連續(xù)陡坡瀝青橋面鋪裝施工關鍵技術研究

劉海濤

（中鐵十六局集團第一工程有限公司 北京 101300）

1 引言

銀百高速公路（G69）甜水堡經(jīng)慶城至永和段地屬溫帶大陸性氣候，夏季炎熱多雨。連續(xù)陡坡路段橋面鋪裝層上坡時受滾動阻力、空氣阻力、坡道阻力和加速阻力的作用，下坡時主要受滾動阻力、空氣阻力、加速阻力和行車制動力的作用，疊加多雨、車輛超載和低速行駛等眾多因素的綜合影響，導致連續(xù)陡坡路段橋面鋪裝層的車轍、推移和水損壞等早期病害比較嚴重［1］。相關研究表明，空隙率是影響瀝青路面水損害的決定性因素，而空隙率也正是Superpave瀝青路面設計中最為關注的參數(shù)之一［2］。因此如何提高橋面鋪裝質量、優(yōu)化施工作業(yè)成為影響橋面鋪裝使用壽命的關鍵。

孟叢叢等［3］針對高溫多雨地區(qū)展開粘結體系的研究，通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗對粘結體系進行優(yōu)選；臧芝樹等［4］針對南方典型氣候地區(qū)橋面鋪裝，研究發(fā)現(xiàn)橋面鋪裝材料選擇時，其致密性應作為首要考察指標。目前針對多雨地區(qū)陡坡橋面鋪裝層的研究相對較少，因此在甜永高速項目，研究采取0.45次冪最大密度曲線［5］及Superpave混合料設計方法，并通過乳化瀝青撒布涂刷裝置以及水平振蕩壓實技術施工，增強連續(xù)陡坡路段橋面瀝青混合料鋪裝層抗車轍、抗推移和抗水損壞的能力，從而提高橋面鋪裝層的施工質量和使用壽命。

2 施工關鍵技術

為解決上述施工難題，主要針對混合料設計、乳化瀝青涂刷和混合料壓實進行了優(yōu)化，分別采用0.45次冪最大密度曲線及Superpave混合料設計方法、專用的乳化瀝青撒布涂刷裝置和有針對性的水平振蕩壓實技術，從施工設計方面保證施工質量的穩(wěn)定可控。同時在施工中應加強橋面拋丸與清理、Superpave瀝青混凝土配合比設計、橋面粘結層鋪筑以及混合料的生產(chǎn)、運輸和攤鋪等環(huán)節(jié)的管理，降低了施工環(huán)節(jié)對橋面鋪裝施工質量的影響。具體施工工藝流程見圖1。

圖1 施工工藝流程

2.1 橋面拋丸、清理

橋面鋪裝之前應在橋面進行拋丸試驗，確保橋面拋丸處理后有足夠的粗糙度。首先隨機選擇一塊區(qū)域進行試驗，面積不得小于5 m2，鋼丸直徑選擇1.4～2.0 mm，控制拋丸機行走速度以5～6 m/min為宜。拋丸后的橋面構造深度為0.6～0.8 mm，露骨率達到80%以上，保證瀝青混合料與混凝土橋面有足夠的粘結力。拋丸處理后需檢驗其表面粗糙度，以此來確定拋丸工藝參數(shù)。用吹風機清除表面灰塵，使之達到清潔。檢測標準見表1。

表1 拋丸處理檢測標準

拋丸作業(yè)施工操作要點：

（1）拋丸作業(yè)溫度區(qū)間為5℃～40℃。為了防止在拋丸作業(yè)中產(chǎn)生大量的揚塵，作業(yè)時要求風力不得大于6級；空氣相對濕度不得大于90%；在雨雪天氣情況下，嚴禁拋丸作業(yè)。

