沥青稳定碎石基层在白改黑中的应用研究

沥青稳定碎石基层在白改黑中的应用研究


沥青稳定碎石ATB基层作为一类柔性结构层,具有很强的柔性和变形能力,作为应力消散层,可有效消除旧水泥混凝土路面碎石化后产生的反射裂缝;另一方面沥青稳定碎石基层可以与沥青混凝土面层粘结牢固,并且由于其模量接近,路面结构受力更均匀,所以采用造价较低的沥青稳定碎石柔性基层来有效消除旧水泥路面的反射裂缝,解决超载、重载带来的车辙、拥包等早期病害,延长沥青路面使用寿命的做法较为普遍。本文结合一条二级公路旧水泥路面大修工程,对于ATB-25沥青稳定碎石基层的混合料设计、路用性能以及施工工艺开展研究,为沥青稳定碎石柔性基层的推广应用提供技术参考。

工程概况

试验路原路面存在水泥混凝土板破碎、沉陷、断板等病害。根据路况调查,路面状况指数PCI=36.5,断板率=58%,路面状况评定为差;落锤式弯沉仪FWD对该路水泥混凝土板横向接缝和断板处进行了弯沉测定,平均弯沉值为74.68(0.01mm),可见旧水泥路面结构承载力不足,需对该路面进行补强大修。

目前,水泥路面“白加黑”主要有2种方案:1.直接将破损的板全部打碎,并将一些尚完好的板打出裂纹,然后用重型压路机将破碎的板块压入路基,作为新建路面的基层或底基层,再在其上铺设基层和面层,特点是处理比较彻底,但造价较高,工期较长;2.对混凝土板进行比较全面彻底的调查,分析病害的成因,对不同病害进行不同的处理之后再铺设面层(有的也包括基层),特点是造价和工期都可减少,但由于旧水泥面板下的情况一般很难搞清,若处理不当,路面会产生反射裂缝。

本文根据试验路路面状况,采用对原水泥混凝土路面碎石化处理后作为底基层,铺设ATB-25柔性基层,最后铺设两层沥青面层。路面结构采用为:4cmSBS改性沥青AC-13C上面层+6cm沥青混凝土AC-20下面层+8cm沥青稳定碎石ATB-25基层+旧水泥混凝土路面碎石化处理。

ATB-25配合比设计

原材料

沥青采用SK-70号道路石油沥青,其各性能指标合格。粗集料和细集料采用石灰岩,集料加工方式采用反击式破碎机生产,粗集料表面粗糙,规格、棱角性符合规范技术要求。

ATB-25集料级配设计

在旧水泥路面碎石化后铺设ATB-25柔性基层,主要防止产生反射裂缝和抵抗重载交通,沥青混合料的级配组成对其力学性能及使用功能具有十分重要的影响,ATB-25集料能否形成骨架密实结构影响着整个路面的使用性能和耐久性。

目前国内外一些科研成果和实践经验表明,当沥青混合料设计级配呈抛物线时,沥青混合料的生产级配与设计级配的偏差较大;而当设计级配呈S形时,生产级配与设计级配的偏差较小,可我国传统的AC混合料级配曲线多呈抛物线P形,所以理想设计的AC-25/ATB-25混合料级配曲线要呈S形。从现行规范的要求级配范围看,AC-25集料级配曲线比较靠上,而ATB-25集料级配曲线靠下,集料偏粗,ATB-25混合料属于粗集料级配混合料。

本文采用贝雷法来设计ATB-25集料级配,以保证混合料骨架嵌挤结构的形成,具有优良的体积特性(合适的VMA和空隙率)和施工性能(良好的压实性能和施工和易性);并在参考一些试验路柔性基层ATB-25级配的基础上,提出ATB-25集料设计级配。根据集料实际筛分结果进行合成级配。

ATB-25马歇尔试验

目前,沥青混合料试验方法主要有马歇尔试验法、Superpave沥青混合料设计方法、旋转剪切压实试验法(GTM法),前两种都是以体积法进行设计,最后一种类似无机稳定土类设计方法;各有自己的评价指标、技术标准。鉴于我国沥青混合料设计主要采用马歇尔设计方法,本文ATB-25混合料设计也采用马歇尔试验法。

在油石比3.0%~5.0%范围内,采用SK-70号沥青分别按3.0%、3.5%、4.0%、4.5%,4个不同油石比制备Φ101.6mm×63.5mm圆柱体试件进行马歇尔试验,根据马歇尔试验结果来确定沥青混合料的最佳油石比。

根据马歇尔试验结果来确定沥青混合料的最佳油石比。在油石比与密度关系曲线中,由于密度没有出现峰值,直接以目标空隙率4.5%对应的油石比作为初始值OAC1;以同时满足空隙率、饱和度、稳定度、流值要求的区间范围OACmin和OACmax值的中值作为OAC2,并取OAC1和OAC2的中值计算最佳油石比OAC。OAC1=3.98%,OACmin=3.6%、OACmax=4.3%;OAC2=(OACmin+OACmax)/2=3.95%;OAC=(OAC1+OAC2)/2=3.965%。根据计算结果并结合当地气候条件:ATB-25混合料的最佳油石比为4.0%。

