高温区以级配碎石作基层的沥青混凝土路面施工技术分析

　　摘要：本文以喀布尔—贾拉拉巴德—图可汗木公路工程为例，分析高温区以级配碎石做基层的沥青混凝土路面施工技术。
　　关键词：高温稳定性；粘附性；酸性材料；矿料
　　1.1工程概况：由我公司承建的喀布尔—贾拉拉巴德—图可汗木公路工程，位于阿富汗喀布尔以东，是一条连接阿富汗与巴基斯坦通往中亚各国的主干道，是一条集贸易、资源开发、人道主义援助及阿富汗难民遣返的生命线，具有极端重要性。地势西高东低，海拔从2000米至200米。地貌特征，山区、丘陵分布，地表土为岩石及砂砾发育，岩石分类多为片麻岩、石英岩、花岗岩、角闪岩及页岩。
　　我公司承建的74公里K67+700——K142+000，位于中部，自然环境变化显著，28公里位于一面是峻山，一侧临峡谷的崇山峻岭中，其他地段穿越丘陵、平川的四面环山的类盆地地段，海拔由500米至950米。气温高达55度（低温在零度以上），干热时间长达半年，降水少，降雨集中在一至三月份。
　　1.2、技术概况：该工程以路面工程为主，包括基层、沥青混凝土面层、碎石路肩；路基工程以路槽修整为主；桥涵结构物以桥涵修复为主，排水防护工程主要为砌石工程，交通安全设施等。路面结构：25cm厚级配碎石基层、10cm沥青下面层、5cm磨耗层。路基宽度：11.0米，路面标准宽度8.5m双向双车道，其中7米主车道、两边各0.75m硬路肩，0.25m碎石路肩。设计时速：80KM/小时。地震烈度：10.0级。
　　主要工程量：级配碎石基层19万方，沥青透层66万升，沥青下面层6.4万方，沥青上面层（磨耗层）3.2万方。主要修复结构物100个，74.3公里交通标志标线及安全设施等。
　　2.1沥青混合料的强度机理及材料要求:按级配原则构成的沥青混合料的结构强度,是以沥青与矿料之间的粘结力为主,矿料的嵌挤力和内摩擦力为辅而构成。这类混合料的结构强度受温度的影响较大。按最佳级配原理设计的沥青混合料,由连续级配矿料组成的混合料，密实度与强度较高,受沥青的性质影响较大,稳定性较差。
　　2.2强度机理:
　　沥青混合料的强度由两部分组成,一是矿料之间的嵌挤力与内摩擦阻力;二是沥青与矿料之间的粘结力。
　　2.2.1沥青混合料中的嵌挤力与内摩擦阻力的大小，主要取决于矿料的尺寸均匀度、颗粒形状及表面粗糙度。矿料尺寸较大、颗粒均匀、有棱角、表面粗糙时,所组成的混合料具有较大嵌挤力与内摩擦阻力.沥青含量对摩擦阻力的大小也有影响,摩擦阻力随沥青含量的减少而增大。沥青的粘度、混合料的温度和受载时的变形速度,对沥青混合料的嵌挤力和内摩擦阻力的影响极小。
　　2.2.2沥青混合料的粘聚力
　　沥青混合料的粘聚力主要取决于:矿料与沥青之间的相互作用形成的粘结力和沥青材料本身的粘聚力。沥青与矿料相互作用使沥青在矿料表面产生化学组分的重新分布，在矿料表面形成一层扩散结构膜，此膜以内的沥青称之为结构沥青，此膜以外的沥青称之为自由沥青。结构沥青与矿料之间相互作用，使沥青的性质发生改变。矿料之间的接触处由扩散结构膜所联接，使沥青的粘滞度增高，并使扩散结构膜接触面积增大，获得更大的粘结力。反之，若为自由沥青所联结，则粘结力较小。
　　沥青扩散结构膜的形成主要靠沥青与矿料通过物理吸附、化学系吸附、选择性扩散吸附等复杂多样的作用过程。物理吸附是靠分之力作用产生的一种吸附过程，吸附程度依赖于各相接触界面的表面性质。提高物理吸附可通过再沥青中掺加表面活性物质，使之更好地包裹矿料表面，形成吸附层。但物理吸附过程是可逆的，沥青膜在水的作用下产生剥离。
　　化学吸附过程是沥青中的某些物质（沥青酸）与矿料表面的金属阳离子发生化学反应，生成沥青酸盐，在矿料表面构成形成吸附层的过程，化学作用产生的粘结力，远大于物理吸附，也只有化学吸附，沥青混合料才具有良好的水稳性。化学作用的产生与否以及吸附程度，决定于沥青与矿料的化学成分。