（2）拋丸設備按照試驗段確定的行走速度勻速行駛。

（3）在拋丸機拋丸作業(yè)時，保證多臺拋丸機能夠平行縱向行駛作業(yè)，同時作業(yè)搭接面不得小于2 cm，且不能出現(xiàn)落差。

（4）拋丸作業(yè)過程中，應拋丸去除表面以下1～3 mm深度范圍內(nèi)的面層，保證取出后露骨率不小于20%。如果在拋丸作業(yè)后，存在打毛后的表面不均勻或者露骨率小于20%的情況，應對該區(qū)域表面進行二次拋丸作業(yè)，直至滿足設計規(guī)范要求。

（5）拋丸作業(yè)過程中，應做好清理工作，對于塵土、油漬等應及時清理，以免污染磨料砂丸。

2.2 瀝青混凝土配合比設計

瀝青混凝土配合比設計時，在0.45次冪最大密實度線和控制點下限之間選取瀝青混合料級配，能夠使混合料結構具有密實、嵌擠的特征，兼具良好的抗高溫變形、抗水侵害能力和壓實性能［6］。設計參數(shù)見圖2。

圖2 禁區(qū)、控制點及0.45次冪最大密實度線

對于選定集料空隙率相同的條件下，混合料的油石比隨著級配曲線離開0.45次冪最大密度曲線距離的增大而增大，因此在0.45次冪最大密實度曲線和Superpave控制點下限之間選取瀝青混合料級配可以更好地控制級配范圍。具體配合比設計流程如下：

（1）目標配合比設計

根據(jù)初試瀝青用量試驗的空隙率情況，以0.5%～1%為間隔，選擇4種以上瀝青用量，拌制混合料并制備試件，確定礦料級配和最佳瀝青用量，最后進行凍融劈裂試驗、水穩(wěn)定性檢驗、滲水試驗和構造深度等試驗［7］。

（2）生產(chǎn)配合比設計

依據(jù)實驗室目標配合比確定的礦量級配和最佳瀝青用量，對拌和樓的各料倉進料比例和速度進行調(diào)整使之接近目標配合比。拌和樓運行啟動后，對各熱料取樣，計算熱料輸送比例，控制室多次對供料速度進行調(diào)整，以達到一個平衡臨界點。最后采用Superpave進行生產(chǎn)配合比設計，采用旋轉壓實試驗對拌制的混合料進行旋轉壓實，檢驗瀝青混合料的體積特性，以確定生產(chǎn)時的最佳瀝青用量［8］。

（3）生產(chǎn)配合比驗證

在慶城范圍內(nèi)鋪筑試驗段，并在試驗段適當區(qū)域取樣進行旋轉壓實試驗及瀝青含量和篩分試驗。經(jīng)過篩分得到的礦料合成級配應盡可能接近目標配合比，同時應避免級配曲線中出現(xiàn)“駝峰”現(xiàn)象。此外，進行鉆芯取樣檢測芯樣空隙率大小。由此確定生產(chǎn)用的標準配合比、確定拌和樓混合料原材的輸送及拌和等工藝參數(shù)，并據(jù)此在現(xiàn)場驗證其適用性。

2.3 鋪筑防水粘結層

2.3.1 撒布SBR改性瀝青封水層

為確保乳化瀝青在陡坡橋面上能夠均勻分布，SBR改性瀝青防水粘結層采用了一種乳化瀝青撒布后涂刷裝置，見圖3。該裝置可以單次對噴灑的乳化瀝青進行四次涂刷，即兩次直線涂刷、兩次斜線涂刷，能夠使乳化瀝青充分飽滿地進入拋丸界面［9］。

圖3 乳化瀝青撒布后涂刷裝置

對噴灑的SBR改性瀝青防水涂層進行四次涂刷，使其能夠將鋪裝層和橋面板粘結成為一個整體，共同承受荷載，改善橋面瀝青混合料鋪裝層的受力狀況。施工過程中的關鍵環(huán)節(jié)如下：

