沥青稳定碎石基层ATB.doc

沥青稳定碎石基层ATB-25混合料配合比设计与施工质量控制（2008年第3期 总第107期）

更新时间：[2009-01-04]
字体：大 中 小

詹 军
(福建省交通科学技术研究所，福州 350004)

摘 要沥青稳定碎石基层ATB-25路面结构在我省重载交通上的应用尚属起步阶段。本文以龙长高速公路沥青稳定碎石基层ATB-25为例，对原材料要求、配合比设计、施工工艺以及质量控制等方面进行论述，以期为今后沥青稳定碎石基层ATB-25在我省高速公路的推广应用提供借鉴。
关键词 高速公路 沥青稳定碎石基层 配合比设计 施工 质量控制

1 引言
国际上绝大部分国家早在20世纪70年代起，就采用柔性基层——沥青稳定碎石作为重载交通路段的常用的路面结构。沥青稳定碎石属于粘弹性材料，韧性强，有一定的自愈能力，对反射裂缝有较好的抑制。在柔性基层路面结构中，基层层底的拉应力较大，在弯拉应力的反复作用下出现层底疲劳开裂的可能性也最大，因此要求具有很好的耐久性，特别具有优良的抗疲劳性能，而且作为承重层要求有一定的抗车辙能力。在路面结构中，将路面上面层设计为功能层，将中下面层、基层设计为结构的承重层。有关资料证明，柔性基层路面的破坏一般始于面层，由于面层的车辙、开裂等破坏从上到下顺序发展、延伸。对于柔性基层路面内部出现的微小裂缝往往能够自愈，而不致于象半刚性基层材料，出现裂缝后，会迅速扩展，因此柔性基层的破坏是功能性破坏。
与全国各地一样，福建省高速公路以往全部采用半刚性基层，往往通车没几年，许多没有达到设计年限的高速公路沥青路面出现了早期损害，沥青路面病害呈不断加剧趋势，路面使用性能急剧衰变，主车道出现了裂缝、坑槽、唧浆、沉陷、车辙等比较严重的病害，对道路和行车安全构成了严重威胁。养护部门虽已采取了多种技术措施进行路面养护，但往往是一场大雨过后，就出现大面积的裂缝、坑槽、唧浆、沉陷等病害，令养护部门应接不暇，防不胜防，造成了极大的经济损失和社会影响，也给广大道路使用者造成了极大的不便。从2005年开始，我省邵三高速公路沥青路面首次进行了5km沥青稳定碎石基层试验路研究，2006年起包括福州机场高速公路一期工程在内的我省高速公路沥青路面结构全部采用了水泥稳定碎石层+级配碎石+沥青稳定碎石基层+沥青面层这种倒装的路面结构类型。

