常溫拌合瀝青混合料薄層路面技術(shù)的應(yīng)用

張冰清

(云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司，云南昆明 650228)

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，交通建設(shè)力度不斷加大，國內(nèi)公路尤其是瀝青路面建設(shè)規(guī)模呈現(xiàn)快速增長態(tài)勢，但瀝青路面生產(chǎn)、施工過程中需要消耗大量能源，并排放出有害氣體，嚴(yán)重影響工程周邊環(huán)境。隨著中國對節(jié)能減排重視程度的不斷提高，解決瀝青路面施工中高能耗、高污染的問題日益迫切，在各種解決方案中，常溫拌合瀝青混合料是一種有效的方法。

常溫拌合瀝青混合料是在常溫狀態(tài)下替代熱瀝青、不加熱集料就可以拌合成的各種類型瀝青混合料，盡管常溫拌合瀝青混合料在節(jié)能環(huán)保方面具有極大的優(yōu)勢，但其應(yīng)用研究尚存在以下問題:常溫拌合瀝青的性能不穩(wěn)定;常溫拌合瀝青面層厚度薄，無法替代常規(guī)瀝青路面結(jié)構(gòu)層;乳液型常溫拌合瀝青的破乳難以控制，拌合時(shí)間常常不夠，給施工帶來麻煩和不便;凝固速度慢，無水化反應(yīng)，脫水僅靠揮發(fā)，開放交通時(shí)間長;使用性能偏低，如裹覆和黏附力不夠，不能滿足新建道路的要求;瀝青稠度高，混合料黏度大，與現(xiàn)有設(shè)備功率不相適應(yīng)［1-6］。因此，目前常溫拌合瀝青混合料主要應(yīng)用于路面修補(bǔ)或表面處治，暫無法替代具有一定厚度的瀝青路面結(jié)構(gòu)層。

常溫拌合瀝青混合料是由瀝青、水泥、礦料、水等組成的多相復(fù)合材料，其配合比設(shè)計(jì)方法、施工工藝有別于傳統(tǒng)的瀝青混合料。本文以江蘇省S331省道鹽城段改造項(xiàng)目為依托，以常溫拌合瀝青混合料CW-10(最大公稱粒徑為10 mm的常溫瀝青混合料)為研究對象，分析其配合比設(shè)計(jì)過程，對設(shè)計(jì)的混合料性能進(jìn)行驗(yàn)證，最后通過工程應(yīng)用效果進(jìn)行路用性能評價(jià)。

1 工程概況

江蘇省S331省道鹽城段改造項(xiàng)目位于江蘇鹽城市中部，路線起于與204國道交叉口，終于建湖與寶應(yīng)交界處，全長48.57 km，其中鹽都段長30.8 km，建湖段長17.7 km，按照雙向四車道一級公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路基寬 26 m，設(shè)計(jì)速度為100 km·h－1，沿線設(shè)有橋涵結(jié)構(gòu)物，采用的設(shè)計(jì)負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn)為公路-1級。

交通量觀測資料顯示，2012年江蘇省S331道路服務(wù)等級為三級，隨著區(qū)域經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，路段交通量持續(xù)增長，2015年后該道路的服務(wù)水平不能滿足交通量的發(fā)展需求，因此對S331道路進(jìn)行改造。

2 配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

常溫拌合瀝青混合料與傳統(tǒng)瀝青混合料的最大區(qū)別是采用常溫瀝青和水泥作為膠結(jié)料。其他的集料、礦粉等均采用普通材料。

(1)常溫瀝青。常溫瀝青與乳化瀝青最大的區(qū)別是其里面摻加了高分子材料，彌補(bǔ)了普通瀝青在乳化過程中損失的性能［7-9］。本次試驗(yàn)所用常溫瀝青的主要技術(shù)指標(biāo)測試結(jié)果如表1所示。

(2)水泥。為了提高混合料的性能，增加常溫瀝青混合料早期強(qiáng)度和水穩(wěn)定性，宜選擇凝結(jié)時(shí)間快、早期強(qiáng)度高、反應(yīng)水量大、吸水量大的水泥。配合比設(shè)計(jì)所用水泥為P·O42.5的普通硅酸鹽水泥，其檢測結(jié)果如表2所示。

表2 水泥檢測結(jié)果

2.2 常溫拌合瀝青混合料的級配范圍

在進(jìn)行常溫拌合瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)，首先必須選擇一個(gè)適合的級配范圍，本文在對國內(nèi)外常用冷補(bǔ)瀝青混合料結(jié)構(gòu)的分析基礎(chǔ)上，確定了常溫拌合瀝青混合料的級配范圍。目前，常用的冷補(bǔ)瀝青混合料有如下幾種的典型結(jié)構(gòu)。