　　选择性扩散吸附是指某一相物质由于扩散作用沿着另一相的微孔渗到其内部。这种吸附产生的可能及大小取决于矿料的表面性质、空隙状况及沥青的组分与活性。矿料对沥青的选择性吸附作用，主要产生于表面具有微孔（直径小于0.02㎜）的矿料，如石灰岩、泥灰岩、矿渣等。沥青中活性较高的沥青质吸附在矿料表面，树脂吸附在矿料表面层小孔中，而油分则沿着毛细管被吸附到矿料内部，矿料表面的树脂和油分减少，沥青质相应增多，沥青的粘度提高、粘聚力增大，从而在一定程度上改变了混合料的热稳性与水稳性。当沥青与结构致密的矿料相互作用时，上述过程就失去了必要的条件，结构致密的矿料对沥青的选择性吸附不显著。对于具有大孔结构的矿料，沥青的所有组分都将渗入到矿料内部，此时沥青用量应予增加，但沥青性质没有明显改变。
　　2.2.3影响沥青混合料的粘结力的主要因素有：沥青与矿料的性质、沥青用量及矿料的比表面积。沥青与矿料的性质不同，其相互作用不同。应用石油沥青时碱性矿料与之产生化学吸附，从而产生坚强稳定的吸附力。当遇到酸性矿料时，为了改善与沥青的相互作用过程，在沥青中掺加表面活性物质，或对矿料进行活化处理。
　　沥青的用量对混合料的粘聚力有较大影响。自由沥青只起到将矿料粘在一起的作用，粘聚力的大小主要取决于沥青本身的性质，结构沥青是与矿料发生了一系列的相互作用而形成，因而其粘结力较沥青的粘聚力大得多。因此，为了提高混合料的强度，不但要选用优质沥青，而且要严格控制沥青的合理用量，使矿料在被沥青充分包裹的前提下适当减薄沥青膜的厚度。矿料的比表面对沥青混合料粘聚力也有较大影响。当沥青含量不便时增加矿料的比表面可以减薄沥青膜的厚度，使结构沥青所占比例增大，粘聚力提高。
　　2.3、高温稳定性是指抵抗车辙反复压缩变形及侧向流动的能力，首先取决于矿料骨架，尤其是粗骨料的相互嵌挤作用，同时沥青结合料的性质与含量则起到阻碍混合料发生剪切变形的牵制作用，因而两者都是十分重要的。通常，矿料级配的贡献率占到60%，沥青结合料的性质则提供40%的抗车辙能力。
　　沥青混合料的强度和抗变形能力随温度的变化而变化。温度升高时，沥青的粘滞度降低，矿料之间的粘结力削弱，导致强度与抗变形能力降低。在高温季节，行车荷载的重复作用下，路面易出现车辙、波浪、推移等病害。提高高温稳定性，可采用提高粘结力和内摩擦阻力的方法；在沥青混合料中，增加粗骨料含量，使粗骨料形成空间骨架结构，从而提高沥青混合料的内摩擦阻力；适当地提高沥青材料的粘稠度控制油石比，严格控制沥青用量，避免多余的自由沥青；采用具有活性的矿粉，以改善沥青与矿料的相互作用，提高沥青混合料的粘结力；在沥青中掺入天然橡胶、合成橡胶、聚异丁烯、聚乙烯等化合物，对沥青进行改性，能起到好的高温稳定性；使用粒径较大、表面微观粗糙度大、接近立方体的坚硬碎石；使用机制砂；使用结构层稳定性好，又不影响施工的、具有良好性能的级配组成；使用感温性小的沥青，提高沥青胶砂劲度；施工时避免离析，加强压实；另外结构效应对热稳定性也有一定的影响，如沥青层的厚度和相对于厚度的矿料尺寸，如选用的矿料尺寸同层厚相近可获得较高的稳定性；由于轮胎的约束效应和基层面层之间的摩擦力，薄层沥青现出较厚层沥青更高的承载力。
　　3、现场状况
　　2004年及2005年初完工的路面工程经过2005年的超高温季节，路面发生破坏，。重载一侧半幅路面损坏最为显著，相当一部分发展为严重破坏。损坏最严重的为已铺好的磨耗层段（K103～K124+400）约21KM，该段左幅约90%的长度范围内磨耗层均发生泛油、车辙、拥抱、推移等破坏现象；未摊铺磨耗层的粘结层单层路段，左幅全部泛油、部分发生车辙、拥抱、推移等破坏性变形，主要集中在K91～K103处（本段施工季节为冬季并有大量降水），轻载一侧半幅截至目前基本无损坏。
　　基于以上情况，我从温度、沥青、材料、超载、施工工艺等方面进行分析。
　　4、1这个地区的气候是干燥高温，常年气温在零度以上，高温达55℃，夏季气温6-9月份为35-55℃，沥青表面温度为40-76℃。通过这些数据记录，可知气温是影响沥青混凝土稳定性的最直接最客观的外在因素。在这种条件下，我们进行了抗车辙实验，实验数据为：
　　上面层：40℃、3110次/MM，60℃、699次/MM，76℃时车辙变形量过大，超出试验机范围。
