ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料配合比設(shè)計與施工技術(shù)研究

龍康滔 曹世江 廖 凱 張 波 李 洋 楊 亮 劉 毅 陳 俊 陳德永

(中國電建集團貴陽勘測設(shè)計研究院有限公司，貴陽 550081)

引言

瀝青路面由于其良好的行車舒適性、噪音低且便于養(yǎng)護維修等特點被廣泛應(yīng)用于道路建設(shè)中，然而瀝青路面迅速發(fā)展的同時也存在著較大的問題，即我國瀝青路面普遍存在耐久性不足、早期破壞嚴(yán)重等問題[1]，在公路建設(shè)中為增加公路建設(shè)的投資效益，道路工作者開始重視路面新技術(shù)、新材料、新工藝的探索與研究[2]。瀝青穩(wěn)定碎石混合料作為一種柔性基層材料，由于其良好的抗疲勞性、抗拉及抗剪強度高且具有較高的抗反射裂縫、抗車轍等優(yōu)點而被建設(shè)單位和工程技術(shù)人員廣泛應(yīng)用于瀝青路面的上基層中。

曾蔚[3]針對ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料在配合比驗證、施工機械配置、攤鋪與碾壓工藝以及施工質(zhì)量控制等方面提出了瀝青穩(wěn)定碎石基層的施工技術(shù)要點； 申建等人[4]通過對瀝青穩(wěn)定碎石礦料界面的抗拉和拉剪強度進行研究，表明瀝青穩(wěn)定碎石混合料柔性基層具有良好的抗拉及抗剪性能； 馬金虎[5]采用ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料對霍永高速瀝青路面的下面層和上基層進行了原材料的配合比設(shè)計和路用性能研究，表明ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料對于防治半剛性基層反射裂縫具有較好的效果，有利于提高瀝青路面的耐久性和使用質(zhì)量。

本研究首先采用馬歇爾試驗對ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料進行目標(biāo)配合比設(shè)計，并依據(jù)車轍試驗、低溫小梁彎曲試驗、浸水馬歇爾試驗研究了ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料的路用性能，通過生產(chǎn)配合比驗證，得出了ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石的最佳瀝青用量，最后論述了ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料從拌合站拌和至攤鋪碾壓完成后進行接縫處理等多個方面的施工工藝[6]，研究成果為ATB-25應(yīng)用于瀝青路面上基層奠定基礎(chǔ)的同時有利于防治瀝青路面反射裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。

1 原材料的選定

隨著我國交通量以及車輛軸重的不斷增加，對于原材料技術(shù)性能的要求也在不斷提高。試驗用瀝青選自克拉瑪依70#A級道路石油瀝青； 粗集料選自貴州思南縣興隆建筑石料廠生產(chǎn)的石灰?guī)r； 細(xì)集料為0～3mm的機制砂和天然砂； 礦粉由石灰?guī)r磨細(xì)而成。原材料技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果分別如表1～表4所示。

表1 瀝青檢測結(jié)果

表2 粗集料標(biāo)檢測結(jié)果

表3 細(xì)集料檢測結(jié)果

表4 礦粉檢測結(jié)果

由表1～表4可知，原材料的技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，可用于試驗研究。

2 混合料的組成設(shè)計及性能研究

2.1 礦料級配組成設(shè)計

為保證混合料具有良好的路用性能，首先需要優(yōu)選出級配良好的ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料[7-8]。研究選用0.075mm～3.5mm的一套標(biāo)準(zhǔn)方孔篩，在室內(nèi)分別對各檔粗、細(xì)集料及礦粉進行篩分試驗，確定試驗用各檔粗、細(xì)集料級配，根據(jù)篩分結(jié)果進行礦料級配設(shè)計。ATB-25礦料級配的目標(biāo)配合比設(shè)計結(jié)果見表5所示。

表5 ATB-25礦料組成比例

2.2 最佳瀝青用量的確定

針對所確定的礦料級配，根據(jù)參考文獻[9-10]的試驗方法，分別以3.0%， 3.5%， 4.0%， 4.5%和5.0%的瀝青用量成型大馬歇爾試件，進行馬歇爾試驗，以馬歇爾體積參數(shù)和力學(xué)指標(biāo)確定ATB-25的最佳瀝青用量[11]。