(1)骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。級配間斷型，采用熱拌瀝青混合料時(shí)黏結(jié)力和內(nèi)摩阻力均較高，但在冷補(bǔ)瀝青混合料使用初期，由于常溫瀝青的低黏度及潤滑性，次級集料的嵌擠作用小，該結(jié)構(gòu)內(nèi)摩阻力也較小，初始強(qiáng)度不高;空隙率較小，混合料初期具有一定的抗水性能;細(xì)集料用量多，易離析，不利于攤鋪、壓實(shí)等施工［10-11］。

(2)骨架空隙結(jié)構(gòu)。級配連續(xù)型，粗集料多，集料與次級集料之間的嵌擠作用和內(nèi)摩阻力明顯，在冷補(bǔ)瀝青混合料使用初期相互嵌擠，給予一定的初始強(qiáng)度抵抗早期行車荷載的作用;細(xì)集料較少，具有良好的疏松性;混合料空隙率較大，利于乳化劑的揮發(fā)，能夠提高混合料的成型速度;成型后空隙較大，抗水性能較差［12-14］。

(3)懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)。級配連續(xù)型，集料與次級集料之間的嵌擠作用和內(nèi)摩阻力明顯，在冷補(bǔ)瀝青混合料使用初期，能給予一定的初始強(qiáng)度抵抗早期行車荷載的作用;空隙率較小，具有很好的早期抗水性能，但不利于后期乳化劑的揮發(fā)和強(qiáng)度增長;經(jīng)壓實(shí)后，密實(shí)度較大，水穩(wěn)定性和耐久性較好［15-16］。

通過以上分析可以看出，3種結(jié)構(gòu)應(yīng)用于冷補(bǔ)瀝青混合料各有其優(yōu)缺點(diǎn)，因此選擇一種比較適合常溫拌合瀝青混合料的最佳結(jié)構(gòu)，需要結(jié)合實(shí)際工程對常溫拌合瀝青混合料的性能要求。與傳統(tǒng)的稀漿封層、微表處等冷拌料相比，常溫拌合瀝青的厚度(2.5～4 cm)增加了較多，對乳化劑的揮發(fā)破乳過程要求也相應(yīng)提高，因此常溫拌合瀝青混合料采用連續(xù)式空隙較大的結(jié)構(gòu)，具備骨架空隙型和懸浮密實(shí)型的特點(diǎn)。

本次配合比設(shè)計(jì)級配范圍參照了《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)中冷補(bǔ)料細(xì)粒式LB-10級配范圍的要求，見表3。

表3 設(shè)計(jì)級配范圍要求

2.3 礦料配比計(jì)算

根據(jù)級配范圍對常溫拌合瀝青混合料CW-10的礦料級配進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后確定2#倉、3#倉、4#倉、礦粉的比例為55∶23∶20∶2，合成級配見圖1。

圖1 CW-10合成級配

2.4 常溫拌合瀝青混合料的拌合方法

常溫拌合瀝青混合料的拌合涉及到粗細(xì)集料、礦粉、乳化瀝青、水泥和水等多種材料，不同的添料、拌合順序，會影響到常溫瀝青的破乳速度，進(jìn)而影響常溫瀝青混合料的性能。

為了得到常溫拌合瀝青混合料的拌合方法，生產(chǎn)出最佳的常溫瀝青混合料，借鑒水泥乳化瀝青混合料、微表處混合料的拌合方法，在集料與水拌合20 s后，加入常溫瀝青拌合60 s，再加入水泥和礦粉拌合20 s，最后成型馬歇爾試件。

2.5 最佳常溫瀝青用量確定

根據(jù)CW-10常溫瀝青混合料拌合方法，常溫瀝青用量分別為8.5%、9.0%、9.5%(占集料總質(zhì)量的百分比)，摻水泥2%、礦粉2%、水1%成型馬歇爾試件。將試樣放入60℃的鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生24 h后，脫模形成試件。在室溫25℃條件下養(yǎng)生1 d進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如表4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，常溫瀝青用量為9.0%時(shí)，瀝青混合料馬歇爾試件的穩(wěn)定度最高，飛散損失最少，同時(shí)試件的空隙率適中，既有利于后期強(qiáng)度形成，又有較好的抗水損害性能，因此選擇9.0%作為CW-10常溫瀝青混合料的最佳瀝青用量。