（1）按照設計規(guī)定、通過試驗確定SBR改性瀝青的施工用量（撒布量為0.25 L/m2），檢測SBR改性瀝青的路用性能；與此同時，在噴灑之前對橋梁上護欄等相關設施進行預防護，使護欄等設施免受污染。

（2）橋面在鋪設防水粘結層時要保持橋面的干燥狀態(tài)，減少粘結層起泡現(xiàn)象，防止粘結強度降低；其次噴灑瀝青的厚度應均勻且滿足規(guī)范要求。需對設備進行標定校準，其中設備距路面的高度和與地面的角度對層厚影響十分顯著。

其中：tc為現(xiàn)場測點土在應力歷史中最近一次應力開始改變至今所歷經(jīng)時間；tp為現(xiàn)場測點在應力改變后主固結完成的時間。

（3）對SBR改性瀝青封水層進行充分養(yǎng)護，以達到破乳要求；橋面噴灑改性瀝青封水層后，應保持干凈、無污染且無水分存在，避免橋面封水層受泥土、機油、柴油等污染后其粘結效果和粘結強會受到影響。

2.3.2 鋪筑熱熔改性瀝青碎石封層

為確保熱熔改性瀝青碎石封層施工穩(wěn)定、快速、優(yōu)質，其操作要點為：

（1）改性瀝青選用SBS改性瀝青，并通過瀝青撒布車均勻撒布。瀝青用量為（1.4±0.2）kg/m2；碎石選用單一粒徑（4.75～9.5 mm），碎石覆蓋率為60%～70%。碎石撒布前用AH-70道路石油瀝青進行預裹覆處理（碎石質量的3‰）。

（2）宜在干燥和較熱的季節(jié)施工，并盡量避開雨天和溫度較低的天氣，從而能夠在一定程度上保證應力吸收層與原路面的粘結。

（3）碾壓作業(yè)時，必須保證撒布的集料均勻。碾壓作業(yè)采用膠輪壓路機可獲得較好的壓實效果。作業(yè)時小范圍存在泛油粘輪時，應對泛油范圍內(nèi)再次撒布集料。作業(yè)速度不得小于5 km/h，同時不得大于8 km/h以保證碎石能夠牢固嵌入改性瀝青中。

（4）待瀝青溫度下降符合規(guī)范要求時，碎石定位后盡可能在當天攤鋪面層瀝青混合料，減少封層污染，避免影響粘結層的粘結性能。

2.4 瀝青混合料的生產(chǎn)

（1）混合料生產(chǎn)拌和采用間歇式自動拌和機保證原材均勻進入攪拌機，同時保證出料速度穩(wěn)定。

表2 拌和機振動篩的等效篩孔尺寸 mm

（3）為了保持級配穩(wěn)定，在生產(chǎn)過程中應加大對各熱料倉的抽檢、取樣篩分的頻次；此外，增加瀝青混合料的抽檢頻次，及時地獲取混合料的拌和參數(shù)，使得控制室能夠及時有效地獲取并控制混合料拌和時的各種參數(shù)。

2.5 瀝青混合料的碾壓

在陡坡路段橋面鋪裝碾壓過程中采用水平振蕩壓實技術進行橋面鋪裝層碾壓。水平振蕩壓實效果見圖4。在振蕩輪水平作用力和振蕩輪垂直靜載的共同作用下，材料顆粒發(fā)生共振、錯動，位置重新分布，避免了石料振碎、鋪層振松的現(xiàn)象，并可提高壓實度。水平振蕩壓實對地面的搓揉作用使壓實表面更加平整、致密，提高了表面層防水滲透能力［10］。碾壓作業(yè)過程操作要點為：

圖4 水平振蕩壓實效果

（1）橋面瀝青鋪裝層碾壓時，在保證碾壓效果的前提下，應防止過分碾壓對橋梁造成破壞。在大量的工程經(jīng)驗中，一般均采用水平振蕩壓路機，能夠達到較好的壓實效果。此外配套相應數(shù)量的膠輪壓路機進行壓實。