選取a1、a2、a3和a4分別作為毛體積密度最大值、穩(wěn)定度最大值、空隙率范圍中值、瀝青飽和度范圍中值所對應(yīng)的瀝青用量，以四者的平均值作為OAC1； 選取各項指標(biāo)均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求時所對應(yīng)的瀝青用量范圍OACmin、OACmax，以二者的中值為OAC2，最佳瀝青用量OAC為OAC1與OAC2的平均值。馬歇爾試驗結(jié)果如圖1所示。

圖1 馬歇爾體積參數(shù)與力學(xué)指標(biāo)隨瀝青用量變化試驗結(jié)果

由圖1中的試驗數(shù)據(jù)結(jié)果可以得出：a1=4.7%，a2=3.9%，a3=3.7%，a4=3.7%，OACmin=3.3%，OACmax=4.0%。依據(jù)最佳瀝青用量取值要求，可計算得出目標(biāo)配合比的最佳瀝青用量OAC=3.8%，由圖1可以看出， 3.8%瀝青用量所對應(yīng)的馬歇爾體積參數(shù)和力學(xué)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。

2.3 路用性能檢驗

為驗證目標(biāo)配合比下的設(shè)計級配及最佳瀝青用量的合理性，通過對設(shè)計級配在最佳瀝青用量3.8%的條件下的車轍試驗、低溫彎曲小梁試驗、浸水馬歇爾試驗，分別對ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性與水穩(wěn)定性進行檢驗。

2.3.1 高溫穩(wěn)定性

瀝青混合料對于溫度的敏感性很強，通常伴隨著溫度的不斷升高，其抵抗荷載變形的能力將不斷降低，進而易引起瀝青路面產(chǎn)生高溫車轍、波浪及擁包等病害。為保證高溫條件下ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料上基層的路用性能滿足要求，瀝青混合料在高溫條件下應(yīng)具有較高的抵抗永久變形的能力[6， 12]，即高溫穩(wěn)定性。為驗證目標(biāo)配合比下的ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料的高溫穩(wěn)定性，依據(jù)參考文獻[9]中試驗方法在室內(nèi)成型試件，進行車轍試驗，試驗結(jié)果見表6所示。

表6 高溫穩(wěn)定性試驗結(jié)果

表7 低溫小梁彎曲試驗結(jié)果

車轍試驗結(jié)果表明，ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料的平均動穩(wěn)定度為2510次/mm，遠大于規(guī)范要求的1000次/mm，具有良好的高溫抵抗永久變形能力。

2.3.2 低溫抗裂性

瀝青混合料在路面使用中會由于溫度的降低而產(chǎn)生收縮變形進而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，溫度應(yīng)力的存在易導(dǎo)致路面開裂，嚴(yán)重危害道路的使用壽命和質(zhì)量[13-14]。為驗證目標(biāo)配合比下的ATB-25低溫條件下抗裂能力，根據(jù)規(guī)范試驗方法，采用低溫小梁彎曲試驗，以抗彎拉強度、最大彎拉應(yīng)變、彎曲勁度模量為指標(biāo)評價兩種瀝青混合料的低溫抗裂性。低溫小梁彎曲試驗采用的試件是由輪碾成型機碾壓成型的車轍板切割制成的棱柱體小梁，尺寸為： 50mm(高)×50mm(寬)×250mm(長)，跨徑為200mm。試驗采用中間施加荷載的方式，荷載施加速率為50mm/min，試驗溫度-10℃。試驗結(jié)果見表7所示。

由表7試驗結(jié)果可知，ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料在-10℃低溫條件下最大彎拉應(yīng)變可達到3 130με，滿足規(guī)范要求的不小于2 500με，表現(xiàn)出良好的低溫抗裂性能。