表4 常溫瀝青混合料馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

2.6 最佳水泥摻量

根據(jù)設(shè)計(jì)的礦料級配要求，采用上述CW-10常溫瀝青混合料拌合及成型方法，常溫瀝青用量為8.5%，分別采用水泥用量1.0%、1.5%、2%、2.5%、3%成型馬歇爾試件。將試樣放入60℃的鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生24 h后，脫模形成試件。在室溫25℃條件下養(yǎng)生1 d后，進(jìn)行密度、穩(wěn)定度、流值檢測，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出:水泥摻量小于2%時(shí)，隨水泥摻量的增加，常溫瀝青混合料馬歇爾毛體積密度、馬歇爾穩(wěn)定度增加速度較快，流值逐漸下降，速度較慢;但當(dāng)水泥摻量超過2%以后，常溫瀝青混合料的馬歇爾毛體積密度、馬歇爾穩(wěn)定度增加速度變緩，流值逐漸下降，速度變快。因此，選擇2%作為水泥的最佳摻量。

3 性能驗(yàn)證

根據(jù)合成級配，以常溫瀝青9%(占集料總質(zhì)量的百分比)、水泥2%、水1%和礦粉2%為摻量成型馬歇爾試件，將試樣放入60℃的鼓風(fēng)烘箱中養(yǎng)生24 h后，脫模形成試件。在室溫25℃條件下養(yǎng)生1 d，然后進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)，檢驗(yàn)CW-10設(shè)計(jì)常溫瀝青混合料的水穩(wěn)定性、低溫抗裂性能和高溫穩(wěn)定性，試驗(yàn)結(jié)果見表 5～7。

圖2 水泥摻量對常溫瀝青混合料密度、穩(wěn)定度和流值的影響

表5 CW-10常溫瀝青混合料的浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表6 CW-10常溫瀝青混合料的凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

表7 CW-10常溫瀝青混合料的車轍試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文提出的原材料和設(shè)計(jì)方法制成的常溫拌合瀝青混合料的水穩(wěn)定性能、高溫性能以及低溫抗裂性能均滿足規(guī)范。

4 工程應(yīng)用

為了進(jìn)一步驗(yàn)證常溫拌合瀝青混合料薄層路面技術(shù)的可行性，課題組在大量收集資料、借鑒國內(nèi)外的類似項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在S331省道鹽城學(xué)富路段進(jìn)行了試驗(yàn)路鋪設(shè)，并且通過后期跟蹤觀測結(jié)果對常溫拌合瀝青混合料薄層路面進(jìn)行綜合評價(jià)。試驗(yàn)路長500 m，試驗(yàn)路路面結(jié)構(gòu)為:原路面銑刨2 cm后鋪1 cm高黏乳化瀝青下封層，再鋪2.5 cm常溫瀝青混合料面層。

4.1 施工工藝

常溫拌合瀝青混合料薄層路面厚度在2.5 cm左右，傳統(tǒng)的稀漿封層車和微表處專用車輛無法完成攤鋪，且目前沒有專用的常溫瀝青混合料攤鋪機(jī)，因此本文采用傳統(tǒng)的熱拌瀝青攤鋪機(jī)。攤鋪的各種參數(shù)與熱拌瀝青混合料相同。本次試驗(yàn)路采用1臺攤鋪機(jī)，攤鋪寬度7 m，攤鋪速度為1.5～2.5 m·min－1。

常溫拌合瀝青混合料的碾壓工藝和熱拌瀝青混合料一樣，都是以壓實(shí)度為控制指標(biāo)，但是這里需要注意的是初壓的時(shí)機(jī)，熱瀝青混合料要求緊跟攤鋪機(jī)碾壓，而常溫瀝青混合料最好等15～20 min后開始破乳時(shí)再進(jìn)行碾壓，否則初壓時(shí)容易粘輪，而且未破乳之前常溫瀝青黏度低，不容易壓實(shí)。同時(shí)，碾壓時(shí)間不能超過水泥的初凝時(shí)間，不然會影響混合料的性能。

采用2臺12 t雙鋼輪壓路機(jī)、1臺30 t膠輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，初壓采用雙鋼輪碾壓2遍，復(fù)壓采用膠輪碾壓3遍，最后鋼輪收光2遍?，F(xiàn)場碾壓完成后整體效果較好。施工現(xiàn)場如圖3所示。

