某高速公路沥青路面施工技术分析

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摘要:本文根据工程案例，就高速公路沥青路面工程施工质量控制、激光纹理评价路面施工离析及质量控制水平等问题介绍和总结。

关键词:高速公路沥青路面施工

目前,我国高速公路沥青路面建设的主要问题表现为早期损坏,如车辙、坑槽、开裂等,究其原因不外乎设计、材料、施工等存在问题。调查研究及大量工程实践显示,基于疲劳理论的设计规范和设计方法并非主要原因,施工质量的不均匀被普遍认为是主因之一。通过施工过程的质量控制,是能够减少或避免原材料不稳定、沥青混合料施工不均匀等施工质量问题。本文以某高速公路为案例,以控制沥青混合料的离析为目的,针对整个施工过程开展研究,主要包括集料生产、运输、堆放等环节的集料离析,沥青拌合楼生产、储存、装料、摊铺机收斗、布料器分料等工艺环节存在的混合料级配离析,混合料运输距离过长、未采取保温措施、机械故障、气温较低等于原因导致的温度离析。显然,仅仅认识到离析问题所在和采取了防止离析的相关技术措施仍然是不够的,还需要有效的检验手段 ,监控施工质量效果以便及时发现问题、反馈信息和调整相应施工工艺,施工中尝试了无损检测方法激光纹理仪。

1 工程案例

该公路全长153.2km,预测本高速公路建成通车后的交通量大,重载车多,又处在高温、多雨的地区,显然对于沥青路面的抗高温稳定性和抗水损害性能将是严峻的考验。

该公路主线以沥青混凝土路面为主,其路面结构(见1)为:主线路基段4cmAK-16A(上面层)+5cmAC-20I(中面层)+6cmAC-25I(下面层)+1cm(下封层)+40cm(水泥稳定碎石基层)+20cm(水泥稳定类底基层);桥面铺装部分没有下面层,中面层与上面层与路基段相同。而沿线的石场调查显示,石料基本是花岗岩 ,限于工期和造价的制约,材料设计只能采用花岗岩,这无疑为设计高性能的沥青混合料增加相当大的难度。

沥青面层工程量大,工期紧是该工程的突出问题。为了确保工程施工质量,甚至实现优质工程,制定一套沥青路面施工的组织管理和质量控制体系十分必要。

图1 沥青路面层状结构

2 施工质量控制

通过对该高速公路沥青路面施工离析的控制和研究,提出了沥青路面离析主要应从集料离析、沥青混合料级配离析以及温度离析3个方面进行控制。

2.1 石料质量控制

鉴于目前我国石料生产的整体技术能力和管理水平落后,不可能要求规格料生产能达到很高的水平,而原材料的质量又直接影响着沥青混合料的性能,如何在有限的条件下,提高该高速公路沥青路面原材料质量十分关键。该高速公路石料采用沿线的花岗岩类石料,不可避免的会存在一些不足,如与沥青的粘附性差、强度不高、磨光值偏低,组分不稳定(密度变化)等,显然,加强对石场和料场原材料技术指标的质量跟踪控制十分必要。施工中在加强对施工单位原材料自检以及监理单位抽检的基础上,同时开展了技术服务单位平行检验与质量稳定性评价试验,如及时进行石场或料场各规格料的表观密度、筛分、针片状、软石含量等指标的检验。粗集料每500m3进行常规检验,细集料每200m3 抽检,将各指标进行统计分析,通过对均值及标准差的比较,跟踪石料的质量便一准状况,如筛分颗粒组成配变化反映了振动筛网的磨损程度,密度的变异显示了开采岩层的变化,棱角度的变大说明反击颇槌需要更换等。通过上述技术把关,发现施工中个别石场石料不同程度存在针片状超标、风化石含量过大、含有密度异常黑色碎石等问题,并及时进行了处理,避免了质量事故的发,大大提高了原材料的质量控制力度。

2.2 配合比设计验证与优化

解决沥青混合料级配离析应首先从目标配合比设计开始。增加粗集料比利可提高混合料抗高温性能,但也增加了施工离析的风险;反之,细集料比例变大,虽施工均匀性较好,但抗高温性能损失较大。本文着重开展了以下方面的重要工作:按规范设计同时兼顾广东省省交通厅2003299号文件要求;兼顾高温稳定性和密水性,采用 SUPERPAVE技术优化规范配合比设计的部分体积指标。

