楊 夢， 王婷宇， 藍(lán)光欣， 劉 炫

(1.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長沙 410015； 2.湖南省高速公路集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙 410003；3.長沙環(huán)路建設(shè)開發(fā)集團(tuán)有限公司， 湖南 長沙 410000)

0 前言

大粒徑大孔隙瀝青碎石是一種骨架空隙結(jié)構(gòu)瀝青混合料，空隙率一般為13%～18%，較大的空隙率在路面結(jié)構(gòu)中可以起到應(yīng)力消散作用，能有效抑制反射裂縫，具有良好的抗裂效果。同時，由于空隙大，可以有效排除路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水，避免瀝青路面的水損害。另外，其骨架結(jié)構(gòu)也具有良好的抗車轍性能[1-6]。目前國內(nèi)外一般將大粒徑大孔隙瀝青碎石混合料用在路面結(jié)構(gòu)中的柔性基層。

長沙機(jī)場高速公路于2003年建成通車，隨著使用年限增加，路表出現(xiàn)大量反射裂縫。2015年全線進(jìn)行了一次病害加鋪改造，罩面養(yǎng)護(hù)后路況較好，但經(jīng)過2 a多的運(yùn)營，大量橫向裂縫又重新出現(xiàn)。為了解決反射裂縫問題，更好地保證長沙機(jī)場高速公路的路用性能，并為后續(xù)機(jī)場高速公路大修工程積累經(jīng)驗和提供技術(shù)支撐，在機(jī)場高速典型病害路段鋪筑大修試驗段。大修試驗段采用了大粒徑大孔隙瀝青碎石抗裂上基層防裂技術(shù)并進(jìn)行了試驗研究。目前試驗段已運(yùn)營2 a多，本文結(jié)合室內(nèi)外試驗、試驗路建設(shè)及后期跟蹤情況，總結(jié)設(shè)計和施工經(jīng)驗，對大粒徑大孔隙瀝青碎石抗裂基層的混合料設(shè)計方法、路用性能、施工工藝及質(zhì)量、后期觀測及后評估進(jìn)行了研究。

1 工程概況及設(shè)計方案

1.1 工程概況

長沙機(jī)場高速公路現(xiàn)狀路面結(jié)構(gòu)組合為：4 cm改性瀝青AC-13+4 cm改性瀝青AC-16(I)+5 cm改性瀝青AC-25(I)+6 cm瀝青穩(wěn)定碎石AM-25+20 cm水泥穩(wěn)定碎石(6%)+20 cm水泥穩(wěn)定碎石(4%)。

通過對現(xiàn)場病害調(diào)查以及鉆芯取樣，并結(jié)合歷史資料分析，機(jī)場高速公路橫向裂縫絕大多數(shù)為反射裂縫的原因是：機(jī)場高速公路水泥穩(wěn)定碎石基層水泥用量為6%，劑量大、強(qiáng)度高;同時級配采用的是懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)，開裂嚴(yán)重，最終反射至瀝青面層，導(dǎo)致橫向裂縫較多。

1.2 設(shè)計方案

銑刨路面20 cm，包括原瀝青面層厚度19 cm以及水泥穩(wěn)定碎石上基層1～1.5 cm，確保銑刨到上基層頂面。

路面銑刨后，水穩(wěn)基層裂縫采用改性乳化瀝青灌縫并騎縫黏貼32 cm寬抗裂貼進(jìn)行處治。對于基層松散路段或嚴(yán)重網(wǎng)裂路段，進(jìn)行開窗處理，并用C15貧混凝土進(jìn)行回填。

試驗段路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計方案為：舊水穩(wěn)基層裂縫及其他病害處治+乳化瀝青透層+1 cm改性瀝青碎石應(yīng)力吸收層+11 cm大粒徑大孔隙瀝青碎石抗裂上基層+0.5 cm改性瀝青同步碎石封層+6 cm改性瀝青AC-20C+黏層+4 cm改性瀝青AC-13C，共計：22 cm，標(biāo)高增加2.5 cm(見圖1)。

圖1 路面結(jié)構(gòu)組合示意

2 上基層混合料設(shè)計方法

大粒徑大孔隙瀝青碎石采用馬歇爾試驗，如果采用AC馬歇爾配合比設(shè)計方法，鑒于其孔隙大易松散，疲勞耐久性可能達(dá)不到預(yù)期效果，所以要求粗骨架表面裹覆厚瀝青膜，且不析漏、不飛散[7]。針對大粒徑大孔隙瀝青碎石配合比設(shè)計，通過研究提出了基于馬歇爾體積設(shè)計,且采用瀝青膜厚度控制，析漏試驗和飛散試驗驗證的新配合比設(shè)計方法。

