级配沥青混合料在青海平西高速公路中的应用研究

级配沥青混合料在青海平西高速公路中的应用研究

1沥青抗滑sma充填材料的选择、配比根据现有设计规范要求，高速公路地板层通常采用抗滑表面处理结构。高速公路的表面层设计采用AK-13A时,有的工程使用效果尚好,也有的使用效果并不好。效果不好的工程主要是施工级配的空隙率偏大,经常处于规范要求的上限,即在5%～8%之间,在使用过程中的空隙率大于8%～10%,水分容易渗入路面层内。由于我国沥青面层较薄,大部分集料粒径偏粗,离析较严重,压实不够,路面中下面层很难防止渗水,则水分就会直接渗入到基层结构中去。总之,AK类抗滑层对路面的密水、防止路面早期破坏很不利。而规范中的AC-13I型,很致密,不透水,但偏细,高温稳定性较差,表面欠粗糙,碾压时容易产生推移。SMA是按照内摩擦角最大的原则,以间断级配的粗集料形成相互嵌挤的矿料骨架,然后按照空隙率较小的原则,以沥青玛蹄脂填充骨架的空隙,形成一种骨架密实结构的混合料。SMA粗集料含量多,形成了骨架嵌挤结构,因此高温性能好。SMA空隙率很小,几乎不透水,而集料和玛蹄脂的粘附性很好,因而SMA具有较好的水稳定性和耐久性。同时,SMA粗集料用量多,路表粗糙,抗滑性能较佳。但是,SMA初期造价较高,一般适用于重交通道路。考虑到现有沥青混合料表面层混合料的不足及能推广应用的目的,新提出沥青上面层应重点考虑耐久性和密水、抗裂兼顾抗滑、抗车辙等功能,但要立足于现有材料、压实机具的合理组合,且造价不能高。SMA虽然性能优良,但由于造价高,施工设备和工艺特殊,目前尚不具备在全国推广的条件和必要性,因此改进AC-13I和AK-13A的级配是本文研究的重点。2级配结构分析在总结近几年哈绥高速公路、哈双高速公路、焦新高速公路、北京市京张公路(运煤车干线公路)、曲荷高速公路和大运高速公路表面层配合比设计的经验,并借助其他地方的工程实践经验,在原规范基础上,提出了一种密实型的AC-13调整型级配沥青混合料。表1为我国现行规范的AK-13A、AC-13I与AC-13调整型(以下简称AC-13调)的级配范围。为使粗集料形成嵌挤,粗集料用量根据粗集料的松装密度与干捣密度的体积特性确定。根据山东科研所的研究,认为“应在松装密度开始,最大不超过松装密度与干捣密度的平均值”。而细集料的选择“则从干捣密度开始,最小不超过干捣密度与松装密度的平均值”。不仅如此,嵌挤密实型级配的共同点是:细集料的用量应根据粗集料形成的空隙来决定,并依次推广到更细的集料。因此,这种级配被称作多级嵌挤密实型级配。由于该法对各级集料用量都有严格规定,故抗车辙、抗渗水的性能都好。与规范中的I型沥青混合料级配相比,粗集料含量相对增加,细集料含量相对减少。根据上述原则提出的AC-13调整型是以AK-13A为原型,调整后的级配范围,以1.18～2.36mm为界,小于1.18mm的粒径级配范围取下限,大于2.36mm的粒径级配范围取上限,这样在原AK-13A型级配范围中形成一个S型的新级配范围带。此级配范围要求粗集料中的偏粗的部分及细集料较小部分均适当减少,而粗集料的较小部分及细集料中的粗颗粒部分适当增加。这样调整的范围既考虑了I型密级配沥青混合料的致密密水的优点,空隙率减小,又可使构造深度比I型密级配沥青混合料大的多。施工设计级配要根据矿料的松装密度与干捣密度的体积特性等材料的特性来确定。按照美国联邦公路管理局(FHWA)和国家沥青路面管理局(NAPA)给出了粗、细级配混合料划分标准,我们试验的AC-13I型沥青混合料的中值级配属于细级配混合料。AC-13调整型和AK-13A都是粗级配混合料。