（2）瀝青混合料的碾壓作業(yè)過程應遵循“緊跟、高溫、慢壓、強振”的原則［11］。

（3）壓路機碾壓作業(yè)時，應保持作業(yè)速度恒定；作業(yè)線路和前進方向改變時，按照施工要求緩慢變化，避免混合料發(fā)生推移現(xiàn)象。具體按表3選用。

表3 壓路機碾壓方式

（4）碾壓作業(yè)時，作業(yè)機械設備應將驅動輪置于攤鋪機一側，防止產(chǎn)生擁包現(xiàn)象；壓路機作業(yè)啟停時，應放低作業(yè)速度，嚴禁在作業(yè)期間采用剎車制動，作業(yè)折回時不可處在同一橫斷面上。

（5）碾壓作業(yè)后現(xiàn)場壓實度采用壓實度和空隙率作為控制指標。壓實度測定時，標準密度選擇最大理論密度，值控制在93%～97%之間；采用現(xiàn)場鉆取的芯樣計算空隙率，其值范圍為3%～5%。

2.6 施工接縫的處理

（1）施工接縫采用橫向接縫。切縫機切割成垂直面，人工鑿毛以增加接縫處的咬合力；切縫應沿路面橫向進行切割，寬度貫徹整個攤鋪寬度，深度為貫穿鋪層厚度。

（2）在施工接縫處進行攤鋪作業(yè)時，應準確測量施工接縫處瀝青混合熱料層的施工厚度，同時根據(jù)混合料體積參數(shù)計算其松鋪厚度；熨平板在作業(yè)之前必須預熱40 min以上，保證其溫度接近混合料溫度。

（3）碾壓作業(yè)中，橫向壓實采用鋼筒式壓路機，同時碾壓輪應從現(xiàn)有路面向新鋪筑的路面緩慢過渡。

3 效益分析

采用該橋面鋪裝施工技術鋪筑的路面，其混合料形成的骨架嵌擠結構較大幅度提高了混合料高溫抗變形能力、水穩(wěn)定性能及疲勞性能，有效地防止路面的早期損壞嚴重問題，提高橋面的質量和使用壽命，可大幅降低路面的后期養(yǎng)護維修費用。基于工程經(jīng)濟學中的現(xiàn)值法分析工程項目在不同時間的費用和效益［12］，經(jīng)濟評價模型見公式（1）。對比兩種鋪裝層結構類型的高速公路在壽命期內(nèi)發(fā)生的費用折算到項目建設初期基準年的費用見圖5。

圖5 不同路面結構費用現(xiàn)值

式中，P為項目現(xiàn)值；F為項目終值；i為折現(xiàn)率；n為計算年限。

采用該技術雖然增加了工程項目的初期投資，但從長遠的經(jīng)濟效益來看，總費用反而會有較大程度的節(jié)省，并且大大提高了高速公路運營的安全性，社會經(jīng)濟效益明顯。

4 結論與建議

4.1 結論

（1）施工后，對橋面鋪裝進行鉆芯取樣，其芯樣壓實度合格率達100%；滲水系數(shù)、抗滑性能、厚度等均滿足設計規(guī)范要求。

（2）采取0.45次冪最大密度曲線及Superpave混合料設計方法，能夠使混合料結構具有密實、嵌擠的特征，兼具良好的抗高溫變形、抗水侵害能力和壓實性能。

（3）乳化瀝青撒布涂刷裝置的四次涂刷技術能夠使乳化瀝青充分地涂刷拋丸界面，極大地提高了界面粘結性能。

（4）采用水平振蕩壓實技術避免了石料振碎、鋪層振松等現(xiàn)象，能夠使鋪裝層更加平整致密，提高了鋪裝層的抗水侵害能力。

4.2 建議

建立對該橋面鋪裝進行早期病害觀測及追蹤數(shù)據(jù)庫，并制定長期的觀測計劃，為未來其他類似工程積累長期的施工經(jīng)驗。