　　下面层：60℃、1161次/MM。数据表明常规沥青混凝土在超高温状况下，其稳定性急剧下降，已不满足当地的气候状况。而超高温以外的其他季节，路面状况稳定。表明温度是造成路面大面积破坏的直接的诱因。
　　4、2沥青的性质及用量无疑是影响沥青混凝土质量的关键的内在因素之一。工程所在地为夏炎热冬温型，本工程所使用的沥青是产地巴基斯坦的普通石油沥青，经过多方检测表明符合60/70#沥青的标准要求。其针入度为60，软化点为51℃，密度为1.016Mg/CM3，蜡含量为5%，
　　该沥青生产厂家是巴基斯坦的最大、最好的厂家，也是可供选择的仅有的厂家。
　　数据1动态抗剪模量
　　数据2相位落后角
　　德国专家对三份样品也进行了动力剪切流变分析，试验结果见数据表1和数据表2。
　　三份样品的动态抗剪模量和相位落后角是相似的。从相位落后角方面来讲，所使用的粘结材料较软。在温度超过45oC时，相位落后角已超过80O。（相位落后角为0O描述的是完全弹性材料，而相位落后角为90O描述的是完全粘性的材料）。所采用的沥青粘结材料很“软”，其性能异常，当温度超过50度时即为粘态。采用常规检测的指标表明是符合60/70#沥青的要求，而动力剪切分析表明沥青材料的质量差.表明这种沥青在高温下稳定性很差。不适宜超高温地区。沥青用量，采用的规范要求是：粘结层是4.5-5.5%，磨耗层4.5-6.0%。开始我们实际采用的、监理批准的、符合规范的沥青用量是粘结层4.0%，磨耗层是4.5%。经过一年的实践，现场出现大面积泛油现象，表明规范的适用性与当地情况不符合，经过多次解释说服工作，以及现场的严峻现实，说服鉴理降低0.3%，直至现在未出现泛油现象。沥青用量的合理减少，自由沥青大大减少，其影响程度减少，沥青性质对高温的敏感性大大降低。矿料之间有扩散结构膜所联接，使沥青的粘滞度增高，并使扩散结构膜接触面积增大，获得更大的粘结力。一定程度上改善沥青的高温稳定性。通过实践表明通过优化设计沥青用量，也能提高高温稳定性。
　　4、3材料，这里主要是指粗、细集料。原料是天然砾石，集料的生产是自建碎石厂生产，碎石场是上海多灵-沃森设备公司生产的碎石机，生产程序是筛分原料、一破圆锥破碎、二破立轴破碎，筛分符合要求的各公称粒径的集料。将原料进行一级筛分，将粒径小于7厘米的砾石及土筛分废弃。这样能确保集料洁净、破碎面很好地符合规范要求，以满足抗高温稳定性的要求。细集料是采石场破碎石料时通过4.75㎜以下的筛下部分，指标符合规范要求。
　　对原材料进行岩相分析，结果如下：
　　 12.5-25 4.75-19 2.36-4.75 细集料
　　片麻岩 36 28 30 7
　　花岗岩 19 14 12 10
　　石英 8 19 15 25
　　石英岩 21 20 22 20
　　辉长岩 14 18 20 24
　　其他 2 1 1 14
　　岩相分析表明，集料主要由颗粒晶格结构致密的石英岩、花岗岩组成，是酸性石料。对于集料，做了如下项目试验：筛分，比重，落衫机磨耗值，硫酸钠硫酸镁测定集料安定性，砂当量，剥落试验，破碎面数量和形状分析。检验表明，各指标君符合规范要求。在本工程范围内岩石的岩相成分多为酸性石料。酸性石料不宜用在高等级公路，但在阿富汗一穷二白的状态下，也没有其他的选择。针对这种情况就只有选择针入度比较低的沥青，在面层使用成品改性沥青，改善其黏附性。国内外有关材料研究表明，采取抗剥离措施，通常是掺加胺类表面活性剂，或掺加消石灰、水泥等措施。在阿富汗生产要素市场极度不健全的情形下，这些建筑材料通常是极度短缺的，价格极其昂贵的，难以可行的。为此，我们在集料的加工特性上作足努力，提高集料加工质量，满足各项技术指标。配合比的选配上，降低油石比，适度提高大粒径骨料的比例，比如，在面层配比中，增加9.5-19㎜的比例，加配19-25㎜的粗集料。经试验表明，是可行的。