表2为试验路3种沥青混合料的生产配合比实际合成级配。表3为3种矿质混合料的级配结构分析。根据有关研究,认为粗集料位于松散和捣实状态之间即达到了嵌挤状态。在沥青混合料设计过程中,压实后沥青混合料中形成填充控制筛孔以上的矿料间隙率VCA只要小于松散状态的矿料间隙率VCA,即认为该混合料已经形成了嵌挤结构。由表3可知,如果把2.36mm以上粒径看作粗集料的集合体,AC-13调整型和AK-13A的集合体之间都形成了嵌挤结构。但由于AK-13A的粗细集料比例没有AC-13调整型的比例适合,粗集料偏多,细集料偏少,很显然,细料缺乏的级配,是填不饱主骨料的间隙的,很难达到既是多碎石又是密实型的结构组合。按照AK-13A铺筑的沥青路面,空隙率一般都比AC-13调整型的空隙率高。也由于级配偏粗,平均空隙也比AC-13调整型大,从而容易导致透水病害的发生。而AC-13I型呈现的是悬浮状态。其抗车辙能力要比AC-13调整型差。33设计体积参数按照表1推荐的级配,3种沥青混合料的马歇尔配合比设计体积参数及其相应的性能参数见表4。按照现行沥青路面施工规范的要求,3种沥青混合料均满足技术要求,可以用于青海地区高速公路铺筑。4沥青混合料的压实度和级配考虑到青海马平高速公路交通量不大,路面进一步压密较少,更重要的是减少现场空隙率,能减缓沥青路面老化,减少降低路面寿命的可能,因此本次施工技术要求中提出利用现有压实设备,将压实度从现行规范的96%提高到98%。为此,考虑到AK-13A和AC-13调整型沥青混合料的嵌挤结构特点,对其施工工艺进行了改进。由于粗集料比例高,摊铺机摊铺后这两种沥青混合料已经成型,因此我们直接用振动压路机振动碾压,省去了传统的静压阶段。这样,并没有出现碾压变形的毛病,而且真正做到了高温碾压。由于沥青润滑性能能充分发挥出来,集料活动容易,骨架结构更易形成。实践表明,改进的工艺是可行的,压实度达到了预期目的。图1为3种沥青混合料面层检测点的压实度统计图。图2为3种沥青混合料面层检测点的现场空隙率统计图。可以发现,3种混合料的压实水平明显不同,压实度统计见表5。AC-13I沥青混合料的压实度全部超过99%,有的达到100%以上。AC-13调整型沥青混合料90%的样点可以达到98%的压实度。AK-13A沥青混合料,仅12.5%的样点能达到98%的压实度,在3种沥青混合料中,是压实度最低的。表6是从现场残留空隙率角度,统计3种沥青混合料的压实水平。以现场残留空隙率6%为分界点,细密级配AC-13I型没有一个超过此值;粗密级配AC-13调整型有10%超过此值,粗密级配AK-13A有37.5%超过此值。从表5和表6的测量结果和统计中可以看出,3种混合料的压实特性不同。细密级配AC-13I最易压实,AC-13调整型压实特性居中,AK-13A的压实相对最难。从级配范围的中值(表2)可以看出,AC-13I型最接近最大密度线,这种级配决定了它容易达到较大密实度,而且级配中细集料主要是砂,砂粒圆滑,施工性能好。这是这种混合料压实度高,现场空隙率相当低的原因。可能的隐患是在重载交通荷载作用下的泛油和车辙。AC-13调整型混合料级配中值偏离了最大密度线,混合料的粗集料位于最大密度线的上方,细集料位于最大密度线的下方。这样级配曲线呈“S”形状。这种混合料的结构为嵌挤密实型,能保证在交通荷载作用下最终空隙率在4%左右,在交通荷载作用下不产生车辙,施工后现场残留空隙率6%左右,路面压实密度符合设计要求。AK-13A型沥青混合料粗集料含量比AC-13调整型更多,所有级配曲线位于最大密度线的下方,混合料结构属于嵌挤骨架型。