BRA改性瀝青路面施工工藝研究

蔡永清

（江蘇東交智控科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇南京 210049）

0 引言

截至2021年底，江蘇省高速公路通車?yán)锍桃堰_(dá)5023km，而其中車轍深度超過10mm 的路段已超過1000km，由此可見，高速公路的維護(hù)迫在眉睫[1]。天然巖瀝青是經(jīng)過億萬年的壓力、細(xì)菌、氧化等作用生成的瀝青類物質(zhì)[2]。巖瀝青的軟化點(diǎn)超過300℃，基質(zhì)瀝青添加巖瀝青后，可以提升抗高溫、抗老化性能[3]。瀝青混合料中添加巖瀝青，可以實(shí)現(xiàn)瀝青改性，讓瀝青膠漿、瀝青混合料擁有良好的性能[4]。本文依靠江蘇省高速公路養(yǎng)護(hù)改造，采用價(jià)格較低的天然巖瀝青作為改性劑，結(jié)合定制化的理念，對瀝青混合料性能進(jìn)行改性，設(shè)計(jì)了BRAC-20 及BRMA-13 混合料并通過現(xiàn)場實(shí)施，研究了BRA 改性瀝青路面的施工工藝，改善了瀝青路面的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量，減少了施工中的溫室氣體排放，對延長瀝青路面使用壽命具有重要意義。

1 BRA 混合料初步設(shè)計(jì)

1.1 BRAC-20 混合料設(shè)計(jì)

與一般巖瀝青相比，BRA 中灰分含量約75%，將BRA 作為改性劑時(shí)，需提高其摻量。本文提出了定制化的設(shè)計(jì)理念，在AC-20 瀝青混合料中摻加BRA，稱之為BRAC-20 混合料。BRA 中瀝青組分作為膠結(jié)料，灰分替代礦粉使用，并減少新?lián)郊訛r青和礦粉量。

1.1.1 原材料

BRAC-20 混合料所使用的主要原材料為：石灰?guī)r集料和礦粉；膠結(jié)料選用70#基質(zhì)瀝青或者SBS 改性瀝青，相對密度為1.042；巖瀝青選擇75%灰分含量的BRA，摻量為礦料質(zhì)量的3%。

1.1.2 初選級配

首先根據(jù)集料的篩分結(jié)果選出粗、中、細(xì)三個(gè)級配，然后根據(jù)實(shí)際應(yīng)用確定油石比，分別制作馬歇爾試件，獲取體積指標(biāo)，根據(jù)結(jié)果初選出滿足要求的級配。

1.1.3 試驗(yàn)級配評價(jià)

根據(jù)往年AC-20 的實(shí)際工程應(yīng)用，油石比選擇4.5%，雙面各擊實(shí)75 次成型馬歇爾試件。

1.1.4 最佳油石比的確定

配料按照設(shè)計(jì)礦料比例，馬歇爾試驗(yàn)采用五種油石比進(jìn)行。結(jié)果顯示試件的毛體積相對密度未出現(xiàn)最大值，故假設(shè)4.5%空隙率對應(yīng)的油石比為4.45%。由試驗(yàn)結(jié)果得出符合要求的油石比范圍為4.5%～4.74%，中值和平均值分別為4.61%、4.53%，根據(jù)以往設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)選定最佳油石比為4.5%，取3.7%為新添加瀝青油石比。

1.1.5 設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選擇礦料1#∶礦料2#∶礦料3#∶礦粉=37.5%∶36%∶25.5%∶1%，新添加瀝青油石比為3.7%，換算總油石比為4.5%。

1.2 BRMA-13 混合料設(shè)計(jì)

為了充分發(fā)揮BRA 的性能特點(diǎn)，拓展應(yīng)用范圍，本文在中面層連續(xù)級配BRAC-20 混合料的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合定制化的設(shè)計(jì)理念，開展了上面層間斷級配BRMA-13 瀝青混合料的設(shè)計(jì)研究。級配組成需要進(jìn)行調(diào)整。

1.2.1 原材料

BRMA-13 混合料所使用的主要原材料為玄武巖集料和石灰?guī)r礦粉，膠結(jié)料選用SBS 改性瀝青，添加劑選用BRA，摻量為礦料質(zhì)量的4%，由于BRA 的穩(wěn)定作用好，所以混合料中無須添加纖維類穩(wěn)定劑。

1.2.2 配合比設(shè)計(jì)

BRMA-13 混合料確定級配A、級配B 及級配C，測出三種級配的VCADRC，選5% 為初試總油石比，雙面各擊實(shí)75 次制作成型馬歇爾試件，測定VCAmix，試驗(yàn)結(jié)果得出級配B、C 體積指標(biāo)滿足要求，依照以往工程經(jīng)驗(yàn)選擇級配B 為設(shè)計(jì)級配。