　　4.4超载，该路是阿富汗首都喀布尔通往巴基斯坦的主要公路，喀布尔80％的物资都由巴基斯坦进口，所以交通非常繁忙，据先期监理设计调查，每天车流量平均在7000辆左右。根据对贾拉拉巴德海关调查，从载重车荷载情况看,超载情况严重,且均为重型车,最大轴载为设计轴载(8.16t)的2.7倍以上。可想而知在75度的高温及如此大的超载作用下，如果在设计方面不采取特殊措施，路面必然会发生急剧破坏现象。另外从现场情况也可得出上述结论，破坏全部集中在左幅，右幅没有出现明显的破损情况，因为重车都集中在左幅，右幅大部分都是从喀布尔返回巴基斯坦的空车。随着阿富汗的逐步稳定，经济发展的需要，大型车辆的发展，以及社会管理、法律制度的滞后，超载现象在短期内很难解决，这对我们是极为不利的现实情况，要求我们只能在施工技术方面提高标准，严格把关，精益求精。
　　4.5施工工艺，主要从基层的处理、透层施工、沥青混合料的配制和搅拌及运输、现场摊铺、碾压、接缝处理、施工组织等方面，进行控制把关。基层表面处理及透层施工。这里基层是采用级配碎石基层，厚度25厘米，分两层摊铺。透层施作前，基层表面应清洁、无车辙、无隔离性杂物、均匀压实、无松散材料，可能的情况下，杜绝灰尘。规范还要求表面光滑，经过一年的实践，发现在高温季节沥青路面发生侧向推移即滑移，表明光光滑的基层表面对于抗高温稳定性是比较差的。因此，随后改变要求表面粗糙，在欧盟的检测报告中甚至提出不用透层的要求。透层的作用是“固结、稳定、联结、防水，”透层油渗透到粒料基层的深度应不小于5-10mm，并与基层联结成一体，透层油洒布后，不得在表面形成油皮（被运料车和摊铺机粘起的油皮），否则，必须更换透层油品种。由于这条路的重要性，必须做到边通车、边施工，不能阻断交通，所以在透层撒布后8小时，在其上撒一层石屑，保证畅通。石粉对透层作用的影响有多大，通过国内实践表明，基本不影响透层的基本功能。沥青混合料的配制、搅拌和运输，沥青混合料的配比经试拌后，各项指标已符合规范要求。沥青拌和厂是采用意大利SIM生产的CB/170S（1595）型号的设备。接缝处理采用人工撒布细料，杜绝因接缝不当而形成的沁水性损害。在施工组织方面，安排合理数量的、状态良好的设备，精心培训挑选熟练的技术工人。作到快卸料、快摊铺、快正平、快碾压，加强各环节的联系与协调，科学组织，合理分工。
　　5，结论，经过分析认为，
　　5.1高温是自然因素，是客观因素，是外因，无法改变的；超载是社会因素，也是外因，在一定社会、政治环境下也是难以克服和解决的；
　　5.2此60/70号沥青高温下稳定性差，不适宜这种高温环境；沥青用量虽说符合规范下限要求，但在高温环境下，仍略显偏高；
　　5.3集料是酸性材料，与沥青黏附性差；集料生产要有抽吸设备；硬化场地；根据风向布置三站；最好配备专门的矿粉生产设备；矿粉也是酸性材料，其加工性能质量差，含泥量较大；集料破裂面虽说符合规范要求，但在高温环境下，越高的破裂面能提高其内磨擦力，提高高温稳定性；未采取抗剥离措施；上面层配合比优化不够，致使混合料工作性能差，不易碾压，致使压实度不足，空隙率偏大，动稳定度差；
　　5.4施工方面局部存在基层面处理不当，透层局部过量，透层面局部未清理干净，存有隔离物，施工中追求进度，在细微处不注意克服弥补不足；
　　5.5我们对这里的初步调查不足，尤其是高气温没有足够的、预见性的认识，这是以后国外施工是须慎重要做的、必做工作，与所在工程有关的施工经验及预见性有待提高。
　　5.6国际工程施工，要特别注意以下方面的调查，对于疑问要请有关方面诠释清楚。从国际环境、社会环境、政治环境、自然环境、资源环境、市场环境、气候环境、交通及运输等基础设施情况、技术的跟踪与比对等方面，敢于提出问题，分析问题，请有关各方澄清有关疑问，不把问题带入施工过程里去。
　　参考文献：
　　1. 《AASHTO规范》
　　2. 《公路沥青路面施工技术规范》JFGF40-2004
　　3. 《高等级公路路基路面施工技术》胡长顺黄辉华编著
　　4.《改性沥青与SMA路面》沈金安编著

《高温区以级配碎石作基层的沥青混凝土路面施工技术分析》

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文章名称： 高温区以级配碎石作基层的沥青混凝土路面施工技术分析

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