沥青路面养护中连续级配超薄磨耗层技术的应用

2018-11-20 15:43:09 中城华宇
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摘要:为了提高高等级公路沥青路面养护技术———超薄磨耗层的使用性能,依托实体工程,分析了超薄磨耗层连续级配结构混合料的配合比设计、沥青用量、抗水损害性能、高温抗车辙性能与抗滑性能等,以及其施工技术要点。结果表明:设计的连续级配超薄磨耗层混合料析漏损失值、残留稳定度、冻融劈裂强度、构造深度指标均满足相关规范要求,连续级配超薄磨耗层技术具有较好的推广价值。

 

关键词:超薄磨耗层;配合比设计;性能检测;施工控制

 

引言

 

超薄磨耗层作为一种路面维修养护技术,可以有效恢复路面功能,改善道路使用性能,提高行车安全和增加路面强度,主要适用于交通荷载重、路面使用性能要求高的高速公路和一级公路。近年来,随着国内道路养护任务的加重,超薄磨耗层应用的规模和里程逐渐增加。为确保施工质量及路用性能指标满足规范,要求超薄磨耗层现场施工时采用专用的摊铺机同步完成改性乳化沥青洒布和热拌沥青混合料摊铺工艺,并以钢轮压路机碾压,待路面温度降低到一定程度后开放交通。目前超薄磨耗层技术主要采用的是间断级配混合料,对连续级配结构混合料少有研究和尝试,为验证连续级配的推广可行性,本文以铜延高速公路养护工程为依托,结合工程所处环境类型和交通荷载状况,提出连续级配超薄磨耗层技术的概念,分析其材料的构成、原材料选取的标准和质量控制要求,通过相应配合比设计流程和各项路用性能的验证,定量说明其使用性能;同时结合具体施工摊铺效果,总结超薄磨耗层现场施工的质量控制要点,为连续级配结构超薄磨耗层技术的推广提供技术参考和借鉴。

 

工程背景

 

铜川—延安高速公路中黄陵至延安段全长为145.559km,设计速度为80km·h-1,双向四车道,路基宽度为24.5m,于2006年9月建成通车。随着重载车辆的增多,路面出现了不同程度的渗水、光滑等病害。根据现场检测资料发现,产生病害的部位主要集中在表面层,原路面的强度和刚度满足不了要求。为了保证该公路安全、快捷的运营环境,公路养护部门从2013年开始对部分路段实施超薄磨耗层罩面。其中,在2014年铜延高速公路的路面养护工程中,选取黄延段K564+000~K577+150作为试验段,铺筑了连续级配超薄磨耗层罩面。该路段内的路面病害形式主要为沥青层脱落、渗水、抗滑性能不足及路面裂缝等。

 

原材料及配合比设计

 

原材料

 

(1)沥青。超薄磨耗层铺筑在沥青路面表层,直接与自然环境和车辆荷载接触,易受阳光、空气、水及轮胎磨耗的影响,采用的沥青结合料应具有黏附性大、耐候性强、抗剥离性好的特性。基于铺筑层位与相关使用要求的考虑,本文采用自主开发的SBS高黏改性沥青拌制超薄磨耗层混合料。

 

(2)粗集料。超薄磨耗层的铺筑厚度决定了组成材料中集料的粒径尺寸,最大公称粒径一般为9.5mm或13.2mm。根据混合料性能和级配组成特点,选取坚韧、粗糙、有棱角的粗集料,且严格限制扁平细长颗粒含量。本文选取经破碎后的玄武岩作为粗集料,应用于超薄磨耗层混合料中。当工程沿线玄武岩缺乏时,也可采用其他岩性石料或不同岩性石料混合配制,但必须经相应检测机构检验认可。

 

(3)细集料。细集料是指集料中粒径尺寸小于2.36mm的部分石料,在混合料中起填充和嵌挤作用。本文采用的细集料为机制砂加工而成,洁净、干燥、无风化、无杂质,具有良好的棱角性和黏结能力。

 

(4)填料。填料是混合料中黏附作用产生的关键,直接影响到沥青与集料的相互黏结。本文选取石灰岩石料经磨细得到的矿粉作为填料,干燥、洁净、不成团。

 

超薄磨耗层混合料配合比设计

 

(1)混合料级配。试验路段位于陕北地区,雨水较少且风沙较大,超薄磨耗层混合料若采用间断级配结构,容易造成孔隙堵塞,降低其使用性能,为了避免此问题,该试验路段采用连续级配结构。利用传统马歇尔设计方法进行配合比设计。

 

(2)最佳油石比确定。超薄磨耗层沥青混合料最佳油石比采用马歇尔试验方法确定,选取的级配和初始油石比范围室内成型圆柱形试件,计算和测定所需体积与马歇尔试验指标。根据规范要求并考虑项目所在地区环境气候的影响,确定超薄磨耗层油石比为5.1%。

 

确定各项指标:相应于密度最大值的油石比为5.5%;相应于稳定度最大值的油石比为5.5%;相应于规定空隙率范围中值的油石比为5.1%;相应于饱和度范围中值的油石比为5.3%;最佳油石比的初始值为5.3%。对比所列各项技术要求,确定连续级配超薄磨耗层混合料油石比范围为4.9%~5.4%,最佳油石比为5.2%;考虑到项目所在地区的气候,油石比取5.1%。

 

路用性能验证

 

