大粒徑透水性瀝青碎石混合料柔性基層技術(shù)應(yīng)用與探討

李金成

［摘要］通過濱德高速公路的修建，重點對大粒徑透水性瀝青混合料作為柔性基層，其作用性能及施工質(zhì)量控制做詳細的分析，并對存在的問題進行了認(rèn)真的探討。

［關(guān)鍵詞］高速公路；大粒徑透水性瀝青混合料；應(yīng)用；探討

1概況

1.1濱州至德州公路是國家重點公路東營至香港（口岸）公路濱州至衡水支線的重要路段，該路段在山東境內(nèi)途徑濱州和德州兩市，是連接渤海灣經(jīng)濟區(qū)尤其是膠東半島北部沿海港口與其經(jīng)濟腹地的高速通道。其東起濱州市，與國家高速公路長春至深圳公路和榮城至烏海公路相連，西至德州市，與已建成的德州至衡水高速公路相連。同時，該路段還是山東省規(guī)劃的“五縱連四橫、一環(huán)繞山東”高速公路網(wǎng) “一橫”和“一環(huán)”的重要組成部分。

1.2路面結(jié)構(gòu)設(shè)計為：上面層（4cm）--瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA-13）；中面層（6cm）—中粒式瀝青混凝土（AC-20C）；下面層（8cm）—粗粒式瀝青混凝土（AC-25C）；基層（12cm）—大粒徑瀝青碎石（LSPM-30）；基層（2*18cm）—水泥穩(wěn)定碎石；底基層（20cm）—二灰土（石灰、粉煤灰穩(wěn)定土，外摻1.5%水泥）。山東省經(jīng)過對大粒徑透水性瀝青混合料柔性基層（LSPM）試驗路建成通車以來，大力推廣該種結(jié)構(gòu)，為此在濱德高速公路的修建中同樣也采用了大粒徑透水性瀝青混合料。本文將重點介紹大粒徑透水性瀝青混合料在濱德高速公路的應(yīng)用，以及對目前應(yīng)用過程中存在的問題予以探討。

2LSPM性能及作用

2.1 高溫穩(wěn)定性：

LSPM為單一粒徑骨架嵌擠型混合料，9.5mm以上粗集料比例在70%左右，形成了完成的骨架嵌擠，因此具有良好的高溫穩(wěn)定性。評價混合料高溫穩(wěn)定性的試驗方法有多種，通常我們采用的方法是動穩(wěn)定度試驗，即車轍試驗。瀝青混合料車轍試驗是試件在規(guī)定溫度及荷載條件下，測定試驗輪往返行走所形成的車轍變形速率，以變形穩(wěn)定期內(nèi)每產(chǎn)生1mm變形的行走次數(shù)即動穩(wěn)定度表示。

由于LSPM粒徑較大，一般情況下最大粒徑可達到37.5mm，因此傳統(tǒng)的5cm 車轍試件厚度已不適用。對于LSPM應(yīng)有較小壓實厚度，當(dāng)車轍試件厚度小于該厚度時，粗集料之間不能形成良好的骨架結(jié)構(gòu)，集料之間不能互相嵌擠，此時的試驗數(shù)據(jù)不能反映真實情況。根據(jù)混合料壓實厚度應(yīng)為最大公稱粒徑的3-4倍原則，通過山東省其他已完成高速所提供的試驗驗證，表明對于LSPM車轍試驗最小應(yīng)采用8cm厚度，試驗溫度采用現(xiàn)行規(guī)范中的規(guī)定的60℃。

2.2水穩(wěn)定性：

瀝青混合料在浸水條件下，由于瀝青與礦料的黏附力降低，表現(xiàn)為混合料的整體力學(xué)強度降低。尤其對于LSPM，由于空隙較大，瀝青用量少，礦料之間的接觸點比普通瀝青混合料少，對于LSPM的膠結(jié)料宜采用較高黏度的改性瀝青，以形成較厚的瀝青膜，可使瀝青膜的厚度大于12μm。由于目前沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此，對于LSPM的水穩(wěn)定性主要從保證瀝青膜厚度即瀝青含量進行檢驗與控制。

