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        廣東濕熱重載交通條件下高速公路半柔性無縫路面技術(shù)研究及應(yīng)用

        2023-11-22 08:36:50熊子君潘春輝
        廣東土木與建筑 2023年10期
        關(guān)鍵詞:油石母體專用

        熊子君,潘春輝

        (1、佛山市城市建設(shè)工程有限公司 廣東 佛山 528000;2、上海市政工程設(shè)計(jì)有限公司 上海 200438)

        0 引言

        隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,汽車保有量急劇增加,車輛載重也隨之快速上升,同時(shí)伴隨著全球極端氣候頻繁出現(xiàn),瀝青混凝土路面由于剛度低,在極端環(huán)境和重載交通作用下,瀝青混凝土路面易出現(xiàn)車轍、擁包、凹坑、水損害等路面病害日益凸顯,因此提高路面穩(wěn)定性成為亟待解決的問題。半柔性路面作為一種新型路面材料,兼具水泥混凝土剛性和瀝青混凝土的柔性,具有優(yōu)良的抗車轍、耐磨、耐油、抗腐蝕等性能。

        所謂半柔性路面就是設(shè)計(jì)一種比開級(jí)配排水式瀝青磨耗層(OGFC)更大空隙率的瀝青混合料作為母體瀝青(空隙率20%~30%),先將母體瀝青混合料攤鋪碾壓完成后,再澆筑已配制好的高強(qiáng)、超大流動(dòng)性、微收縮的水泥砂漿,從而形成一種復(fù)合路面結(jié)構(gòu)[1-2]。母體瀝青混合料具有一定的應(yīng)力松弛能力,因此可不設(shè)伸縮縫。同時(shí)因澆筑特定的水泥砂漿,其熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)好于普通瀝青混凝土路面,故能夠承受較大荷載而不會(huì)發(fā)生車轍、擁包等路面病害[3-4]。

        半柔性路面的應(yīng)用最早可追溯到1954 年法國(guó)Cognac Airport 飛機(jī)跑道,日本于1961 年申請(qǐng)名為“半柔性路面及半柔性路面施工法”的施工工法專利,因其具有良好的承載能力、穩(wěn)定性,半柔性路面在日本廣泛使用,并于20 世紀(jì)80 年代制定行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[5-7]。國(guó)內(nèi)對(duì)于半柔性路面的研究起步較晚,1986年同濟(jì)大學(xué)道路研究所的王素勤等人[8]采用參拌法制作半柔性馬歇爾試件,并進(jìn)行物理力學(xué)性能研究。隨后國(guó)內(nèi)多家單位及科研院校對(duì)半柔性路面復(fù)合材料、配制技術(shù)進(jìn)行研究[9-12]。

        本文選取廣東某高速K98+410~K98+592 段作為“廣東濕熱重載交通條件下高速公路半柔性無縫路面”結(jié)構(gòu)層試驗(yàn)段。以礦料主骨料空隙填充法(CAFV)及馬歇爾試驗(yàn)法確定Semiflex-20母體瀝青混合料骨架空隙率及油石比[13-16],通過馬歇爾、析漏、肯塔堡飛散等試驗(yàn)評(píng)價(jià)其綜合路用性能。

        1 工程概況

        廣東某高速K84+275~K99+794段自東南向西北共分兩段:第一段為竹子寮至拾荷隧道段,第二段為柚樹下至蓮花山隧道段。高速公路計(jì)算行車速度為80 km/h,路基寬度為整體式路基23.0 m、分離式路基11.75 m(單幅寬),該高速公路是粵東北梅州地區(qū)路網(wǎng)的主骨架,對(duì)梅州地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要的作用。

        2 加鋪前路面病害調(diào)查

        施工前應(yīng)對(duì)主板的病害及強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)查,針對(duì)該高速路段路面病害的實(shí)際情況,為保證加鋪前具有穩(wěn)定的水泥混凝土路面,需采取以下技術(shù)措施:①對(duì)破碎板和裂縫板塊進(jìn)行更換;②對(duì)脫空板塊進(jìn)行淺層壓漿處理;③錯(cuò)臺(tái)板塊進(jìn)行壓漿,后磨平。

        3 原材料

        3.1 瀝青

        Semiflex -20 母體瀝青混合料中使用瀝青為PG-82改性瀝青,改性瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

        表1 PG-82改性瀝青性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Performance Test Results of PG-82 Modified Asphalt

        由表1可知,瀝青性能指標(biāo)均符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程:JTG E20—2019》[15]要求。