(1)析漏试验。超薄磨耗层位于路面的最顶层,若混合料采用的油石比过大,将引起路面泛油现象,危及行车安全,借助析漏试验检验连续级配结构超薄磨耗层混合料的最大沥青用量。按照最佳油石比5.1%和确定的矿料级配拌制混合料并进行析漏试验。可知,混合料的析漏损失值满足相关规范的技术指标要求。

 

(2)水稳定性检验。降雨及路面积水的浸透作用会影响集料与沥青的黏结,导致松散、剥离、坑槽等水损害的发生。为了保证混合料的抗水损害性能,减少相应病害的发生,有必要在配合比设计阶段检验其水稳性能。按照确定的配合比和沥青用量制作马歇尔试件,参照相关技术规范分别进行浸水马歇尔稳定度试验和冻融劈裂试验。结果显示,混合料的残留稳定度和冻融劈裂强度比指标均满足规范要求。

 

(3)高温稳定性验证。国产车辙试验结果显示,根据选取的矿料级配和最佳油石比成型的车辙板试件,其动稳定度满足规范要求,为10 208次·mm-1,可见采用连续级配拌制的超薄磨耗层混合料具有较好的高温抗车辙性能。

 

(4)构造深度检验。超薄磨耗层技术的作用之一即为改善原有路面的抗滑性能,提高路面的行驶质量。矿料级配的变化会使混合料中粗集料含量下降,进而影响该技术的抗滑性能。为了定量说明连续级配超薄磨耗层混合料的抗滑性能,成型车辙板试件,在室内进行表面构造深度试验。结果显示,按选取的矿料级配和最佳油石比5.1%成型的试件,其构造深度指标为1.01%,满足设计要求。

 

施工技术要点

 

施工准备

 

超薄磨耗层技术主要用于沥青路面的预防性养护和轻微、中等病害的矫正性养护,并不能作为结构补强层。当路面出现严重病害时,应在铺筑磨耗层之前对路面进行铣刨。对于一般的坑槽、沉陷、车辙、裂缝等病害,应根据损坏程度采用不同的处治措施。

 

混合料生产

 

超薄磨耗层混合料的生产与一般沥青混合料大致相同,由于超薄磨耗层铺筑厚度较薄,散热较快,应严格控制石料与沥青的加热温度与拌和时间:石料加热温度为180℃~190℃,沥青加热温度为165℃~175℃,拌和温度为170℃~180℃,拌和时间为30~45s。生产过程中应及时检查混合料的配合比和油石比,抽检次数应满足设计和规范要求。拌和后应检查混合料是否有花白料、离析等情况。

 

混合料运输

 

超薄磨耗层施工应选择晴天,以提高运输速度,缩短运输时间,力争在当天中午1点左右到工地,严格进行车厢覆盖,减少混合料温度下降。为防止混合料发生变化,车厢应整洁,车厢底板和侧板应喷洒一薄层油水混合物作为隔离剂;从成品料仓到运料车,应通过前后移动来消除粗集料的离析现象,装载次数应不少于3次。混合料运量要比摊铺量有所富余,以保证摊铺机均匀、连续施工,施工现场等候卸料的运料车应为3辆以上。混合料运到现场后,根据施工进展用2套棉盖布覆盖在混合料上进行保温,并设置测温检查孔检测混合料的温度。

 

混合料摊铺

 

相应的施工方式和参数可确保混合料的摊铺和碾压质量。为了尽可能减少混合料的热量损失,保证压实质量,摊铺机摊铺前应预热熨平板,温度达到100℃以上。

 

混合料碾压

 

连续级配超薄磨耗层的碾压工艺基本与普通沥青路面相同,遵循紧跟、少水、匀速、慢压的原则。采用10~13t双钢轮压路机静压作业2~3遍,对于纵向施工缝位置应增加压实遍数。超薄磨耗层的摊铺厚度决定了混合料散热速度,若碾压不及时,将导致混合料松散,碾压质量得不到保证,因此碾压施工应在路面温度不低于90℃时完成;当路面温度降至50℃以下,即可开放交通。由于摊铺机摊铺宽度和作业效率的限制,不可避免地产生纵向接缝和横向接缝,为保证接缝处相接平顺、连贯。

 

技术优势

 

超薄磨耗层技术比其他类型薄层罩面具有显著的优势,具体如下。

 

(1)超薄磨耗层技术采用的结合料为改性乳化沥青,随着水分的蒸发,沥青破乳强度快速形成,在新旧沥青层之间形成一层强度较高的黏结层,有力黏连集料,避免跑料。(2)施工过程采用碾压工艺,使路面具有充足抗滑性和良好的平整度。(3)超薄磨耗层技术可同步实现沥青混合料和乳化沥青施工,施工效率高,对交通的影响小。(4)相比其他薄层罩面,超薄磨耗层具有使用寿命长、全寿命周期成本低的优势。

 

结语

 

通过超薄磨耗层混合料室内研究及相应实体工程的尝试,取得以下成果,定量地说明了采用连续级配结构的可行性,为其推广应用提供了技术保证。

 

(1)采用高黏改性沥青和连续矿料级配拌制而成的超薄磨耗层混合料,具有良好的抗滑性能、高温抗车辙性能和水稳定性,且试验指标均满足相关规范的要求,定量地验证了其使用性能。

 

(2)提出连续级配结构超薄磨耗层技术施工质量控制要点和施工工艺参数,有效地保证了摊铺质量和使用性能。

 

(3)超薄磨耗层技术施工速度性、乳化沥青快裂快凝,有效缩短了开放交通时间,减少施工对交通的影响。