圖3 CW-10常溫拌合瀝青混合料施工現(xiàn)場

4.2 試驗(yàn)檢測

試驗(yàn)路鋪設(shè)完成1周后，現(xiàn)場取芯檢測壓實(shí)度，試驗(yàn)結(jié)果見表8。

試驗(yàn)結(jié)果和芯樣外觀(圖4)表明，現(xiàn)場施工的效果較好，常溫瀝青混合料芯樣較為密實(shí)，由于路面厚度較薄，現(xiàn)場壓實(shí)功較大，使得芯樣壓實(shí)度超百。同時(shí)現(xiàn)場芯樣的厚度差別較大，薄的地方僅2 cm左右，厚的地方達(dá)到4 cm，分析原因是下承層平整度較差造成的，所以在施工中要求一定要加強(qiáng)對下承層的檢查。

表8 現(xiàn)場壓實(shí)度試驗(yàn)結(jié)果

圖4 芯樣外觀照片

之后再次對試驗(yàn)路進(jìn)行跟蹤觀測，結(jié)果證明路面技術(shù)狀況整體良好，無明顯的裂縫、松散、坑槽等病害。通車2年后的路面如圖5所示。

圖5 通車2年后的路面

5 結(jié)語

(1)常溫拌合瀝青混合料薄層路面的厚度(2.5～4 cm)較微表處增加了許多，對乳化劑的揮發(fā)破乳過程要求也相應(yīng)提高，因此常溫拌合瀝青混合料采用連續(xù)式空隙較大的結(jié)構(gòu)。

(2)常溫拌合瀝青混合料的添料順序會影響常溫瀝青的破乳速度，進(jìn)而影響常溫瀝青混合料的性能。研究表明采用以下拌合順序效果最優(yōu):集料與水拌合20 s后加入常溫瀝青拌合60 s，再加入水泥和礦粉拌合20 s。

(3)常溫瀝青用量為9.0%時(shí)，瀝青混合料馬歇爾試件的穩(wěn)定度最高，飛散損失最少，同時(shí)試件的空隙率適中，既有利于后期強(qiáng)度形成，又有較好的抗水損害性能。

(4)試驗(yàn)結(jié)果顯示本文設(shè)計(jì)的常溫拌合瀝青混合料的路用性能滿足規(guī)范要求。

(5)試驗(yàn)路跟蹤觀測結(jié)果表明，常溫拌合瀝青混合料用在路面結(jié)構(gòu)層是可行的。參考文獻(xiàn):

［1］ 王 起.瀝青路面常溫修補(bǔ)材料應(yīng)用研究［J］.公路交通科技，2004，21(1):42-45.

［2］ 趙維啟，周書德.瀝青常溫材料［J］.公路，1987(9):31-34.

［3］ 馬增梅，張 宇.新型常溫瀝青拌和材料在養(yǎng)護(hù)中的應(yīng)用［J］.科技風(fēng)，2009(14):216.

［4］ 王 坤.基于功能型CAC快速修復(fù)材料組成設(shè)計(jì)研究及應(yīng)用［D］.西安:長安大學(xué)，2015.

［5］ 許福文，陳素麗.常溫瀝青混合料的研制及應(yīng)用［J］.北方交通，2008，31(6):49-51.

［6］ 甘 偉.不同級配常溫瀝青混合料的性能及應(yīng)用研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2012.

［7］ 張長明.瀝青混凝土薄層罩面技術(shù)在高速公路施工中的應(yīng)用［J］.交通世界，2016(18):46-47.

［8］ 張海濤，張立寧.溶劑型常溫瀝青混合料的生產(chǎn)和施工技術(shù)［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，29(6):60-63.

［9］ 金曉晴.LB(冷拌冷鋪)瀝青及其路面修補(bǔ)技術(shù)研究［D］.西安:長安大學(xué)，2005.

［10］ 延西利，金曉晴，李金永.LB冷拌冷鋪瀝青及其路面修補(bǔ)技術(shù)研究［J］.西南公路，2005(8):147-151.

［11］ 費(fèi) 杰.冷拌冷鋪瀝青混合料在路面修補(bǔ)中的應(yīng)用研究［D］.西安:長安大學(xué)，2009.

［12］ 王偉光.探析路面修復(fù)中溫拌瀝青混凝土薄層罩面技術(shù)的應(yīng)用［J］.四川水泥，2014(7):60.

［13］ 譚 兵.薄層瀝青混凝土罩面的施工技術(shù)研究［J］.山西建筑，2007，33(32):294-295.

［14］ 陳錫軍.Evotherm溫拌瀝青混合料技術(shù)應(yīng)用研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2013.

［15］ 余勝軍.常溫瀝青混合料性能研究［D］.重慶:重慶交通大學(xué)，2012.

［16］ 李 健，劉朝暉，沙慶林.高速公路薄層瀝青混凝土罩面設(shè)計(jì)［J］.中國公路，2006(17):102-103.