        3.2 集料

        本試驗(yàn)段工程Semiflex-20母體瀝青混合料中所使用粗、細(xì)集料均為白牙山石場(chǎng)生產(chǎn)的凝灰?guī)r,其規(guī)格組成為10~20 mm 碎石、10~15 mm 碎石、5~10 mm 碎石,潔凈、干燥、表面粗糙;細(xì)集料其規(guī)格組成為0~3 mm石屑,潔凈、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì)。石料性能指標(biāo)結(jié)果如表2所示。

        表2 白牙山石場(chǎng)石料性能指標(biāo)Tab.2 Test Results Stone in Baiyashan Quarry

        由表2 可知,集料及礦粉所測(cè)各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范:JTG F40—2017》[16]瀝青混凝土面層集料技術(shù)要求的規(guī)定。

        3.3 專用水泥砂漿

        半柔性路面砂漿是按一定比例的水泥、砂和其他摻配料配制成砂漿干粉,經(jīng)專用設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)加水?dāng)嚢瓒纬傻膶S糜诎肴嵝月访娴母邚?qiáng)、超大流動(dòng)性、微收縮的水泥砂漿。該砂漿檢測(cè)結(jié)果如表3所示。

        表3 半柔性路面砂漿Tab.3 Semi-flexible Pavement Mortar

        由表3 可知,半柔性路面砂漿所測(cè)各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合《專用砂漿半柔性路面應(yīng)用技術(shù)規(guī)范:廣東省標(biāo)準(zhǔn)DB44/T 1296—2014》要求。

        4 母體瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

        Semiflex -20 母體瀝青混合料中使用瀝青為PG-82 改性瀝青,以CAFV 法確定母體瀝青混合料的級(jí)配[16],瀝青用量采用馬歇爾試驗(yàn)確定。經(jīng)試配,Semiflex-20 母體瀝青混合料生產(chǎn)配合比采用(10~20 mm碎石)∶(10~15 mm 碎石)∶(5~10 mm 碎石)∶(0~3 mm石屑)∶礦粉=45∶42∶5∶3∶5。其合成級(jí)配如表4 所示,目標(biāo)配合比曲線如圖1所示。

        圖1 Semiflex-20混合料級(jí)配曲線Fig.1 Semiflex-20 Mixture Grading Curve

        表4 Semflex-20母體瀝青混合料礦料級(jí)配組成要求Tab.4 Grading Composition Requirements for Mineral Aggregate of Semflex-20 Parent Asphalt Mixture

        5 瀝青用量確定

        通過實(shí)驗(yàn)表明,設(shè)計(jì)的Semiflex-20母體瀝青混合料合成級(jí)配能滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范:JTG F40—2004》及設(shè)計(jì)要求。即采用(10~20 mm 碎石)∶(10~15 mm 碎石)∶(5~10 mm 碎石)∶(0~3 mm 石屑)∶礦粉=45∶42∶5∶3∶5。

        5.1 馬歇爾試驗(yàn)

        按表4 合成級(jí)配,采用不同油石比進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表5、圖2所示。

        表5 Semiflex-20馬歇爾最佳瀝青用量試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Test Results of Marshall's Optimal Asphalt Content for Semiflex-20

        根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果和目標(biāo)空隙率的要求,驗(yàn)證的瀝青用量(油石比)范圍為3.3%~3.9%。

        瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí),為了使瀝青混合料具有良好的高溫抗車轍、低溫抗開裂、抗水害、耐疲勞等特性,必須保證集料周圍裹附的瀝青膜有一定的厚度。通常,瀝青膜厚度對(duì)瀝青混合料性能影響甚大,瀝青膜越厚,瀝青混合料越顯柔韌和耐久性越好;瀝青膜太厚,容易出現(xiàn)泛油,瀝青混合料高溫抗變形能力變差;瀝青膜越薄,瀝青混合料越脆,越易產(chǎn)生開裂和剝落。因此需對(duì)母體瀝青混合料進(jìn)行謝倫堡析漏試驗(yàn)及瀝青膜厚度估算。

        同時(shí)由于母體瀝青混合料粗集料占比高達(dá)87%,相對(duì)于SMA、AC 等瀝青混合料,油石比偏低。因此通過肯塔堡飛散試驗(yàn)評(píng)價(jià)由于瀝青用量或粘結(jié)性不足,在交通荷載作用下,路面表面集料脫落飛散損失程度。

        5.2 析漏試驗(yàn)