ATB-25路用性能研究

本试验研究ATB-25混合料路用性能均按最佳油石比4.0%成型试件。

抗水损害性能

水损害作为我国沥青路面早期破坏的主要形式。特别在高温多雨地区,沥青路面在轮载的反复作用下,水分有足够的压力挤入沥青混合料的孔隙中,如不及时排出,水分会不断下渗;如果水长时间存在于面层结构中或基层表面,唧浆和坑槽就很难避免,所以沥青混合料应具有良好的抗水损害性能。本文采用浸水马歇尔试验和冻融劈裂试验评价沥青混合料的抗水损害性能。

(1)浸水马歇尔试验。浸水马歇尔试验方法采用残留稳定度MS0评价沥青混合料的水稳定性。采用马歇尔击实成型2组Φ101.6mm×63.5mm圆柱体试件,1组浸水0.5h后测定马歇尔稳定度,1组在60℃恒温水槽中浸水48h后测定马歇尔稳定度,两组稳定度的比值就是残留稳定度MS0,其残留稳定度越大,水稳定性越好。ATB-25混合料的残留稳定度MS0为92.9%,具有良好的水稳定性。

(2)冻融劈裂试验。冻融劈裂试验是用两面击实50次的马歇尔试件(空隙率控制在7%±1%,)在常温水中浸泡20min,再在-18℃冰箱中冷却16h,然后在60℃水浴中放置24h,完成一次冻融循环。又在25℃水中浸泡2h后测试其劈裂强度,将此强度与未经冻融循环试件的劈裂强度比,求出劈裂强度比(TSR),以此指标作为评价沥青混合料的水稳性指标。其劈裂强度比TSR在80%以上,具有良好的抗水损害性能。

高温稳定性能

制备300×300×50mm车辙板试件,进行车辙试验(试验温度为60℃,轮压为0.7MPa),按照《公路沥青路面施工技术规范》(JTGF40—2004)的规定,1-4区沥青混合料动稳定度应不小于1000次。本试验的动稳定度都平均值为2827次/mm,远大于规范要求,车辙深度(mm)平均值为5.1mm,表明ATB-25混合料具有优良的高温稳定性。

力学性能

沥青混合料的回弹模量、抗压强度和劈裂抗拉强度是反映其力学性质的重要指标,是路面结构设计中进行力学验算或厚度计算的重要参数。本文ATB-25混合料的回弹模量试验、抗压试验和劈裂试验试件的密度为马歇尔试验确定最佳油石比的试件视密度。

(1)无侧限抗压强度、回弹模量。采用旋转压实成型Φ100mm×100mm圆柱体ATB-25混合料试件,按4个试件为一组测得其无侧限抗压强度、回弹模量。根据沥青混合料单轴压缩试验要求,测得ATB-25混合料15℃时抗压强度为4.7MPa,20℃时抗压强度为2.9MPa,可见本试验设计的ATB-25具有较好的抗压性能;此外测得ATB-25混合料15℃时回弹模量为2057MPa,20℃时回弹模量为1688MPa,其回弹模量值比普通AC-25大,可见其形成了嵌挤-密实结构,具有良好的抗车辙性能。

(2)劈裂抗拉强度。沥青混合料的劈裂试验主要为了测得其间接抗拉能力,可供沥青路面结构设计选择沥青混合料力学设计参数及评价沥青混合料低温抗裂性能。本文劈裂试验采用马歇尔击实成型直径101.6mm、高63.5mm的ATB-25混合料试件,根据现行规范沥青混合料劈裂试验方法采用径向加载,最后测得ATB-25混合料在15℃时劈裂抗拉强度为1.18MPa。

而水泥稳定类基层90d的劈裂强度在0.48~0.87MPa之间,平均值为0.67MPa;二灰稳定类基层180d的劈裂强度在0.52~0.80MPa之间,平均值为0.72MPa,表明ATB-25柔性基层的劈裂抗拉强度是半刚性基层劈裂抗拉强度的2倍左右。所以ATB-25柔性基层有很好的抗疲劳性能及低温抗裂性,可以有效抵抗旧水泥混凝土路面产生的反射裂缝。

ATB-25基层应用技术

由于ATB-25基层混合料的粗集料较多,如果施工技术处理不当,容易产生施工变异性。本试验路采用以下2项应用技术,避免产生施工变异性。

(1)注重集料加工和级配设计,粗集料采用反击式破碎机并安装两道除尘装置加工;为保证集料设计级配合理控制,预防混合料离析,将细集料0~4.75mm档分成0~2.36mm和2.36~4.75mm两档集料分开加工,厂拌时也分为两个料仓。

(2)采用摊铺机一次性摊铺成型,使ATB-25混合料具有较好的均匀性,达到嵌挤效果;采用大吨位压路机,选择合理的压路机组合方式及初压、复压、终压的碾压步骤,及时检测压实度及渗水系数,以达到最佳碾压效果。

结论

(1)ATB-25保留了AC-25Ⅱ的骨架结构,但又结合了AC-25Ⅰ密实的原则,形成了骨架密实型结构,既克服了AC-25Ⅰ因沥青含量偏高、矿料级配偏细而易压实、抗车辙能力差的缺点,又克服了AC-25Ⅱ因空隙率大而易产生水损害的缺点,具有柔性基层特点。

(2)试验结果表明ATB-25混合料具有良好的力学性能,其回弹模量值比普通AC-25大;其劈裂抗拉强度是半刚性材料劈裂抗拉强度的2倍左右。

(3)试验路通车4年后,路面经检测路面状况良好,ATB-25柔性基层应用于旧水泥路面大修可有效防止路面反射裂缝的产生,并具有良好的高温稳定性和水稳定性。


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