以下，就龙长高速公路沥青稳定碎石基层ATB-25的配合比设计及施工质量控制情况进行论述。
2 工程概况
福建省龙长高速公路（以下简称龙长高速公路）主线长135.173 km，为福建省龙岩至长汀的一条双向四车道高速公路，是国家重点公路干线厦门至昆明的重要组成部分。工程地处福建西部，位于武夷山脉南麓和博平岭山脉之间，属中亚热带季风气候区，气候温和，雨量充沛。年平均气温19℃，历年最高气温为40.4℃，历年最低气温为-7.2℃，最热月的平均气温为36.1℃，年平均降雨量1679㎜，无霜期270天，属1-4-1夏炎热冬温潮湿区。整体式路基横断面布置：标准路基横断面宽度24.5m，其中中央分隔带宽度2.0m，左侧路缘带宽度2×0.5m，行车道宽度2×2×3.75m，右侧硬路肩宽度2×2.50 m，土路肩宽度2×0.75m。分离式路基横断面布置：分离式路基横断面单幅宽度12.5m，其中行车道宽度2×3.75m，左侧硬路肩宽度0.75m，右侧硬路肩宽度2.50 m，土路肩宽度2×0.75m。
3 路面结构类型
1997年我省第一条高速公路泉厦高速公路原设计以路表容许弯沉值作为路面整体强度的控制指标，并对沥青砼面层及整体型材料基层进行弯拉应力计算。采用三层式沥青砼面层，路面结构如下：上面层采用4cm沥青混凝土AC-16，中面层采用6cm沥青混凝土AC-25I ，下面层采用6cm厚沥青混凝土AC-25II，下封层采用1cm沥青砂，其下设30cm 5％水泥稳定碎石基层和22～36cm 3％水泥稳定碎石底基层。
到2003年，福银高速公路采用的路面结构为：上面层采用4cm沥青混凝土AK-16A，中面层采用6cm沥青混凝土AC-20I ，下面层采用8cm厚沥青混凝土AC-25 I，下封层采用1cm预拌碎石，其下设30cm 5％水泥稳定碎石基层和22～36cm 3％水泥稳定碎石底基层。
到2006年，沥青路面设计的主要思想是建立以沥青层层底弯拉应变和路基土顶面压应变为控制指标。龙长高速公路针对该地区的自然地理、气候条件、路基土承载能力、材料以及交通量，充分吸收国内外先进技术，包括美国公路战略研究计划（SHRP）的重要研究成果——高性能沥青路面（superpave）技术，结合防治高速公路沥青路面早期损坏的成套技术和建设的成功经验。龙长高速公路主线沥青混凝土路面由上面层、中面层和下面层组成，上面层采用40mm改性沥青混凝土AC-13C，中面层采用60mm中粒式沥青混凝土AC-20C，下面层采用160mm粗粒式沥青稳定碎石ATB-25，其下设160mm级配碎石与200～300mm 和320mm 3%水泥稳定碎石。下封层采用改性稀浆封层，设在水泥稳定碎石层上，在级配碎石层上采用乳化沥青透层和热沥青粘层。采用该路面结构期望能延长沥青路面的使用寿命，改善沥青路面的使用性能并减少沥青路面的后期维修费用。
4 沥青稳定碎石基层ATB-25与AC-25Ⅰ、AC-25Ⅱ比较
以往我省沥青路面下面层多采用AC-25Ⅰ和AC-25Ⅱ，现从矿料级配与马歇尔试验指标方面对沥青稳定碎石基层ATB-25与AC-25Ⅰ、AC-25Ⅱ进行比较。
4.1 矿料级配
沥青稳定碎石基层ATB-25与AC-25Ⅱ、AC-25Ⅰ型矿料级配范围见表1；ATB-25与AC-25Ⅱ矿料级配曲线见图1，ATB-25与AC-25Ⅰ矿料级配曲线见图2。

表1 矿料级配范围

图1 ATB-25与AC-25Ⅱ矿料级配曲线比较

图2 ATB-25与AC-25Ⅰ矿料级配曲线比较
由上可见：ATB-25 与AC-25Ⅱ矿料级配范围基本相似，在9.5mm以上各档级配ATB-25 比AC-25Ⅱ略为偏粗5个百分点以内，在2.36mm以下的各档级配ATB-25 比AC-25Ⅱ略为偏细2个百分点；ATB-25 比AC-25Ⅰ矿料级配均偏粗较多，2.36mm以上各档级配偏粗10个百分点以上。
4.2 马歇尔试验指标
ATB-25与AC-25Ⅱ、AC-25Ⅰ马歇尔试验指标如表2所示。

表2 ATB-25与AC-25Ⅱ、AC-25Ⅰ马歇尔试验指标

由表2可见：ATB-25与AC-25Ⅰ的马歇尔空隙率、矿料间隙率、稳定度、流值、残留稳定度与击实次数等指标在规定要求上是一致的，主要是沥青饱和度降低了较多。ATB-25与AC-25Ⅱ则在以上指标要求上差别就更多了。
综合看来，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。
5 沥青稳定碎石基层ATB-25设计实例
5.1原材料的选择
沥青稳定碎石基层ATB-25采用的沥青、矿料应满足《福建省高速公路路面及安全设施施工标准化指南》（试行）的要求，其中70号Ａ级沥青个别指标有所提高，即针入度为60～70（0.1㎜），软化点要求不小于47℃；集料采用大型反击式联合破碎设备加工，石料清洁无粘土块等有害物质，分0~4.75mm、4.75~9.5mm 、9.5~19mm、19~31.5mm四种规格，最大粒径不超过31.5mm。抗剥落剂为江苏文昌TW-1型,掺量为结合料的0.4%，与集料的粘附性达到4级。
粘层与透层采用乳化沥青，桥面防水粘层与稀浆下封层采用改性乳化沥青，质量应符合规范（JTG F40-2004）有关规定的技术要求。
5.2级配确定
对各档矿料进行水洗筛分，其结果如表3所示。