        按表4 合成級(jí)配,采用不同油石比進(jìn)行謝倫堡析漏試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

        表6 不同油石比下析漏試驗(yàn)結(jié)果Tab.6 Results of Leakage Test under Different Oil-stone Ratio

        5.3 肯塔堡飛散試驗(yàn)

        按表4 合成級(jí)配,采用不同油石比進(jìn)行肯塔堡飛散試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

        表7 不同油石比下飛散試驗(yàn)結(jié)果Tab.7 Results of Flyaway Test under Different Oil-stone Ratio

        5.4 瀝青膜厚度估算

        根據(jù)文獻(xiàn)[16]附錄B 的方法,計(jì)算表4 中級(jí)配的比表面積,估算不同油石比下瀝青混合料的瀝青膜厚度,結(jié)果表8所示。

        表8 不同油石比下瀝青混合料的瀝青膜厚度Tab.8 Asphalt Film Thickness of Asphalt Mixture under different Asphalt / stone Ratio

        由圖3、表5~表8 可知,油石比在3.3%~3.9%范圍內(nèi),瀝青混合料的毛體積相對(duì)密度、穩(wěn)定度、流值均呈駝峰曲線,在油石比3.6%達(dá)到最大值。同時(shí)空隙率、礦料間隙率,通過謝倫堡析漏試驗(yàn)、瀝青膜厚度估算所得數(shù)值均滿足要求Semiflex-20 母體瀝青混合料要求。油石比在3.3%時(shí)肯塔堡飛散試驗(yàn)得出飛散損失為22.3%,略大于《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范:JTG F40—2004》要求。因此取油石比為3.6%作為Semiflex-20母體瀝青混合料生產(chǎn)配合比。

        圖3 專用砂漿澆筑Fig.3 Special Mortar Pouring

        6 母體瀝青混合料的鋪筑

        母體瀝青混合料路面的施工過程應(yīng)分為以下4個(gè)工序:混合料拌制、混合料運(yùn)輸、混合料攤鋪以及混合料碾壓成型。

        6.1 混合料拌制

        母體瀝青混合料應(yīng)在瀝青拌和廠內(nèi)拌制,拌和設(shè)備宜采用間隙式拌和機(jī),其拌制過程與普通瀝青混合料基本一致。瀝青混合料拌和時(shí)間根據(jù)具體情況經(jīng)試拌確定,以瀝青均勻裹覆集料為度。間歇式拌和機(jī)拌合時(shí)間不宜少于45 s。

        6.2 混合料的運(yùn)輸

        母體瀝青混合料宜采用較大噸位的運(yùn)料車運(yùn)輸?shù)綌備伒攸c(diǎn)。從拌和機(jī)向運(yùn)料車上裝料時(shí),應(yīng)多次挪動(dòng)汽車位置,平衡裝料,以減少混合料離析。運(yùn)料車運(yùn)輸混合料宜用苫布覆蓋,保溫、防雨、防污染。

        6.3 混合料的攤鋪

        在鋪筑大空隙母體瀝青混合料之前,宜在基層頂面噴灑陽離子乳化瀝青或改性乳化瀝青,防止專用砂漿滲透到基層,其用量為(0.2~0.3)kg/m2。

        攤鋪過程中攤鋪機(jī)必須緩慢、均勻、連續(xù)不間斷地?cái)備仯坏秒S意變換速度或中途停頓,以提高平整度,減少混合料的離析。攤鋪速度宜控制在(1~3)m/min。當(dāng)發(fā)現(xiàn)混合料出現(xiàn)明顯的離析、波浪、裂縫、拖痕時(shí),應(yīng)分析原因,予以消除。

        6.4 碾壓

        母體瀝青混合料一次壓實(shí)的最大厚度不宜大于120 mm。碾壓施工應(yīng)配備足夠數(shù)量的壓路機(jī),選擇合適的壓實(shí)機(jī)械組合以及碾壓步驟和碾壓次數(shù)。初步擬定壓實(shí)組合為靜壓1遍,振動(dòng)碾壓3遍,再靜壓1~2遍。盡量在較高溫度下碾壓,以達(dá)到最佳碾壓效果。條件允許時(shí),應(yīng)盡量選用寬幅攤鋪設(shè)備,減少接縫,保證路面平整度。