2.3.3 水穩(wěn)定性

瀝青混合料在水或溫度凍融循環(huán)作用下會降低瀝青與礦料的黏附性[15]，進而導(dǎo)致瀝青從礦料表面被剝離出來，在車輛的動態(tài)荷載作用下最終使得瀝青路面產(chǎn)生坑槽、推擠變形等現(xiàn)象。為檢驗ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料抵抗水損害能力，采用浸水馬歇爾試驗，以馬歇爾殘留穩(wěn)定度為指標(biāo)評價其水穩(wěn)定性[16]。試驗結(jié)果見表8所示。

表8 浸水馬歇爾試驗結(jié)果

表9 生產(chǎn)配合比設(shè)計結(jié)果

由表8可知，ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料馬歇爾殘留穩(wěn)定度為92.2%，大于規(guī)范不小于80%的要求，具有良好的水穩(wěn)定性。

由路用性能試驗結(jié)果可知，在最佳瀝青用量3.8%條件下，ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料路用性能滿足規(guī)范要求，表明目標(biāo)配合比下， 3.8%的最佳瀝青用量對于設(shè)計級配下的ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料是合理的。

3 施工工藝

3.1 生產(chǎn)配合比設(shè)計

生產(chǎn)配合比設(shè)計是根據(jù)現(xiàn)場施工條件，以目標(biāo)配合比設(shè)計所確定的最佳瀝青用量為基數(shù)，在其上下0.3%的范圍內(nèi)以0.1%的步長進行試拌，結(jié)合室內(nèi)馬歇爾試驗及鋪筑試驗路，最終確定ATB-25最佳瀝青用量及礦料級配。ATB-25生產(chǎn)配合比設(shè)計結(jié)果見表9所示。

3.2 拌和

瀝青穩(wěn)定碎石混合料在運往施工現(xiàn)場進行基層的攤鋪碾壓之前應(yīng)采用廠拌法間歇式拌和機進行拌和，為保證混合料質(zhì)量，拌和之前須對瀝青、集料等原材料進行質(zhì)量審核，審核通過方能使用，在拌制混合料之前應(yīng)根據(jù)確定的生產(chǎn)配合比進行試拌。由于ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料中粗集料含量較多，瀝青用量較小，因此為保證混合料拌和均勻，與一般瀝青混合料相比，干拌時間可延長至10s，之后加入熱瀝青進行45s以上的濕拌，以瀝青均勻裹附集料為準(zhǔn)。

溫度對于瀝青混合料施工質(zhì)量有很大的影響，在拌制時，需要嚴(yán)格控制礦料和瀝青的加熱溫度及拌和溫度。對于ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料，瀝青的加熱溫度應(yīng)控制在為150℃～160℃，集料的加熱溫度應(yīng)控制在185℃～190℃，瀝青混合料的拌和溫度應(yīng)控制在170℃～180℃，出廠溫度為160℃～170℃，運輸?shù)绞┕がF(xiàn)場以不低于150℃為準(zhǔn)，為保證ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料的碾壓效果，應(yīng)控制混合料攤鋪碾壓開始時的初壓溫度不低于140℃，終壓溫度不低于90℃。

3.3 運輸

運送ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料到施工現(xiàn)場進行瀝青路面上基層攤鋪的的運輸車采用30t自卸車，為提高運輸效率，減少混合料運輸過程中熱量損失，應(yīng)盡量縮短運輸時間，提前了解運輸路線并制定好預(yù)備方案，保證混合料能夠及時送達攤鋪現(xiàn)場[5]。

運輸車的數(shù)量必須與拌和設(shè)備的生產(chǎn)能力及攤鋪機的攤鋪速度相匹配。為避免瀝青混合料與運輸車車板粘結(jié)，裝料之前應(yīng)將柴油和水的混合液(一般為1∶3)涂抹在車廂底板和側(cè)板。裝料過程中應(yīng)嚴(yán)格按照前、后、中的順序挪動運輸車，以減少瀝青混合料產(chǎn)生離析。運輸車輛裝滿后，為防止瀝青混合料掉落，避免混合料降溫過快或被雨水、粉塵等物質(zhì)污染，應(yīng)在瀝青混合料頂部加蓋保溫、防雨、防污染設(shè)施，例如保溫篷布。運輸車輛在運輸過程中，應(yīng)勻速行駛，盡量避免顛簸、急剎車，同時應(yīng)安排相關(guān)人員檢查車后擋板密封情況。運輸車輛進場前應(yīng)有專人清理干凈前后車輪上的黏土，為了保證攤鋪機連續(xù)作業(yè)，應(yīng)在攤鋪機前方配備等候的運輸車，等候過程中應(yīng)采取保溫措施保證混合料溫度不低于150℃。