選擇礦料比例為1#∶2#∶3#∶礦粉=42%∶32%∶17%∶9%，選擇新加SBS 改性瀝青設(shè)計(jì)油石比為4%，總油石比為5%。

2 BRA 混合料施工工藝

2.1 BRAC-20 施工工藝

2.1.1 BRAC-20 混合料拌和

生產(chǎn)設(shè)備選擇MARINI-4000 型間歇式拌和樓，計(jì)算機(jī)控制全部流程，能夠進(jìn)行逐盤打印生產(chǎn)記錄，拌和樓加熱系統(tǒng)采用重油為燃料，BRA 的添加通過加料口螺旋打入礦粉罐后稱量加入拌缸，添加量能夠做到準(zhǔn)確計(jì)量，BRA 摻量為礦料質(zhì)量的3%。添加過程如圖1所示。

圖1 BRA 添加過程

拌和樓產(chǎn)量為170t/h 左右（每鍋拌和2.7t，每盤拌和60s 左右，其中干拌、濕拌、卸料時(shí)間分別為25s、26s、10s）。集料加熱溫度范圍和瀝青加熱溫度范圍分別為180～190℃、165～175℃。

2.1.2 BRAC-20 混合料運(yùn)輸

使用大噸位自卸汽車運(yùn)輸混合料，為了避免離析，裝料時(shí)運(yùn)輸車需要前后移動，分成前、中、后三次堆料。出料溫度符合要求后出廠。運(yùn)輸時(shí)為了保證混合料溫度，需使用篷布覆蓋運(yùn)輸車的車廂頂部進(jìn)行保溫。為了避免提前揭開保溫篷布導(dǎo)致溫度離析現(xiàn)象，等即將攤鋪時(shí)，運(yùn)輸車輛才可掀開保溫篷布。

2.1.3 BRAC-20 混合料攤鋪

攤鋪機(jī)到達(dá)指定位置后，根據(jù)松鋪系數(shù)1.2 計(jì)算出松鋪厚度并調(diào)整好熨平板高度，預(yù)熱至100℃以上。

攤鋪?zhàn)鳂I(yè)使用ABG7820 型攤鋪機(jī)進(jìn)行，攤鋪機(jī)使用行走滑靴在原路面找平。攤鋪速度為3.5m/min，攤鋪機(jī)熨平板振動頻率和振搗頻率均設(shè)定為6 級，攤鋪機(jī)行走速度宜控制在3～4m/min。改性乳化瀝青黏層油噴灑后，不得出現(xiàn)車輛隨意行走的情況。如果在攤鋪過程中發(fā)現(xiàn)存在離析帶，則要求施工人員采取補(bǔ)撒細(xì)料的方法消除。

施工現(xiàn)場的攤鋪溫度應(yīng)控制在160～170℃，以滿足施工指導(dǎo)意見要求。

2.1.4 BRAC-20 混合料碾壓

BRAC-20 的施工碾壓方式與常規(guī)AC-20 施工方式相同，采取高溫緊跟碾壓方式進(jìn)行碾壓施工，施工過程中可以采用的碾壓組合方式為：1 臺悍馬HD130壓路機(jī)去靜回振碾壓2 遍，速度為3.5km/h，復(fù)壓使用2 臺膠輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，1 臺30t 徐工膠輪XP302壓路機(jī)以4.5km/h 的速度碾壓3 遍，1 臺30t 科泰膠輪KP305 壓路機(jī)以4.5km/h 的速度碾壓3 遍，終壓使用1 臺悍馬HD130 壓路機(jī)靜壓2 遍。

2.2 BRMA-13 施工工藝

2.2.1 BRMA-13 混合料拌和

BRMA-13 混合料生產(chǎn)設(shè)備采用間歇式拌和樓，由計(jì)算機(jī)控制全部生產(chǎn)流程，能夠逐盤打印生產(chǎn)記錄，拌和樓加熱系統(tǒng)燃料使用重油。拌和樓產(chǎn)量與BRAC-20 混合料相同。集料加熱溫度范圍和瀝青加熱溫度范圍分別為180～185℃、165～175℃。

2.2.2 BRMA-13 混合料運(yùn)輸

混合料運(yùn)輸與BRAC-20 混合料相同。

2.2.3 BRMA-13 混合料攤鋪

攤鋪機(jī)作業(yè)準(zhǔn)備工作與BRAC-20 混合料攤鋪相同。

攤鋪?zhàn)鳂I(yè)選用ABG7820 型攤鋪機(jī)進(jìn)行，使用平衡梁進(jìn)行攤鋪機(jī)找平。攤鋪速度定為3.5～4m/min。攤鋪過程中攤鋪機(jī)行走速度偏快容易導(dǎo)致壓路機(jī)行走速度偏快，影響有效壓實(shí)功。其他注意事項(xiàng)與BRAC-20 混合料攤鋪相同。