2.3疲勞性能：

瀝青路面的疲勞開裂也是瀝青路面最主要的破壞模式之一。瀝青路面使用期間，經(jīng)受車輪荷載的反復(fù)作用，其應(yīng)力或應(yīng)變長期處于交迭變化狀態(tài)，致使路面結(jié)構(gòu)強度逐漸下降。當(dāng)荷載重復(fù)作用超過一定的次數(shù)以后，在荷載作用下路面內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力就會超過路面結(jié)構(gòu)強度下降后的結(jié)構(gòu)抗力，會在路面處治層底部產(chǎn)生疲勞開裂，在荷載繼續(xù)作用下，裂縫擴展至表面形成疲勞裂縫。

LSPM為嵌擠型混合料，粗集料比例較大，瀝青用量較低，空隙率較大，因此其疲勞性能要較密級配、密實型瀝青混合料低，但與密級配瀝青穩(wěn)定碎石疲勞性能相當(dāng)。借鑒以往工程和經(jīng)驗算LSPM層出現(xiàn)較大拉應(yīng)力時，可采用以下兩種方法改善結(jié)構(gòu)抗疲勞性能：

2.3.1精心進行路面結(jié)構(gòu)組合設(shè)計，讓LSPM層處于受壓區(qū)域，基本上不出現(xiàn)拉應(yīng)力。

2.3.2在LSPM層下增設(shè)細粒式瀝青混合料抗疲勞層。

2.4滲透性能：

LSPM的主要功能之一是能將滲入路面中的水迅速排除，因此，滲透性是評價透水性瀝青混合料最為關(guān)鍵的指標(biāo)之一。透水性能常用滲透系數(shù)表示。

根據(jù)以往山東省已完工程及相關(guān)課題研究，對于LSPM當(dāng)空隙率達到13%時，混合料的滲透系數(shù)發(fā)生突變，而空隙率達到18%以后滲透系數(shù)變化不明顯，一般滲透系數(shù)為0.01cm/s到1.0cm/s之間，此時能夠滿足混合料排水性的要求，而對密級配瀝青混合料即使空隙率達到10%，其滲透系數(shù)的數(shù)量級一般為10-5，即混合料的滲透性能不僅與空隙率有關(guān)。

目前測試滲透系數(shù)的方法采用ASTM PS129-01中規(guī)定的無側(cè)向滲水儀（見下圖），無側(cè)向滲水儀的基本原理是讓量筒里的水滲透飽水瀝青混合料并記錄達到預(yù)先設(shè)定水頭落差位置的時間間隔，然后用達西定律計算瀝青混合料的滲透系數(shù)。

滲透系數(shù)K由下式計算：

K=(al/At)ln(h1/h2)

式中：K——滲透系數(shù)，cm/s;

a——量筒內(nèi)徑面積，cm2;

l——試件厚，cm;

A——試件橫截面積，cm2;

t——水頭高計時刻度至低計時刻度花費時間，s;

h1——時間t1水頭高度,cm;

h2——時間t2水頭高度，cm。

圖—無側(cè)向滲水儀

2.5抵抗反射裂縫能力：

由于作用于路面的實際荷載為運動荷載，總會經(jīng)歷對稱加載和非對稱加載過程，在交通荷載作用下導(dǎo)致基層或舊路面中的裂縫向瀝青面層反射的主要原因是裂縫尖端剪應(yīng)力的奇異性。無論是對稱荷載還是分對稱荷載作用，裂縫尖端的應(yīng)力強度因子都將隨著加鋪基層模量的增大而增大。LSPM由于空隙率較大、瀝青含量低，因此其模量也較低，一般在400—600Mpa之間，遠較密級配瀝青混合料低。

根據(jù)斷裂力學(xué)及以往施工經(jīng)驗分析，混合料中沒有空隙或空隙非常小時，無論是對稱荷載還是分對稱荷載作用，裂縫尖端應(yīng)力狀態(tài)都有很大的奇異性，當(dāng)存在較大空隙時將極大地消減了裂縫尖端的應(yīng)力集中，即說明在裂縫擴展過程中，大空隙的存在能阻礙裂縫進一步的發(fā)展。

綜合以上對LSPM性能的分析，可以得到的性能優(yōu)點：

①LSPM由于粗集料形成了完整的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，具有較強的抵抗車轍變形能力；