这种混合料由于粗集料较多,压实困难,压实度是3种混合料中最低的;细集料太少,容易形成连通的孔隙结构。在适合的层厚条件下,抗车辙能力是3种混合料中最好的。5沥青混合料的渗透率进行试验路检测时,在每个试验段随机选择2～3个点,先做渗水系数试验,在同一点钻芯取样,计算现场空隙率,以分析沥青混合料路面类型、现场空隙率和渗水系数之间的关系。图3为试验路表面层现场空隙率和渗水系数的统计图。表7为3种混合料类型现场空隙率和渗水系数的统计结果。对于沥青混合料,众多的研究表明:沥青路面中的残余空隙率在3%以下,8%以上都是不利的。沥青混凝土空隙率过小会产生车辙和推挤,而过高的空隙率则会让水和空气进入路面,产生水损害、剥落和裂缝。从图3可以看出:虽然3种混合料的现场空隙率都小于8%,但是仍然有渗水严重的点。从密封性来考虑,AC-13I优于AC-13调整型和AK-13A。从试验路的渗水情况可以看出,对于AK-13A这类粗级配沥青混合料,即使空隙率小于8%,大部分仍然渗水严重。我们的试验表明,当空隙率小于6%时,才不会渗水,不会产生空隙率过高的种种病害。对于AC-13调整型沥青混合料,临界空隙率要比AK-13A的高,因为在相同空隙率情况下,AK-13A已经渗水严重,达到500mL/min,而AC-13调整型渗水系数在100mL/min以内。由于没有出现渗水严重的点,临界空隙率尚不能提出。对于AC-13I型沥青混合料由于现场空隙率较小,均不渗水。估计临界空隙率比AC-13调整型的还要大。试验表明,不同类型的混合料,有不同的临界空隙率,为此,不同混合料的现场空隙率或压实度应有不同的标准,这对解决路面早期破坏,提高其寿命具有重要意义。试验结果表明,不仅不同空隙率的沥青混凝土路面具有不同的渗水性,因而水敏感性不同;即使在空隙率相同的情况下,不同类型的沥青混合料路面其渗水系数也不同,这与混合料内部空隙的分布形式有关。3种沥青混合料渗水特性可以从他们的矿料级配曲线的明显不同来解释。AC-13I实际级配线最接近最大密度线,AC-13调整型则与最大密度线交错,AK-13A则位于最大密度线的下方。我们知道,在最大密度线下方的级配较粗,将产生比上方级配混合料较大的空隙。在相同空隙率时,3种级配曲线的沥青混合料孔隙分布是不同的,AC-13I的平均孔隙尺寸最小,孔隙数量最多,AK-13A的平均孔隙尺寸最大,孔隙数量最少,容易出现连通孔隙,而AC-13调整型的平均孔隙尺寸和孔隙数量都介于中间。因此,AC-13I混合料路面渗水系数最小,AC-13调整型的次之,AK-13A混合料的最大。6平均构造深度图4为试验路表面层构造深度测量结果。表8为3种混合料类型构造深度统计结果。由表8可以看出,平均构造深度的大小是AK-13A大于AC-13调整型和AC-13I型。表面层构造深度基本上与沥青混合料粗集料含量成正比例关系,也与压实沥青混合料的空隙率成比例关系。按照现行有关规程的要求,AK-13A和AC-13调整型都能达到要求,而AC-13I型则明显偏小。7混合料的性能综合评价按照现行规范技术要求,AC-13I,AC-13调整型和AK-13A等3种沥青混合料都可作为表面层铺装材料。但由于其级配和结构组成不同,表现了各自的现场路用性能。(1)从压实特性和现场空隙率方面比较,AC-13I最易压实,AC-13调整型次之,AK-13A最差。(2)从路面密水性能方面比较,AC-13I和AC-13调整型较好,AK-13A较差。在相同的空隙率6%左右时,AC-13I和AC-13调整型基本不渗水,而AK-13A已严重渗水。说明相同的空隙率时,不同的沥青混合料面层的密水性能不同。(3)从路面抗滑