高速公路路面修補工程中熱拌瀝青混凝土的性能分析

文 立

(1.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術(shù)與筑路材料工程技術(shù)研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

世界各國目前普遍面臨資源短缺與能源匱乏的現(xiàn)象，因此地球村“可持續(xù)發(fā)展”的?厳念逐漸受到重視。由于國內(nèi)廢棄物數(shù)量日漸增加，而公共工程必需的砂石短缺問題卻相當(dāng)嚴重。因此，尋找可行性的替代粒料及開發(fā)適宜的人造粒料已具有迫切性與前瞻性。本研究系通過純水泥漿及二灰水泥漿包裹破碎型輕質(zhì)骨材，簡稱“裹漿粒料”，然后采用裹漿粒料，以改善瀝青混凝土中粒料的強度及耐久性，并解決天然砂石逐漸枯竭的窘境，再借由水泥瀝青膠漿作為粘結(jié)料與裹漿粒料拌制成熱拌瀝青混凝土，除具有節(jié)約能源及減少粉塵公害等優(yōu)點外，尚可提升施工效率及路面質(zhì)量。

1 工程概況及現(xiàn)場規(guī)劃布置

柳南高速公路是國家高速公路網(wǎng)G72(泉南高速公路)的一部分，全程225 km，分兩段通車：柳州至王靈全程136 km，1998-12-08通車；王靈至南寧三岸全程89 km，1999-10-01通車。2016年7月，柳南高速公路南寧那容至三岸段移交南寧市政府，后改造為城市快速路。

在改造過程中，由于原路面已凹凸不平，故考慮在改造過程中，同步加鋪路面，這是廣西高速公路史上第一次對高速公路大規(guī)模改擴建，將水泥路改造成瀝青路。此次鋪設(shè)瀝青分為三層，最下面一層瀝青主要功能是粘合水泥路面，防止水泥路面變形，與原有的水泥路面牢牢結(jié)合；中間層瀝青主要是抗壓層，主要承擔(dān)行車的重量，可以防止瀝青路面出現(xiàn)車轍；最上面一層則是熱拌瀝青，這種瀝青因為直接與車輪接觸，必須耐磨、噪音小、柔軟而不失堅固。但由于道路等級提高，路面粘結(jié)料的選取及路面熱拌瀝青的拌和比例就極為重要。通過咨詢多家本地科研團隊后，決定經(jīng)由現(xiàn)場試驗段試驗，評估試驗效果后，找出適合本地區(qū)熱拌瀝青的制作工藝[1]。

2 試驗材料及配比方法

2.1 試驗材料

(1)粘結(jié)料：本研究采用以下兩種粘結(jié)料。

①水泥瀝青膠漿：水泥瀝青膠漿為熱拌瀝青混凝土的粘結(jié)料，系由陽離子乳化瀝青、水泥及界面活性劑等材料拌和而成。本研究所采用的水泥瀝青比為1.2，界面活性劑添加量為3%。

②改性瀝青：改性瀝青為熱拌瀝青混凝土的粘結(jié)料，系由本地企業(yè)提供，材料性質(zhì)符合規(guī)范相關(guān)的要求。

(2)粒料：粗粒料采用天然碎石、破碎型輕質(zhì)骨材及裹漿輕質(zhì)骨材，細粒料則采用天然砂。

(3)裹漿材料：本研究系通過純水泥漿、飛灰水泥漿及爐石水泥漿作為裹漿材料，以系統(tǒng)化設(shè)計掌握最佳的裹漿質(zhì)與適當(dāng)?shù)墓鼭{量。

2.2 瀝青混凝土配比設(shè)計方法

本研究同步探討裹漿材料種類對含輕質(zhì)骨材裹漿粒料的密級配(DGAC)、多孔隙(PA)及石膠泥(SMA)等柔性及半剛性路面的路面效果。輕質(zhì)骨材裹漿粒料以體積方式置換部分與全部天然粗粒料并進行比較。研究中使用馬歇爾配合設(shè)計法，以求取瀝青混凝土路面試體的最佳粘結(jié)料含量，其中密級配瀝青混凝土及石膠泥瀝青混凝土設(shè)計空隙率為4±1%，多孔隙瀝青混凝土設(shè)計孔隙率則為20±1%。