3.4 攤鋪

攤鋪之前，應(yīng)檢查混合料的質(zhì)量，確保不存在離析、花白料現(xiàn)象以免影響基層的施工質(zhì)量，根據(jù)確定好的松鋪厚度安裝好攤鋪機，安裝就位后應(yīng)首先預(yù)熱熨燙板0.5～1h，使熨平板的溫度在100℃以上。為保證ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料上基層的壓實度滿足要求，應(yīng)控制攤鋪碾壓時的溫度不低于140℃。同一幅路應(yīng)由兩臺同型號攤鋪機呈梯隊攤鋪，前后錯開距離以10～20m為最佳。攤鋪機的攤鋪速度應(yīng)控制在2m/min并與拌和設(shè)備的生產(chǎn)能力及運輸車輛配套情況相協(xié)調(diào)，避免因攤鋪過快或過慢而導(dǎo)致攤鋪中斷或運輸車輛等候時間過長等現(xiàn)象。

3.5 碾壓

ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料開始攤鋪約50m后即進行碾壓。由于ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料上基層層厚較厚，因此控制整個碾壓過程的溫度比一般瀝青混合料更為關(guān)鍵。碾壓過程分為初壓、復(fù)壓和終壓三個階段。初壓時的溫度應(yīng)控制在140℃以上，采用雙鋼輪壓路機按照先邊后內(nèi)、先低到高的順序靜壓2遍，速度控制在1.5km/h～2.0km/h，初壓后需立即檢查基層表面平整度和路拱，滿足要求后方能進行復(fù)壓。復(fù)壓首先采用重型輪胎壓路機碾壓一遍，然后選用鋼輪振動壓路機高頻低幅碾壓至無顯著輪跡為止，碾壓速度控制在4km/h～5km/h，碾壓遍數(shù)應(yīng)以試驗路確定的為準(zhǔn)，一般為4-6遍。復(fù)壓完成后采用雙輪壓路機以3km/h左右的碾壓速度碾壓2-4遍，終壓結(jié)束時混合料內(nèi)部溫度應(yīng)不低于90℃。

3.6 接縫處理

接縫位置作為瀝青路面結(jié)構(gòu)層薄弱處，在施工過程中應(yīng)盡量減少出現(xiàn)。兩臺攤鋪機在進行梯隊作業(yè)時所產(chǎn)生的縱向接縫應(yīng)采用熱接縫，不得已選擇冷縫時采用平接縫比較適宜，每天攤鋪機作業(yè)結(jié)束處、施工中臨時被迫暫停處的橫縫多為冷縫，橫向冷縫宜采用垂直端面平接縫，禁止采用斜接縫[17]。

4 結(jié)論

(1)通過馬歇爾試驗，以毛體積密度、空隙率、礦料間隙率、瀝青飽和度、穩(wěn)定度、流值六個參數(shù)為指標(biāo)進行試驗分析，確定了ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料的目標(biāo)配合比設(shè)計，明確了設(shè)計級配下的ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料的最佳瀝青用量為3.8%；

(2)通過對ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料在設(shè)計級配及最佳瀝青用量3.8%的條件下的車轍試驗、低溫彎曲小梁試驗以及浸水馬歇爾試驗，驗證了目標(biāo)配合比下的ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料具有較好的高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性，具有良好的路用性能；

(3)根據(jù)現(xiàn)場施工條件，在目標(biāo)配合比設(shè)計的基礎(chǔ)上進行生產(chǎn)配合比設(shè)計，確定了ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料生產(chǎn)配合比的最佳瀝青用量為3.7%，并從瀝青混合料的拌和、運輸、攤鋪、碾壓以及接縫處理等方面對ATB-25瀝青穩(wěn)定碎石混合料應(yīng)用于瀝青路面上基層的施工工藝展開了研究。