表3 矿料筛分结果（通过率%）
根据筛分结果，按照美国Superpave体积设计法进行沥青混合料设计，各矿料比例及合成级配（分别参见表4和表5）作为初试级配，级配曲线见图3。

表4 各矿料比例

表5 混合料合成级配

图3 设计级配曲线

5.3最佳沥青含量确定
按上述合成级配以初试沥青含量3.8%以及3.8±0.3%，击实温度以145℃分别制作马歇尔试件，并进行马歇尔试验，结果见表6。表中马歇尔试件体积特性计算采用实测理论最大相对密度，计算理论最大相对密度作为参考。

表6 马歇尔试验结果
表6试验结果表明，沥青含量3.8%时，混合料空隙率、沥青饱和度、矿料间隙率、稳定度与流值指标均符合规范要求,沥青含量3.8%作为最佳沥青含量较为合适，在此基础上进行沥青混合料性能检验。
5.4 沥青混合料性能检验
7和表8性能验证结果表明，采用沥青含量为3.8%时，残留强度比符合规范要求，该沥青混合料具有一定的抵抗车辙的能力。

表7 沥青混合料性能检测试验结果

表8 沥青混合料旋转压实试验结果
6        试验段铺筑
在目标配合比设计的基础上进行生产配合比设计及试拌，并在YK111+200处铺筑200m试验段，16 cm 沥青稳定碎石分两层铺筑。
6.1 沥青混合料温度控制
出场温度：沥青混合料最高166℃，最低162℃；
到场温度：沥青混合料最高160℃，最低150℃；
摊铺温度：运到摊铺现场5车后开始摊铺，沥青混合料摊铺温度最高155℃， 最低150℃；
初压温度：摊铺完40米后，开始稳压，沥青混合料初压温度最高145℃，最低140℃；
终压完温度：沥青混合料终压完温度最高100℃，最低80℃。
6.2运输
运输采用30t自卸车。装料前，车箱底板及周壁涂一层隔离剂，隔离剂采用油+水比例1:3。自卸车前后移动分四次装料，防止粗、细集料离析，运输过程中加盖蓬布，以保温和避免污染。
6.3 摊铺
采用两台摊铺机梯队作业，熨平板采用电加温，提前1小时加温，摊铺机熨平板振级4，夯锤振级4，摊铺机设定速度为：2.5m/min左右，平均摊铺速度2m/min。
6.4 松铺系数
每20m一个断面检测2~3个点，分别测出摊铺前高程、摊铺后高程、碾压完高程，按照（摊铺后高程—摊铺前高程）/（碾压完高程—摊铺前高程）计算得出松铺系数为1.18。
6.5 碾压组合
初压采用CC-522型双钢轮振动压路机前进静压后退开振碾压一遍，初压压路机尽量紧跟摊铺机后进行,两端的折返位置随摊铺机前进而推进；复压紧跟初压后进行，先用2台YL30胶轮压路机碾压4遍，再用CC522双钢轮压路机挂强振碾压3遍；终压用一台DD110双钢轮压路机碾压2遍，至无明显轮迹。终压完成后温度不低于80℃。
6.6 沥青混合料马歇尔试验结果及抽提情况
沥青混合料马歇尔试验结果及抽提情况分别参见表9和表10。

表9 马歇尔试验结果

表10 抽提试验结果
6.7 现场检测结果
试验段铺筑后第二天，现场取12个芯样，平均厚度8.4cm，其中一个芯样厚度6.4cm不符合设计要求（要求大于7.5 cm）；压实度共检测12个点，平均98.4%；原位空隙率平均4.5%，均符合设计要求。
6.8主要存在的问题
由于骨料较大，摊铺过程中易产生离析现象； 分两层摊铺，第一层厚度不容易控制。
综合以上检测结果，该试验路段铺筑成功，可以进行大面积施工。
7 施工质量控制
施工过程中主要对沥青混合料与芯样进行质量控制：对于沥青混合料，检测矿料级配、沥青含量、马歇尔空隙率、稳定度与流值指标；对于芯样，检测芯样厚度、压实度与原位空隙率。在现场抽检过程中，随机检查混合料外观与拌和温度。另外施工单位必须配备计算机自动采集及自动打印数据装置，以便随机检查打印记录，对沥青混合料进行在线监测和总量检验。
根据图4~10分别对沥青稳定碎石基层ATB-25各检测指标的数据分析。

