高模量富沥青混合料的设计办法

摘要：通过提高路面模量和增加混合料的粗骨料以达到提高道路抗车辙的效果，本文以二广高速科研路为依托，提出高模量富沥青的设计办法。

关键字： 高模量沥青 富沥青混合料设计 粗骨料 离析

1 研究背景

在我国高速公路沥青路面建设中，沥青路面的早期破坏问题，已成为影响我国公路建设健康发展的突出问题，其中，高温车辙破坏最为突出。高温的气候条件、车辆超载重载现象严重、高速公路的渠化交通和山区高速公路不可避免的长大纵坡及沥青路面配合比设计的不合理均可能造成沥青路面的车辙破坏。而对于广东省来说，由于高温多雨形成的湿热气候条件，以及大流量、大轴载和渠化交通的加剧，造成车辙破坏成为本地区沥青路面的主要破坏形式，占到了所调查沥青路面产生病害类型的50%以上。为了解决这些问题，本文提出高模量富沥青设计办法。通过提高路面模量和增加混合料的粗骨料，提高道路的抗车辙能力。

2 路面结构的选择

2.1 基层选择依据

半刚性基层沥青路面以其高强度、良好平整度和抗疲劳性能好等特点,已成为目前我国高等级公路路面结构的主要形式。然而随着这种结构的大量应用,发现其存在着严重的裂缝问题,并已成为该结构的主要缺陷。裂缝的防治有控制含水量、降低水泥用量、加强洒水养护等方法,然而这些方法只能减少或延缓裂缝的产生,不能解决根本问题。在广东省高温多雨的季节极易造成大面积的裂缝。裂缝的存在使道路表面雨水不可避免地进入结构层及路基,致使路面结构层和路基强度大大降低；同时,裂缝在车辆荷载的冲击作用下,很容易扩展,严重的出现唧浆和坑槽。水泥稳定碎石在温、湿变化作用下产生较大的收缩变形是导致基层裂缝及反射裂缝的主要原因。因此,为了改善水泥稳定碎石基层抗裂性能，本文提出了用振动成型法进行密实骨架水泥稳定碎石配合比设计，最重要的是用该法确定水泥稳定碎石混合料的最大干密度、最佳含水量和最佳水泥剂量。

2.2面层选择依据

根据对路面结构层按其使用功能进行适应性设计，表面层必须具有良好的抗车辙、抗开裂（温度裂缝和剪切裂缝）以及抗磨耗性能，同时还应提供良好的行车要求（平整度、抗滑、低噪音等）。表面层的要求依赖于当地的交通条件、当地经验和经济条件。中间层必须具有良好的高温稳定性和耐久性。特别是在从路表面以下150mm范围内这一容易产生较大剪应力区域，应特别注意结构层的抗车辙性能。沥青混合料下面层必须具有良好的抗疲劳开裂（指自下而上扩展的疲劳裂缝）的性能。为了丰富沥青混合料设计与评价方法，本文拟在高斜坡路面采用高模量富沥青设计方法设计。

根据国内外的调研，本科研路拟采用的结构是4cm AC-13C细粒式改性沥青砼+6cmA-30#沥青 FAC-20沥青砼+8cm30#沥青FAC-25沥青砼+36cm厚3.5MPa骨架密实结构水泥稳定碎石+20cm厚2.5MPa悬浮密实结构水泥稳定碎石+15cm级配碎石。本文以中面层FAC-20为例，讲述高模量富沥青的设计方法。

3 沥青中面层FAC-20沥青砼配合比设计

3.1材料说明

沥青使用的是中海油A-30#低标号沥青，（针入度25℃，100g，5s）值为36（0.1mm），（针入度指数PI）为-0.10,软化点TR&B 值为56.9℃。石料的压碎值为14.7%，洛杉矶磨耗损失值为18.8%，表观密度值为2.694g/cm3,吸水率为0.34%，与SBS改性沥青的粘附性5级，坚固性值为9.6%，针片状颗粒含量值为10.8%，各项指标均满足规范要求。

3.2 目标配合比设计

通过粗骨料CAVF法的计算，混合料粗集料用量为67.5%，细集料用量为28%。具体的配合比设计见表1。

试配时考虑拌和楼除尘效果，经试配FAC-20型沥青混合料目标配合比矿料级配采用10～20mm碎石:5～10mm碎石:0～3mm石屑:矿粉:水泥= 43:25:27:3:2。

拟定试配4.5%,5.0%,5.5%,6.0%和6.5%的沥青用量（油石比）进行马歇尔试验，曲线图结果如图1所示。

满足空隙率沥青用量的范围为4.5%~5.3%，满足饱和度沥青用量范围为4.7%~5.3%，满足稳定度沥青用量范围为4.5%~6.5%,满足流值沥青用量范围为4.5%~6.5。OACmix=4.5%，OACmax=5.3%，a1=6.5%，a2=5.3%，a3=5.3%，a4=5.0%。建议沥青用量（油石比）范围为4.7~5.3%，初步确定最佳沥青用量为（油石比）5.2%。并按该沥青用量进行以下检验试验。其残留稳定度为90.6%，满足普通沥青混合料的马歇尔残留稳定度大于80%的要求。

