达到辅助增强的作用。半刚性基层开裂是路面产生结构裂缝的主要原因，由于半刚性粒料层具有明显的温缩性，并且干缩系数较大，在干缩性和温缩性的共同作用下出现反射裂缝破坏。在半刚性基层与沥青面层之间设置应力吸收层、土工格栅、玻璃格栅，都能有效缓解反射裂缝。应力吸收层改善了基层和面层的连接状态，提高了界面抗剪强度以及推移变形能力。在季冻区潮湿路段路基与底基层之间设置抗冻垫层，能够减少路基变形，提升基层和面层的抗冻胀能力、强度、稳定性。疲劳极限是影响沥青混凝土路面耐久性的重要因素，采用抗疲劳层作为结构基层，能够达到延长路面使用寿命的目的。根据相关研究，密集配沥青混合料的疲劳寿命更长。另外，为了防止季冻区沥青混凝土路面发生大面积剪切滑移，必须采取有效的结构层层间处治措施，加强基层面层之间的黏结度和完整性，避免出现结构性损伤，通过设置透层、下封层、黏结层，能够有效强化层间连接[2]。

3.3 原料质量控制

沥青混凝土主要由沥青、细集料、粗集料、矿粉等原材料组成，有的还会加入木纤维素和聚合物。采用科学测定方法，可以对沥青混凝土的高温稳定性、低温抗裂性、耐久性、抗滑性、施工和易性等主要技术指标进行分析。沥青混凝土的耐久性与材料性质及配合比密切相关，应具备较小的孔隙率和较高的密实度，可以通过真空保水马歇尔试验或浸水马歇尔试验进行检测。抗滑性能则与基料的表面结构、级配、沥青用量等因素有关，可以通过适当增大集料粒径、控制沥青含蜡量、减少沥青用量等措施，提高路面抗滑性。在季冻区，要严格控制沥青的各项技术指标，根据设计要求选用合适的改性石油沥青，同时加强施工过程沥青性能指标检验，通过多层次、高频率、全指标测试，保证其能够符合工程施工要求。为了控制混凝土的级配，应选择干燥、洁净、有棱角、纹理深的粗集料，并且不含杂质和风化颗粒，具有足够的耐磨耗性和强度；细集料则要匹配良好，能够与沥青产生良好的黏附效果。沥青混凝土采用的木质素纤维要避免结团、受潮，应存储在合适的环境中，保证拌和均匀、分散，能够在干拌温度下不发脆、不变质，同时要控制添加量误差。

3.4 拌制过程控制

加强沥青混凝土生产过程质量管理，严格控制冷料仓的进料比例与速度，保证集料流量达到标准要求。尽量做到供料均衡，避免筛分过程中出现混仓和集料离析。严格控制集料和沥青的加热温度，除满足一般技术要求外，还应该根据施工条件、运输距离、天气情况等因素调整沥青混凝土的出厂温度。通常情况下，早间第一锅料温度应该比正常温度高10 ℃，用于补偿机械设备、环境对热量的吸收；中午施工时，混合料的出厂温度应比正常温度低5～10 ℃。严格控制混凝土搅拌时间，应该以拌和均匀为主要依据，结合色泽、亮度等进行判断，保证集料全部裹覆沥青。不同类型沥青混凝土搅拌的温度、时间要求不同。浇筑式沥青混合料拌和温度较高，搅拌时间较长，一般控制在干拌15 s、湿拌70 s 左右，还需要根据其他条件结合现场试拌后确定[3]。

3.5 运输过程控制

做好沥青混凝土运输过程质量控制，科学设计运输路线，严格控制行车速度，避免过于颠簸，使混凝土出现离析现象。为了防止运输时温度下降太快，应采用具有良好密封性的运输车辆，并配备相应的保护设施，用于保温和防雨，保证到场的混凝土温度符合施工要求。通过对车厢涂抹水和柴油混合液，能够防止车厢和混凝土发生黏结。对于已经结块、遭受雨淋、温度不符合要求的沥青混凝土应予以废弃。对于浇筑式沥青混凝土运输，应使用专门运输设备，在运输途中不断搅拌和加温，防止因混合料离析以及温度降低导致无法使用。运输设备主要包括搅拌系统、搅拌罐、加热系统3 个部分，施工前做好搅拌罐清理工作，全面检查搅拌系统和加热系统，提前消除机械故障，严格控制设备内温度设置和搅拌时间，如果发生故障，要立即将沥青混凝土从搅拌罐中放出。

3.6 保证摊铺效果

对于一般沥青混凝土摊铺，选用对底基层平整度敏感性差，工作稳定性好的履带式摊铺机，而对于较长距离或转移工地施工，则选用轮胎式摊铺机更好。摊铺前，要检查底基层是否能够达到施工要求，清除表面松散料，保持黏结层干燥、清洁，确保下层施工质量。沥青混凝土输送效率要满足连续摊铺需求，保证摊铺作业的持续性，即使出现断料也要使摊铺机保持在运行状态。摊铺时要严格控制摊铺速度、厚度、高程，摊铺机行走速度一般不超过2 m/min，使用钢丝挂线的方式控制摊铺厚度与高程，并安排专人随时检查记录。沥青路面尽可能全幅摊铺，以减少纵向裂缝的产生。多台摊铺机同时施工时，应呈梯队形向前连续摊铺，同时注意控制重叠摊铺的宽度。摊铺机就位时，应将熨平板略微抬起，按照试验段确定的松铺厚度，调整好垫木高度，然后放下熨平板开始预热。摊铺过程中，送料器要连续运转，两侧混合料高度要超过送料器实际高度的2/3。

3.7 碾压密实成型

严格控制沥青混凝土分层厚度，一般不超过10 cm，压实成型按照初压、复压、终压步骤进行。在摊铺后仍有较高温度的条件下开始初压，采用轻型钢筒式压路机从外侧向路中心碾压，不少于两遍；紧接着进行复压，采用重型轮胎式压路机或者振动压路机，遵循紧跟、慢压、高频、低幅的基本原则，碾压不少于4-6 遍；最后选用双轮钢筒式压路机进行终压，不少于两遍，直到轮迹消除为止。碾压过程中，压路机必须保持匀速行驶，在混凝土可以获得最大密实度的温度条件下进行。如果接缝处混凝土温度无法达到要求，需要使用加热器提高温度，以达到碾压密实效果。对于压路机无法施工的部位，可以采用小型夯实机械进行夯实[4]。