图4 沥青含量统计

从图4可见：沥青含量设计值为3.80%，沥青含量抽检的平均值为3.77%，标准差0.14%，变异系数3.74%，在设计值±0.3%以外的占2.6%，在设计值±0.2%以外的占10.4%。

图5 马歇尔空隙率统计

从图5可见：空隙率设计范围为3%~6%，抽检的平均值为4.4%，标准差0.40，变异系数9.1%，均在设计范围内。

图6 0.075mm档通过率统计

由图6可见：0.075mm档通过率的设计值为4.3%，抽检的平均值为4.8%，标准差0.54，变异系数11.26%，高于设计值的占84.2%。

图7 4.75mm档通过率统计

由图7可见：4.75mm档通过率设计值为30.5%，抽检的平均值为28.2%，标准差1.94，变异系数6.88%。

图8 芯样厚度（第一层）统计

由图8可见：芯样厚度设计值为8.0cm，抽检的平均值为8.3cm，标准差1.1，变异系数12.8%，厚度小于7.4cm的芯样个数占10.3%，合格率为89.7%。

图9 芯样压实度统计

由图9可见：芯样压实度要求大于97%，抽检的平均值为99.1%，标准差1.0，变异系数1.0%，芯样压实度小于97%的个数占1.7%，合格率为99.3%。

图10 芯样原位空隙率统计

由图10可见：原位空隙率的要求小于7%，抽检的平均值为5.1%，标准差1.0，变异系数19.7%，合格率为96.6%。
综上可见，各检测指标总体控制较好，同时也存在以下几方面问题：
⑴由图8可见, 芯样厚度平均值在目标范围内，但施工质量动态管理图波动很大，偏于离散，合格率较低。究其原因，由于沥青稳定碎石基层摊铺于级配碎石层上，级配碎石层平整度控制不严，导致沥青稳定碎石第一层厚度不易控制。
⑵从马歇尔空隙率、0.075mm通过率以及压实度的图中（图5、图6、图9）可以看出，这三个指标都满足要求，均属理想控制；但同时可以发现，混合料的0.075mm通过率总体比设计值明显偏高，0.075mm通过率与压实度有着明显的正相关关系，0.075mm通过率与路面原位空隙率有着明显的负相关关系，0.075mm通过率是质量控制的关键。
⑶路面压实度和原位空隙率直接影响路面的早期破坏和水损害，这两个指标是路面施工控制的重要内容。但不能为减小沥青混合料室内空隙率、提高路面压实度、减小原位空隙率而去刻意提高细料的含量。
8 体会
（1）对原材料进行严格控制是确保工程质量的前提条件。
（2）混合料设计与常规的设计方法一样，采用体积设计法，由于级配较粗，在进行混合料设计时要考虑防止施工过程中离析的发生。
（3）对沥青混合料级配与沥青含量、芯样厚度、压实度与空隙率进行质量控制是保证施工实现设计的重要保证。通过施工质量动态管理图可以及时发现施工过程的异常波动，及时认真分析其原因并采取措施，使施工质量能有效得到控制。
（4）沥青路面的压实控制是沥青路面施工中最重要的一个工序，而沥青路面压实度不足和不均匀是我国沥青路面施工中比较突出的问题，也是导致沥青路面早期损坏的重要原因。工程经验表明，提高沥青路面的质量水平，延长沥青路面的使用寿命，必须重视沥青路面压实度的控制，合理的压实工艺确保压实度达到要求，现场空隙率应控制在 4%~7%。沥青稳定碎石基层压实工艺与常规的混合料是一样的，强调紧跟碾压。
（5）沥青稳定碎石基层在我省应用已超过150km，龙长高速公路通车至今，路况良好。这种结构形式以及混合料设计、施工工艺等是否能适用于我省高速公路建设的需要，是否能避免因采用半刚性基层易出现的早期病害，还需时间考验。