3 試驗方案

3.1 試驗組別配置

本次試驗主要探討裹漿粒料顆粒性質(zhì)、裹漿粒料組構(gòu)型式及粘結(jié)材料種類等三方面對瀝青混凝土路面效果的影響[2]。本研究從改變粒料表面微觀結(jié)構(gòu)著手，以粒料比表面積為基礎(chǔ)變換不同裹漿厚度，探討不同漿體材料的裹漿粒料物化性質(zhì)差異。采用最佳裹漿的質(zhì)與最適裹漿的量包裹輕質(zhì)骨材(簡稱裹漿粒料)，以提升其粒料基本性質(zhì)，期望能進一步提升其路面效果。其中以改性瀝青Ⅲ型(PMA)與水泥瀝青膠漿(CAP)作為粘結(jié)料，依各路面型式的配合設(shè)計法求得最佳粘結(jié)料含量，然后進行瀝青混凝土的重要性質(zhì)試驗，評估裹漿材料種類對輕質(zhì)骨材裹漿粒料應(yīng)用于各種瀝青混凝土的路面效果。

3.2 路面效果試驗項目

(1)馬歇爾穩(wěn)定值試驗

依據(jù)ASTM D1559規(guī)范進行馬歇爾穩(wěn)定值試驗，其目的是評估瀝青混凝土中粒料與瀝青膠泥間的粘結(jié)能力與抗?厱動能力。

(2)間接張力強度試驗

依據(jù)ASTM D4123規(guī)范進行試驗，此為量測瀝青混凝土張力強度的主要方法，亦稱圓柱劈裂試驗。試體于試驗前分別置于40 ℃的恒溫烘箱內(nèi)養(yǎng)護24 h后進行測試。

(3)磨耗試驗

依據(jù)日本道路鋪裝協(xié)會的規(guī)范進行試驗，其目的是評估瀝青混凝土在車輛輪壓及摩擦作用下粒料松散的潛能。

(4)浸水剝脫試驗

依據(jù)AASHTO T283方法進行試驗，主要用以評估各種級配在水分侵入路面后，瀝青混凝土抵抗水分侵害的能力。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 馬歇爾穩(wěn)定值試驗結(jié)果

路面型式方面結(jié)果顯示(見圖1)：無論是純水泥漿裹漿粒料、飛灰水泥漿裹漿粒料還是爐石水泥漿裹漿粒料，都是在密級配情況下的穩(wěn)定值最高。粒料方面結(jié)果顯示，在密級配熱拌瀝青路面型式時，其穩(wěn)定性從高到低排列為：爐石水泥漿裹漿粒料>飛灰水泥漿裹漿粒料>純水泥漿裹漿粒料，并隨著取代量提高穩(wěn)定值。本試驗所采用的爐石為水淬爐石，本身具有非定型不完全結(jié)晶的鋁質(zhì)與硅質(zhì)材料而產(chǎn)生膠體。

4.2 間接張力強度試驗結(jié)果

試驗時分別將各組試件放入于恒溫烘箱25 ℃及40 ℃中養(yǎng)護24 h，再進行間接張力強度試驗。根據(jù)圖2可知，在路面型式上，熱拌瀝青混凝土在40 ℃表現(xiàn)的間接張力強度較低。瀝青混凝土的間接張力強度隨著裹漿粒料取代量的增加而降低。主因系為堆積時，粒料間孔隙率隨著裹漿粒料取代量的增加而遞減，由于試體孔隙率為20%，裹漿粒料取代量越高的試體所能添加的瀝青粘結(jié)材料及細粒料勢必越少，因此間接張力也越低[3]。