②采用了較高黏度的改性瀝青，瀝青膜厚度較大，具有較高的水穩(wěn)定性；

③空隙率較大，滲水系數(shù)能夠滿足結(jié)構(gòu)排水要求，能夠?qū)B入路面的水分迅速排出結(jié)構(gòu)以外；

④由于其模量不是非常高，而且存在大量的連通空隙，具有很高的抵抗反射裂縫能力。

3 LSPM柔性基層質(zhì)量控制

對于LSPM現(xiàn)場壓實度采用空隙率與壓實度雙指標(biāo)進行控制，從路面取芯樣以二次封蠟法或計算法進行測試，混合料理論最大密度采用計算法，另外還需要通過壓實遍數(shù)來進行壓實控制。由于現(xiàn)場壓實與室內(nèi)擊實存在差別以及現(xiàn)場瀝青封層和石屑的上浮，造成混合料底部比較密實也影響了空隙率，綜合考慮各種因素，現(xiàn)場路面鉆芯取樣檢測空隙率宜控制在平均值為13%-18%，極值為20%，考慮空隙率測定方法的不同，在正式實施時還可以進行調(diào)整；壓實度的控制與普通瀝青混合料相同，不應(yīng)小于98%。現(xiàn)場芯樣的檢驗頻率按照規(guī)范要求進行，或根據(jù)招標(biāo)文件要求進行。

拌和站控制室要逐盤打印瀝青及各種礦料的用量與拌和溫度，同時由質(zhì)檢人員檢驗混合料出廠溫度、攤鋪溫度和碾壓溫度，并對混合料進行目測，檢驗有無花白料、嚴(yán)重離析現(xiàn)象等。每天結(jié)束后，用拌和站打印的各種數(shù)量、以總量控制的各倉用量及各倉級配計算平均施工級配、油石比和抽提結(jié)果相比較。

另外對于混合料質(zhì)量控制，以每天分別從拌和站和攤鋪現(xiàn)場取樣進行抽提和篩分試驗，每天至少兩次，每次取樣不少于4kg。由于LSPM的級配是根據(jù)粗集料的骨架和體積狀態(tài)以及細集料的填充狀態(tài)，通過實際計算而得到，級配范圍隨著原材料的體積性質(zhì)不同而有所變化，但是為了便于對施工質(zhì)量的控制，通過國內(nèi)資料的查詢，在級配控制時采用對重點篩孔進行重點控制，主要為0.075、4.75、9.5、13.2、26.5、31.5mm各級必須滿足范圍要求，根據(jù)重點篩孔偏差范圍可以制定相應(yīng)施工控制范圍要求，其余篩孔允許有一點超出施工級配要求范圍，瀝青含量允許偏差為±0.2%。另外還需要對拌和站進行逐盤與總量檢驗。

混合料的級配曲線以抽提篩分結(jié)果為準(zhǔn)，由于拌和站熱料倉取樣偏差比較大，不以熱料倉篩分根據(jù)比例計算為控制要求?；旌狭显谌訒r應(yīng)盡量避免離析，可以多取一些然后進四分法控制。同時為防止由于瀝青含量過高而發(fā)生析漏，混合料還需要進行析漏試驗，要求析漏量小于0.2%。

4大粒徑透水性瀝青混合料（LSPM）柔性基層有關(guān)問題探討

4.1施工時的離析問題。由于大粒徑透水性瀝青混合料（LSPM）柔性基層為開級配的瀝青混合料，所以集料在堆積和運輸、汽車裝卸料、攤鋪機鋪筑作業(yè)的過程中無法避免瀝青混合料產(chǎn)生離析，而且通過現(xiàn)場實際施工觀察，離析的程度相當(dāng)嚴(yán)重。離析是混合料中的粗集料與細集料分離開來，呈現(xiàn)出粗集料在某一部位局部集中的現(xiàn)象，切離析是大碎石的固有級配特性所決定的，要改善離析所產(chǎn)生的危害，一方面在在料場盡可能減少料堆的高度，減少隨機離析。同時在卸料、運輸方面注意嚴(yán)格按“三盤”卸料法和減少制動等措施；另一方面從攤鋪機上著手，對現(xiàn)有攤鋪機增設(shè)二次攪拌設(shè)備，同時對螺旋布料器加以改良，采用傳輸帶分布卸料，整個攤鋪機的機構(gòu)應(yīng)注意作相應(yīng)調(diào)整。