        為防止表面堵塞而影響澆筑專用砂漿,母體瀝青混合料宜采用不大于12 t的鋼筒式壓路機(jī)碾壓。

        7 專用砂漿的拌制與澆筑

        7.1 專用砂漿的拌制

        應(yīng)使用專用砂漿拌和機(jī)現(xiàn)場(chǎng)制作專用砂漿。砂漿干粉加水?dāng)嚢柚敝敛牧暇鶆蛞恢?,測(cè)定流動(dòng)度,符合表9的要求后,即可進(jìn)行澆筑施工。

        表9 專用砂漿技術(shù)要求Tab.9 Construction Temperature of Parent Asphalt Mixture (℃)

        7.2 專用砂漿的澆筑

        當(dāng)母體瀝青混合料路面冷卻至30 ℃以下時(shí),即可進(jìn)行專用砂漿的澆筑。

        為保證砂漿澆筑的連續(xù)性,可用軟管連接現(xiàn)場(chǎng)水泥砂漿攪拌機(jī),把拌和均勻的專用砂漿輸送到待澆筑路面。使用橡膠路耙來回拖刮使其自然漫透,直至澆筑區(qū)域不再有氣泡冒出為止,如圖3所示。

        7.3 專用砂漿半柔性無縫路面的表面處理

        專用砂漿滲透完畢后,須用橡膠路耙將殘留在母體瀝青路面表面上的富余砂漿清除干凈,并露出母體瀝青混凝土表面的凹凸,以保證專用砂漿半柔性無縫路面的抗滑性能。

        在專用砂漿半柔性無縫路面的表面處理完成之前,禁止任何人員與車輛通行。

        8 表面構(gòu)造的恢復(fù)

        半柔性路面要有一定的粗糙度,即表面構(gòu)造,目的是增加路面摩擦系數(shù),起到防滑作用,以減少交通事故的發(fā)生,表面構(gòu)造的恢復(fù)效果與施工工藝相關(guān)。該試驗(yàn)段采用不同的表面構(gòu)造恢復(fù)工藝進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證,所用工藝包括:

        砂漿滲透完畢后,迅速用橡膠刮板刮除表面浮漿,露出母體瀝青混合料表面的凹凸構(gòu)造;

        水泥漿體灌注完畢后,待漿體初凝后將緩凝劑噴灑在路表面上,在路面內(nèi)部水泥漿體終凝前將表面的水泥漿沖洗干凈。

        9 養(yǎng)生及其他

        專用砂漿澆筑完成后的半柔性無縫路面必須進(jìn)行一定時(shí)間的養(yǎng)生,確保專用砂漿強(qiáng)度形成。養(yǎng)生完成后即可開放交通。

        當(dāng)施工氣溫達(dá)到30 ℃以上時(shí),應(yīng)使用塑料薄膜進(jìn)行養(yǎng)生。施工氣溫在30 ℃以下時(shí),可直接露天養(yǎng)生,養(yǎng)生后開放交通。如果氣候較冷或較潮濕,應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

        10 結(jié)論

        本文以礦料主骨料空隙填充法(CAFV)及馬歇爾試驗(yàn)法確定Semiflex-20 母體瀝青混合料骨架空隙率及油石比。通過對(duì)粗細(xì)集料、專用砂漿物理力學(xué)性能及馬歇爾、析漏、肯塔堡飛散等試驗(yàn)評(píng)價(jià)其綜合路用性能,得出以下結(jié)論:

        ⑴在Semiflex-20母體瀝青混合料級(jí)配曲線范圍內(nèi),隨著油石比增大。毛體積相對(duì)密度、穩(wěn)定度、流值等數(shù)值先增大后減小均呈駝峰曲線,在油石比3.6%達(dá)到最大值。綜合考慮其經(jīng)濟(jì)型及路用性能等因素,半柔性路面材料基體的設(shè)計(jì)孔隙率為27%,油石比為3.6%為宜。

        ⑵半柔性路面材料結(jié)構(gòu)層,選用PG-82 改性瀝青、專用水泥砂漿(高強(qiáng)、超大流動(dòng)性、微收縮)。通過廣東某高速公路“K98+410~K98+592”段結(jié)構(gòu)層試驗(yàn)段攤鋪澆筑,取得良好的實(shí)用效果。

        ⑶半柔性路面作為一種新型路面材料,相比于單一的材料鋪筑路面,并沒有增加施工工藝難度,同時(shí)又兼具水泥混凝土和瀝青混凝土的優(yōu)勢(shì),其安全性、適用性、耐久性均強(qiáng)于單一材料性能,能夠廣泛應(yīng)用于市政道路、公路等基礎(chǔ)設(shè)施,具有很好的推廣價(jià)值。

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