3.3 生产配合比

经拌合楼二次筛分，取热料做生产配比，集料级配要求如表2

采用上述材料进行FAC-20型沥青混合料生产配合比矿料级配曲线设计，经配制，FAC-20沥青混合料生产配合比为：18~31mm碎石:11～18mm碎石:6～11mm碎石: 3～6mm碎石:0～3mm石屑:矿粉:水泥= 9:34:23:9:20:3:2。生产配合比最佳油量（油石比）为5.2%时，各项体积指标均能满足规范要求，初步确定生产配合比最佳沥青用量（油石比）为5.2%。FAC-20生产配合比浸水马歇尔试验其残留稳定度为90.9%，满足普通沥青混合料的马歇尔残留稳定度大于80%的要求；FAC-20 沥青混合料车辙试验其动稳定度DS大于6000次/mm，满足普通沥青混凝土配合比设计检验指标车辙试验动稳定度不小于1000次/mm的要求；FAC-20沥青混合料渗水试验其渗水系数为89ml/min，满足密级配沥青混合料配合比设计检验指标中渗水系数不大于120ml/min的要求。

4工程实例

4.1 科研路铺筑

本科研路铺筑在二广高速粤境怀集至三水段上，全线桩号为：K1+940-K118+950.085，共117.01公里。中面层桩号为：K39+942-K40+611,共669米。本次科研路采用高模量富沥青的设计办法进行配合比设计，科研路所处自然区划分为IV7-IV6，沥青混合料路面的设计年限为15年，一个车道上的累计标准轴载（100KN），作用次数Ne=1.70×107次，设计弯沉0.125mm。沥青目标加热温度为165℃~175℃，并设置自动保温系统，矿料目标加热温度为185℃~195℃，混合料出厂温度应控制在175℃~185℃，混合料温度超过195℃者废弃。拌和厂拌和时间为干拌8S、湿拌42S，拌和出的沥青混合料外观应均匀一致、无花白料、无结团成块、糊料、冒青烟或严重的粗细料分离现象，不符合要求时不得使用，并应及时调整。

采用2台凯莫尔重科TOP1201摊铺机梯队摊铺，7.4m宽的摊铺机靠中央分隔带先摊铺，7m宽的摊铺机靠土路肩紧跟在后摊铺，两台摊铺机距离5~30米（根据气温高低可适当调整），相邻两幅应重叠10~20cm，力求作业流畅，沥青混合料温度均衡，一次摊铺完半幅。摊铺温度为165℃~175℃。摊铺机在开始倒料前应在料斗内涂刷少量防止粘料用植物油与水混合液。摊铺机手按照松铺厚度，根据摊铺机特性，调好松铺高度，调好水平传感器及基准梁高度，振捣夯锤调到中档，摊铺速度为3~4m/min，按照预定的宽度、横坡进行摊铺。摊铺机前面由专人指挥汽车卸料。摊铺机后面由专人小组进行检修。半幅摊铺好后马上进行松铺标高测量。

初压，混合料摊铺达到可碾压长度（20~50m），初压温度不低于155℃~165℃。以不产生推移紧跟摊铺机碾压，用3台26 T轮胎压路机碾压3遍，碾压速度控制在2~3.5 km/h。轮胎与沥青砼之间的隔离剂，采用人工涂抹植物油，涂油量以不粘轮为前提尽量少涂。

复压，紧跟初压进行，复压温度不低于145℃，碾压速度控制在2~3 km/h，采用12T双钢轮压路机先前静退振碾压1遍，再振动碾压2遍。钢轮喷水量以不粘轮为原则尽量少喷，减少温度的损失。

终压，用12T双钢轮压路机，速度控制在2.5~3.5 km/h，静压1~2遍，以完全消除压路机轮迹为止。终压完温度不低于110℃。

压路机在碾压时应从低向高位碾压，相邻碾压带应重叠1/6~1/4轮宽。当压到两侧路缘石边缘时，压路机应小心紧靠碾压但不得碰撞，个别工作死角用夯锤人工夯实。

采用无核密度仪（图2）和激光纹理仪（图3）对本科研路进行了路面施工质量均匀性的评价。

段激光纹理检测

4.2无核密度评价

4.2.1检测方案

在试验段中间，选取100m长、13m宽的区域，将该区域细分为0.125平方米，每0.125平方米区间作为一次无核密度仪检测区域，共计进行了6534次无核密度试验。根据无核密度仪现场测定的密度数据，采用试验路最大相对理论密度计算各测试点的现场空隙率，根据现场空隙率指标控制要求划分判定离析程度标准的区间。

4.2.2均匀性判定标准

试验段非均匀性（离析）判定标准如表3所示。

4.2.3检测结果分析

根据无核密度仪离析程度判断标准得出：本试验段的非离析面积占整个检测区域面积的84.74％，细离析占2.14％，中度粗离析占11.85％，重度粗离析占1.27％。

4.3激光纹理仪

4.3.1检测方案

在试验段中间，选取200m长、13m宽的区域，将该区域按纵向细分为14列，每一列作为一条激光纹理检测带，共计进行了14列激光纹理试验。根据激光纹理仪的工作原理（横向1米，纵向每10延米出示一个平均构造深度结果），沿着纵向以3～6公里/小时的步行速度推动激光纹理仪，测得每一列的构造深度值，连续测量进而得到整个路段的相对构造深度。

4.3.2判定标准

利用数理统计方法对试验路检测数据进行分析，确定试验段测评区域表面构造深度数学期望值及判定离析程度的区间。离析划分为五个等级：细离析、非离析、轻微离析、中度离析、重度离析，科研路构造深度的期望为0.84mm。离析程度区间划分如表4

从激光纹理分析结果来看，本试验段的表面非离析面积占整个检测区域面积的82.50％，轻微表面离析占11.07％，表面细离析占6.07%，表面中度离析占0.36%。

5结语

通过669米科研路的铺筑，从室内设计、现场摊铺到科研路的检验来说控制的效果都是相对不错的。其平整度、现场渗水试验和均匀性都能很好地满足规范要求。在后续的路况调查研究中，有待对此段路面进行更详细的研究。希望其铺筑实施的效果能对这种结构的路面带来启发意义。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。