4.2選擇合適的改性瀝青問題。由于大粒徑透水性瀝青混合料（LSPM）柔性基層的空隙率大，盡管骨料級配是骨架-空隙結(jié)構(gòu)，內(nèi)摩擦角j大，但骨料之間的粘結(jié)力c就偏小，所以瀝青膜的厚度和瀝青質(zhì)量的優(yōu)劣將直接影響LSPM的耐久性，同時石料與瀝青的粘結(jié)抗剝和抗水損害相當(dāng)重要的。本工程根據(jù)設(shè)計圖紙和業(yè)主要求，采用MAC-70號改性瀝青或SBSI-D改性瀝青。MAC-70號改性瀝青應(yīng)滿足相關(guān)要求，SBS改性瀝青技術(shù)要求參考《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》。

4.3空隙率大而無具體標(biāo)準(zhǔn)致使施工控制與管理較難。本工程大粒徑透水性瀝青混合料（LSPM）柔性基層設(shè)計時以13～18％的空隙率為控制指標(biāo)，實際施工時由于離析等原因，致使大粒徑瀝青混合料的空隙率難控制，無形中難以把握和檢測壓實程度，由于振動壓路機容易震碎粗細骨料，所以造成該層的級配、內(nèi)摩擦角j和粘結(jié)力c都相應(yīng)的改變了，該層的耐久性將很難保證。實際施工時，人為控制壓實效果的因素占相當(dāng)大的比重，碾壓時往往是根據(jù)碎石是否震碎來調(diào)整壓路機的震幅和頻率，對整體層次的壓實度均勻性和一致性不免產(chǎn)生不良影響，對路面的整體使用效果也可能產(chǎn)生較為不利的影響。

4.4大粒徑透水性瀝青混合料（LSPM）柔性基層攤鋪很難保證一致帶來的問題。由于改建路或下層表面平整度不符合要求，致使找平層厚度不均，整條路的大粒徑透水性瀝青混合料（LSPM）柔性基層總厚度不等，且實際施工時最大壓實層厚也很難固定，所以造成了該層的級配不良和壓實度不均勻，以上兩指標(biāo)的不良，影響路面整體的使用壽命。

5結(jié)束

目前全國公路通車總里程已突破200萬公里，其中瀝青路面道路占了大多數(shù)。由于經(jīng)濟、技術(shù)等原因，以石灰穩(wěn)定類和水泥穩(wěn)定類為主的半剛性基層瀝青路面是目前已建瀝青路面的主要結(jié)構(gòu)形式。已建半剛性基層瀝青路面經(jīng)過一段時間使用后，會出現(xiàn)不同程度的損害，必須進行加鋪改造，以恢復(fù)路面的使用功能，尤其當(dāng)路面出現(xiàn)早期損害后，加鋪改造往往提前。

隨著對半剛性基層認(rèn)識的不斷深入，逐漸認(rèn)識到對半剛性基層進一步擴大應(yīng)用的趨勢因自身弱點而受到制約。大量在建或已建工程研究證明，采用大粒徑透水性瀝青混合料能夠有效地防止反射裂縫的發(fā)生，并且能夠排出路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分，避免水分對下層或瀝青面層的破壞；另外大粒徑透水性瀝青混合料具有較高的模量和抵抗變形的能力，可以直接用于舊路補強或新建路的結(jié)構(gòu)中。為了延長路面的使用壽命，尤其是拓寬改建工程的路面使用壽命，避免路面過早損壞，交通行業(yè)在貫徹科學(xué)發(fā)展觀和建設(shè)資源節(jié)約型社會的現(xiàn)實情況下，采用新技術(shù)和新工藝進行路面設(shè)計和施工是社會需要和形勢所趨。盡管采用LSPM柔性基層還存在初期投資比較大，而且在施工和檢測方面還存在很多問題需要探討和進一步解決，但影響不了大粒徑瀝青混合料柔性基層的進一步發(fā)展和應(yīng)用。

參考文獻

［1］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范（JTGD50-2006）.北京：人民交通出版社，200O.

［2］王松根《大粒徑透水性瀝青混合料柔性基層設(shè)計與施工指南》， 人民交通出版社，2007年1月

［3］中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).公路工程瀝青與瀝青混合料試驗規(guī)程（JTJ052-2000）.北京：人民交通出版社，200O.

［4］濱州至德州（魯冀界）高速公路兩階段施工圖設(shè)計 施工圖紙

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請以PDF形式查看。