(a)純水泥漿裹漿粒料

(a)純水泥漿裹漿粒料

根據(jù)圖3可知，裹漿粒料取代量高組的熱拌瀝青混凝土在40 ℃表現(xiàn)的間接張力強度較25 ℃的間接張力強度低；裹漿粒料取代量低組的熱拌瀝青混凝土在40 ℃表現(xiàn)的間接張力強度較25 ℃時的間接張力強度高。瀝青混凝土的間接張力強度隨著裹漿粒料取代量增加而降低，主因系為堆積時，粒料間孔隙率隨著裹漿粒料取代量增加而遞減，由于試體孔隙率為20%，裹漿粒料取代量越高的試體所能添加的瀝青粘結(jié)材及細粒料勢必越少，因此間接張力也越低。故瀝青混凝土在裹漿粒料取代量增加時，瀝青膠泥較少，間接張力較低；石膠泥瀝青混凝土則由于系使用CAP拌和而成，相對控制組時的漿體更有強化效果，具有良好的抵抗變形能力。粒料方面可看出，力學(xué)性質(zhì)上使用二灰質(zhì)的裹漿粒料明顯優(yōu)于裹純水泥漿裹漿粒料，其中裹爐石粉裹漿粒料最佳[4]。

(a)純水泥漿裹漿粒料

4.3 浸水剝脫試驗結(jié)果

根據(jù)試驗結(jié)果可知(見圖4)，裹漿粒料取代比例越高，TSR值越高，裹漿粒料取代比高組的TSR值皆高于裹漿粒料取代比低組。此試驗經(jīng)過凍融使水分積存骨材內(nèi)，更進一步探討水分在裹漿層里的情形。在路面型式上，密級配路面及多孔隙路面的TSR值較低，系因為瀝青含量亦較石膠泥路面少，水分確實造成其剝脫，但裹漿粒料亦發(fā)揮粘結(jié)功效。與天然粒料相比，裹漿粒料具有減少剝脫的耐久性效果，其中以飛灰水泥漿裹漿粒料為最佳。

(a)純水泥漿裹漿粒料

5 結(jié)語

本文對柳南高速公路路面加鋪情況進行了分析，并結(jié)合實際情況提出了幾種路面修補的材料方案，并通過現(xiàn)場試驗采集數(shù)據(jù)進行對比分析，得到如下結(jié)論：

(1)密級配組隨著裹漿粒料取代量增加而提高馬歇爾穩(wěn)定值，而爐石水泥漿裹漿粒料取代的熱拌瀝青混凝土為最強。故總結(jié)可知，用爐石水泥漿裹漿粒料取代的試塊，其馬歇爾穩(wěn)定值為最佳。

(2)瀝青混凝土的間接張力強度隨著裹漿粒料取代量增加而降低，故瀝青混凝土在裹漿粒料取代量增加時，瀝青膠泥較少，間接張力較低。石膠泥瀝青混凝土則由于系使用CAP拌和而成，相對控制組時的漿體更有強化效果，具有良好的抵抗變形能力。從粒料方面可看出，力學(xué)性質(zhì)上使用二灰質(zhì)的裹漿粒料明顯優(yōu)于裹純水泥漿裹漿粒料，其中裹爐石粉裹漿粒料為最佳。

(3)DGAC及SMA的磨耗率會隨著裹漿粒料取代量增加而提升，系因為粗粒料的輕質(zhì)骨材裹漿粒料比重本身較細粒料輕。粒料方面裹飛灰漿為最佳，其次為裹爐石漿，主要原因為二灰水泥漿比重較低且裹漿粒料經(jīng)過28 d養(yǎng)護，試體本身較輕，強度足夠，故其磨耗率小于純水泥漿裹漿粒料試體。

(4)浸水剝脫方面，裹漿粒料取代比例越高TSR值越高。與天然粒料相比，裹漿粒料具有減少剝脫的效果，其中以飛灰水泥漿裹漿粒料為最佳。