2.1 原材料試驗

2.1.1瀝青

為了保證大粒徑大孔隙瀝青碎石抗裂上基層的耐久性，混合料需比較厚的瀝青膜，同時又需防止混合料的析漏和松散，因此采用黏度較高的瀝青。試驗路SBS改性瀝青試驗結(jié)果如表1所示。

2.1.2集料

大粒徑大孔隙瀝青碎石抗裂上基層中粗集料起到骨架作用，粗集料的質(zhì)量及其物理性能直接影響混合料的使用性能。因此，粗集料應(yīng)采用具有足夠強(qiáng)度和耐磨耗性的堅硬巖石，按19～26.5 mm、9.5～19 mm、4.75～9.5 mm 3級備料，并安裝除塵設(shè)備。0～4.75 mm細(xì)集料采用同一碎石場生產(chǎn)的石灰石機(jī)制砂。粗集料、細(xì)集料的試驗檢測結(jié)果如表2、表3所示。

表1 SBS改性瀝青檢測結(jié)果項目針入度/0.1 mm針入度指數(shù)5 ℃延度/cm軟化點(diǎn)/℃運(yùn)動黏度/(Pa·s)閃點(diǎn)/℃溶解度/%彈性恢復(fù)/%25 ℃相對密度TFOT后殘留物質(zhì)量變化/%針入度比/%5 ℃延度/cm結(jié)果510.302780.52.630499.85921.030-0.0772.515要求40～60≥0≥20≥75≤3≥230≥99≥85實(shí)測-1.0～1.0≥65≥15

表2 粗集料檢測結(jié)果項目集料/mm壓碎值/%洛杉磯磨耗損失/%與瀝青的黏附性/級表觀相對密度吸水率/%針片狀顆粒含量/%軟石含量/%堅固性/%19～26.52.7250.336.1結(jié)果9.5～1920.521.052.7280.306.40.92.14.75～9.52.7320.367.5要求—≤24≤285≥2.5≤2.0≤10/15≤1≤12

表3 細(xì)集料檢測結(jié)果項目表觀相對密度堅固性/%砂當(dāng)量/%亞甲藍(lán)值/(g·kg-1)棱角性/s結(jié)果2.72.2711.144要求≥2.6≤12≥60≤2.5≥30

2.1.3填料

填料采用潔凈的石灰石粗集料磨細(xì)得到的新鮮礦粉，檢測結(jié)果如表4所示。

2.2 級配設(shè)計方法

大粒徑大孔隙瀝青碎石抗裂上基層既要承受車輛荷載，還兼有抗裂、排水功能。因此，設(shè)計的混合料礦料級應(yīng)形成骨架嵌鎖結(jié)構(gòu)。室內(nèi)配合比設(shè)計采用體積填充的方法，通過線性規(guī)劃求解對混合料進(jìn)行級配設(shè)計。

表4 礦粉檢測結(jié)果項目表觀相對密度含水量/%親水系數(shù)粒度范圍<0.6 mm<0.15 mm<0.075 mm外觀加熱安定性結(jié)果2.6950.40.610094.082.1無團(tuán)粒結(jié)塊無明顯變化要求≥2.5≤1<110090～10075～100—無明顯變化

1) 拌合樓配置3、5、11、15、22、32 mm篩網(wǎng)，對應(yīng)的礦料分為0～3 mm(1#)、3～5 mm(2#)、5～11 mm(3#)、11～15 mm(4#)、15～22 mm(5#)和22～32 mm(6#)等6檔熱料倉集料。熱料倉集料比例為m(6#)∶m(5#)∶m(4#)∶m(3#)∶m(2#)∶m(1#)∶m(礦粉)=33%∶21%∶15%∶14%∶5%∶9%∶3%，大粒徑大孔隙瀝青碎石混合料的礦料設(shè)計級配范圍及合成級配如表5、圖2所示。

表5 大粒徑大孔隙瀝青碎石混合料礦料設(shè)計級配級配通過下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%31.526.519.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075合成級配10096.967.057.346.934.720.012.58.35.94.74.13.0設(shè)計級配范圍10070～9850～8542～7432～6220～456～296～183～152～101～71～61～4

圖2 大粒徑大孔隙瀝青碎石混合料生產(chǎn)配合比合成級配

2.3 最佳油石比確定

大粒徑大孔隙瀝青碎石混合料油石比采用空隙率指標(biāo)進(jìn)行確定，并采用有效瀝青膜厚度、謝倫堡瀝青析漏試驗的結(jié)合料損失、肯塔堡飛散試驗的混合料損失進(jìn)行驗證。以接近空隙率要求的中值作為設(shè)計空隙率，以馬歇爾試驗體積指標(biāo)確定油石比范圍，取范圍中值驗算有效瀝青膜厚度；通過謝倫堡瀝青析漏試驗確定最大油石比，肯塔堡飛散試驗確定最小油石比，從而綜合確定最佳油石比。