施工現(xiàn)場的攤鋪溫度應(yīng)控制在165～175℃，以滿足施工指導(dǎo)意見要求。

2.2.4 BRMA-13 混合料碾壓

混合料的碾壓可以采用的碾壓組合方式為：1 臺科泰重工KD135F 鋼輪壓路機(jī)以3km/h 的速度去靜回振碾壓2 遍，采取與原路面縱向接縫處1/3 錯輪碾壓，2 臺26t 和1 臺30t 膠輪壓路機(jī)以4.5km/h 的速度碾壓6 遍，終壓用1 臺雙鋼輪徐工XD121 壓路機(jī)靜壓2 遍。

2.2.5 施工工藝優(yōu)化

（1）級配調(diào)整

鹽靖高速BRA 改性路面試驗(yàn)段第一天施工時(shí)，發(fā)現(xiàn)混合料的空隙率較大，從拌和樓打印記錄可知，是拌和樓添加BRA 時(shí)用量不足，比生產(chǎn)配合比的設(shè)計(jì)要求低了0.3%的用量。BRA 用量的減少直接導(dǎo)致了混合料整體瀝青用量以及填料用量的減少，實(shí)際混合料級配比設(shè)計(jì)級配偏粗，這一點(diǎn)在抽提試驗(yàn)結(jié)果中也有所體現(xiàn)。通過分析BRMA-13 的抽提級配4.75mm篩孔以下通過率，理論上應(yīng)該比生產(chǎn)級配要高，但是實(shí)際抽提試驗(yàn)結(jié)果顯示二者相接近，而且1#料偏粗導(dǎo)致混合料合成級配9.5mm 通過率已經(jīng)超出級配下限。

在后續(xù)拌和過程中對BRA 以及各礦料做到精確添加，適當(dāng)增加BRA、細(xì)集料和礦粉的添加量，級配調(diào)整后混合料的外觀如圖2所示，空隙率明顯降低，鋪面效果大為改善。

圖2 級配調(diào)整后混合料的外觀

（2）碾壓工藝優(yōu)化

鹽靖高速BRMA-13 試驗(yàn)段施工歷時(shí)4 天，混合料現(xiàn)場碾壓方案第一天采用鋼輪壓路機(jī)初壓4 遍，膠輪壓路機(jī)復(fù)壓2 遍，鋼輪壓路機(jī)終壓2 遍。從現(xiàn)場檢測結(jié)果分析，該碾壓方案存在碾壓遍數(shù)不足的問題，導(dǎo)致路面壓實(shí)度和滲水系數(shù)不能滿足設(shè)計(jì)要求。在第二天的施工過程中，碾壓方案調(diào)整為鋼輪壓路機(jī)初壓2 遍，膠輪壓路機(jī)復(fù)壓4 遍，鋼輪壓路機(jī)終壓2 遍，現(xiàn)場檢測結(jié)果顯示基本滿足設(shè)計(jì)要求，所以在第三天和第四天的施工過程中碾壓方案進(jìn)一步優(yōu)化為鋼輪壓路機(jī)初壓2 遍，膠輪壓路機(jī)復(fù)壓6 遍，鋼輪壓路機(jī)終壓2 遍。檢測數(shù)據(jù)隨膠輪壓路機(jī)碾壓次數(shù)的變化如圖3所示。

圖3 檢測數(shù)據(jù)隨膠輪壓路機(jī)碾壓遍數(shù)的變化

3 結(jié)論

本文的研究得出以下結(jié)論。

第一，本文提出的將BRAC-20 和BRMA-13 同時(shí)應(yīng)用于路面的中、上面層的雙層BRA 改性結(jié)構(gòu)層應(yīng)用方案，可以分別減少中、上面層49%和35%的剪應(yīng)變，推薦厚度為10cm；提出的單層BRA 改性結(jié)構(gòu)應(yīng)用方案，可以降低上面層27%的剪應(yīng)變，對于表面層的車轍病害處治有良好的效果。

第二，BRAC-20 混合料的設(shè)計(jì)指標(biāo)基本合理，采用常規(guī)AC-20 的施工工藝即可滿足要求。

第三，建議BRMA-13 的膠輪壓路機(jī)復(fù)壓碾壓遍數(shù)為4～6 遍，以提高壓實(shí)度，降低空隙率和滲水系數(shù)；結(jié)合多個(gè)試驗(yàn)路面段的檢測數(shù)據(jù)，建議降低BRMA-13 的設(shè)計(jì)空隙率，控制在3.5%～5% 的范圍內(nèi)。

綜上所述，應(yīng)用BRA 改性瀝青路面施工工藝能有效改善路面性能；但是該工藝還存在一些不足，未來仍有較大的研究和提升空間。