冷拌冷铺超薄磨耗层设计指标研究

冷拌冷铺超薄磨耗层设计指标研究

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我国高速公路建设发展迅速,但是与发达国家相比,使用寿命偏低。从20世纪50年代开始,国外发达国家开始研究建设长寿命沥青路面结构,该路面结构在延长沥青路面使用年限方面取得了明显的效果。近年来我国虽然也开展了有关长寿路面方面的研究,但仍处于起步阶段。本文针对磨耗层这一长寿命路面重要的结构层,进行冷拌冷铺超薄磨耗层配合比设计指标研究。冷拌冷铺技术是一种低碳、环保的施工技术,与热拌沥青混合料相比,避免了沥青与矿料加热过程中对能源的大量消耗和对环境的污染以及带来的沥青老化的问题。目前,由于冷拌冷铺沥青混合料技术标准较低,目前仅应用于一般的道路养护和三级以下新建道路的建设。高等级路面上面层的超薄磨耗层要求具备很高的黏结力和整体的弯拉强度,以及很好的适应高温变形、低温开裂和层间联结的能力。冷拌冷铺超薄磨耗层在路用性能上还存在着一定的局限性,因此,与热拌热铺超薄磨耗层相比,还没有被道路建设和养护行业普遍接受,在高等级路面中,超薄磨耗层均采用热拌热铺技术。本文通过对冷拌冷铺超薄磨耗层的试验研究,提出作为长寿命路面的功能层应达到的技术指标,为冷拌冷铺超薄磨耗层的应用与推广提供技术支持,扩大其使用范围。
     原材料试验
     粗集料
     超薄磨耗层厚度较薄,对粗集料的各项物理指标要求较高。本研究采用的集料为玄武岩,其各项性能符合《公路沥青路面施工技术规范》要求。
     细集料
     超薄磨耗层的细集料应洁净、无风化、干燥、无杂质,并有适当的颗粒级配,本研究采用的细集料为石屑,其质量符合有关规范要求。
     改性乳化沥青
     由于超薄磨耗层位于沥青混凝土路面的上面层,直接承受各种外力荷载的作用与环境因素的影响,因此对于沥青和粗集料的要求较高,一般采用软化点和60℃黏度指标较高的改性沥青。通过大量实验室实验表明,传统采用单纯乳化沥青作为超薄磨耗层的拌和剂时,其黏结力往往达不到要求。此外为了满足高等级路面面层超薄磨耗层的高要求,采用金欧特沥青公司生产的改性乳化沥青,其主要指标的技术标准参照《公路沥青路面施工技术规范》规定的聚合物改性沥青相应指标的技术标准。
     可以看出,所选取的改性乳化沥青软化点高于SBS改性乳化沥青和SBR改性乳化沥青软化点,5℃延度、针入度、25℃弹性恢复等指标方面明显也优于SBS改性乳化沥青和SBR改性乳化沥青,说明此沥青具有较好的内聚力和黏结效果,因而从沥青性能的角度来看,该改性乳化沥青符合路面超薄磨耗层路用性能指标的要求。
     混合料配合比设计
     混合料配合比的初步设计
     按照试验规程,选取三种石料进行矿料配合比试配,4.75~9.5mm碎石、3~5mm碎石和0~3mm石屑的比例采用为4:2:4,配制成接近于LB-13级配下限的矿质混合料。
     进行混合料配合比的初步设计时,参照《公路沥青路面施工技术规范》中对于沥青拌和料指标性能的要求,按照所采用的配合比的沥青混合料指标性能进行测试。
     为提高混合料的强度,掺加少量水泥。以此合成级配石料为基准调整水泥和水的用量,按照水泥0.5%,水1%,改性乳化沥青分别采用7%、8%、9%的配合比进行拌和,分别在105℃和25℃的养生温度下养护,进行马歇尔实验。
     可以得出,所选取的配合比条件下的改性乳化沥青拌和料的马歇尔稳定度满足规范要求,但流值略高于规范指标。研究表明,冷拌冷铺混合料强度的增长需要较长时间,当使用改性沥青时,混合料的马歇尔试验指标允许适当调整,其流值可适当放宽,但是没有提出具体指标。建议采用改性乳化沥青的冷拌冷铺超薄磨耗层的流值应控制在小于等于10mm。
     混合料的最佳石油配合比的确定
     改性乳化沥青混合料在室温条件下采用马歇尔试验方法成型试件,在100℃的鼓风烘箱中养生24h后,进行脱模,得到试件,然后按照马歇尔混合料设计方法确定冷拌冷铺改性 乳化沥青混合料的最佳油石比。以集料质量为基准,按照改性乳化沥青的用量7%、8%、9%,水泥0.5%,水1%的配合比分别进行马歇尔试件成型,得出试件的孔隙率、饱和度、矿物间隙率、流值、稳定度、密度性能。
     根据马歇尔实验的结果,首先求出密度的最大值、稳定度的最大值、空隙率的中值以及饱和度的中值,求其平均值;然后,以各项指标符合规范要求的沥青用量范围中值取平均值作为最佳沥青用量。经过计算初步确定冷拌冷铺超薄磨耗层的改性乳化沥青用量为8.4%,结合河南省沥青路面的使用经验,确定最佳沥青用量为8.4%。
     路用性能试验
     依据试验规程按照初步选定的油石比8.4%进行拌和,制成试件,分别进行浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、车辙试验,检验根据最佳油石比拌和的混合料的路用性能。除车辙试验结果外,其余试验结果均达到了热拌沥青混合料要求。
     车辙试验结果为:动稳定度1216次/mm,低于高等级路面中热拌沥青混合料2000次/mm的指标。由于冷拌沥青混合料中加入了少量的水泥,将会增加其刚度。已有研究认为,我国常规的车辙试验仅可以区分出刚度较小的沥青混合料的抗车辙性能。
     沥青层厚度是车辙影响因素之一。传统的观点认为,厚度越大,越容易形成车辙。
     由于冷拌冷铺混合料强度的增长需要较长时间,而且其厚度只有1.5~2.5cm,不超过标准车辙试件厚度的1/3~1/2,所以,动稳定度的要求应适当降低。所以,提出冷拌冷铺超薄磨耗层的动稳定度大于等于1000次/mm,认为本试验车辙指标可以满足作为冷拌冷铺超薄磨耗层的技术要求。
     结语
   (1)冷拌冷铺超薄磨耗层除了流值和动稳定度外,均可达到热拌沥青混合料的技术指标。
   (2)由于冷拌沥青混合料不同于热拌沥青混合料,其强度的增长需要较长时间,且冷拌冷铺超薄磨耗层厚度较薄,因此提出冷拌沥青混合料冷铺超薄磨耗层的流值小于等于10mm,动稳定度小于等于1000次/mm。
   (3)冷拌冷铺超薄磨耗层通过适当的配合比设计,可以满足高等级路面的要求。

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