混合料配合比設(shè)計試驗結(jié)果如表6所示，根據(jù)瀝青膜厚度、設(shè)計空隙率并綜合析漏與飛散試驗，確定試驗段混合料最佳油石比為3.5%，試件毛體積相對密度(體積法)為2.516，理論最大相對密度為2.579。

表6 大粒徑大孔隙瀝青碎石抗裂上基層混合料配合比設(shè)計試驗結(jié)果油石比/%毛體積相對密度理論最大相對密度空隙率/%間隙率/%瀝青膜有效厚度/μm謝倫堡瀝青析漏試驗的結(jié)合料損失/%肯塔堡飛散試驗的混合料損失/%2.52.1222.61416.423.28.7—35.73.02.142.59513～1822.910.50.0828.63.52.1542.57916.522.812.10.1623.4技術(shù)要求//13～18/≥12≤0.2≤20

2.4 混合料路用性能驗證試驗

根據(jù)配合比設(shè)計結(jié)果成型試件，按規(guī)定的試驗方法進(jìn)行浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、車轍試驗，檢驗混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性，檢測結(jié)果均滿足規(guī)范的要求(見表7)。

表7 大粒徑大孔隙瀝青碎石抗裂上基層混合料路用性能試驗結(jié)果項目浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度/%凍融劈裂強(qiáng)度比/%動穩(wěn)定度(60 ℃)/(次·mm-1)結(jié)果86.383.52 966要求≥85≥80≥2 600

3 試驗路跟蹤觀測及后評價

3.1 試驗路跟蹤觀測

長沙機(jī)場高速公路交通量大，雨水充沛。2018年11月鋪筑完試驗路后，分別于2019年7月、2020年1月、2020年6月、2020年12月、2021年5月進(jìn)行了跟蹤觀測，觀測結(jié)果如下：

1) 試驗段范圍未見任何反射裂縫，表面粗糙密實(shí)，無裂縫、坑槽、車轍、不平整等病害，具有良好的路用性能。

2) 施工過程中，針對基層裂縫分布進(jìn)行了測量定位，并在不同時間對典型裂縫交叉點(diǎn)鉆芯取樣；芯樣如圖3所示，從鉆芯結(jié)果來看，瀝青層(含瀝青面層+大粒徑大孔隙基層)均未見裂縫，下部的半剛性基層裂縫未反射至瀝青層。

(a) 2019年7月芯樣

3.2 試驗路后評價

經(jīng)過2 a多的經(jīng)營，獲取試驗路段5次跟蹤觀測結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1) 大粒徑大孔隙瀝青碎石層具有良好的抗裂性能，對于機(jī)場高速嚴(yán)重的基層裂縫，采用“抗裂貼+大粒徑大孔隙瀝青碎石層”處治措施達(dá)到了良好的抗反射裂效果。

2) 大粒徑大孔隙瀝青碎石層具有良好的高溫穩(wěn)定性，在持續(xù)高溫、大交通量荷載作用下未出現(xiàn)明顯的車轍病害。

3) 大粒徑大孔隙瀝青碎石層具有一定的排水功能，能排除路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)部自由水，提高路面結(jié)構(gòu)水穩(wěn)定性，防止水損害產(chǎn)生。

4 結(jié)論

1) 大粒徑大孔隙瀝青碎石混合料采用改性瀝青作為結(jié)合料是合理且必要的，其具有良好的高溫穩(wěn)定性、抗裂性能、水穩(wěn)定性等。

2) 大粒徑大孔隙瀝青碎石層采用體積填充法進(jìn)行級配設(shè)計，配合比采用體積設(shè)計方法，用空隙率、瀝青膜有效厚度、謝倫堡瀝青析漏試驗、肯塔堡飛散試驗等技術(shù)指標(biāo)綜合確定最佳油石比的大粒徑大孔隙瀝青碎石設(shè)計方法合理、可行。

3) 試驗段通車2 a后的觀測結(jié)果表明：大粒徑透水瀝青混合料作為基層，具有優(yōu)良的防止反射裂縫能力，下一步將繼續(xù)對該段路面狀況進(jìn)行跟蹤觀察。

4) 試驗路的成功鋪筑可以為后續(xù)機(jī)場高速公路大修工程及其他半剛性基層瀝青路面的大中修積累經(jīng)驗并提供技術(shù)支撐，對豐富湖南省路面結(jié)構(gòu)類型，提高路面性能具有較大的促進(jìn)作用。