299号文件对沥青混合料配合比设计的要求体现在2个方面:针对广东省地处经济发达地区特点,即交通量大,重载车比例高,提出了中上面层重交沥青混合料应不小1200次/mm,以及针对高温多雨的特点,提出了中下面层沥青混合料设计空隙率为3%～4%,抗滑表层为4%～5%。施工过程中遇到问题的现场指导与专题研讨等。

众所周知,AC类沥青混凝土为密实悬浮型结构,其粗级料未能形成良好的嵌挤分布,而越来越多的研究表明(如美国的SUPERPAVE技术和我国的按体积设计混合料CAVF法),混合料的高温稳定性受级配的粗集料嵌挤状态的影响相当显著。为此,设计规范沥青混合料的同时适当考虑已有研究成果,提高所设计的规范沥青混凝土粗集料间的嵌挤程度,针对不同原材料,通过大量试验确定级配曲线的走势和关键点的通过率引入体积法设计沥青混合料思想 ,严格控制 VMA、VFA、VV 等积指标,如中下面层“S”曲线的曲率反向位置最适宜2.3～9.5mm间,对于AC类沥青混合料4.75mm通过率,AC-25I控制为37%±2%,AC-20I控制为43%±2%,2.36mm筛档的分计筛余控制在10%以内,对于VMA指标,AC-25I大于13%,AC-20I大于14%。这些技术措施既提高了沥青混合料的抗高温稳定性,也减少大颗粒多所造成的级配离析。

2.3 施工过程中的离析分析与控制

①沥青混合料施工过程存在级配离析和温度离析2种主要情况。

控制级配离析应解决沥青混合料拌和、储存及运输离析以及现场摊铺离析等,无论那一种情况,一般施工后都会表现为沥青混合料的均匀性差,出现混合料级配异常。由于我国原材料的质量稳定性较差,目前沥青拌和机主要采用间歇式,冷料仓进料就有可能产生离析,如原材料堆放造成的“上细下粗”致使冷料阶在段性变异;冷料仓进料无挡板会发生混料;冷料仓出料口为矩形时,满料仓位对传送皮带的产生较大阻力,进料方向的仓内易形成死区;斗门开度大小影响着皮带转速,若没有反馈信号系统,造成进料波动;细料含水量过高时,供料易产生聚堆的情况,等等。施工中采取将冷料仓进料口架设了挡板防止串料,出料口改矩形为梯形等措施。

生产配合比一旦确定后,各热料仓供料应保持稳定,影响混合料离析的主要是振动筛的效率,计量系统和产量(效率)。振动筛的效率与筛孔、振动频率和倾角有关,针对不同集料调整合理的筛孔将使各热料仓供料均衡,减少等料溢料;合理的振动频率和倾角将使集料颗粒实现充分分离,特别是 ,热料烘干不充分不仅影响与沥青的裹附,也将使筛分不彻底;集料系统十分关键,如果其他的环节没问题,唯独计量不准,混合料级配难免不变异。为此,在施工配合比调试阶段,进行了大量试验,确定筛孔尺寸,试验振动频率和筛网倾角与时间的关系,进而确定合理的生产效率,同时加强烘干鼓料温的监测,以保证热料仓的筛分质量。

锥形贮料罐存料高度不够,向多内抛料时落差过大造成大颗粒滚向边角,局部区域粗细料聚集。向运料车装料时同样存在向料车抛料的问题。显然,确保贮料罐内具有一定的贮料高度可以有效减少抛料离析,同时要求料车在装料过程中保持“两进两退”的动态受料过程。

沥青混合料摊铺离析是施工中最直观的离析现象,也使控制沥青混合料离析的最关键环节 ,其表现为施工后路面呈带状或局部块状区域性差异,其实质为该位置矿料级配以不同于生产配合比,或为粗集料颗粒聚集,表面粗糙,或为细颗粒集中,表面光滑。纠其原因,料车装料离析和摊铺机频繁收斗是区域离析的主要原因,布料器支撑设置过多位置不合理、非匀速(时快时停)布料、叶片未充分延伸到摊铺机外边缘等,都会产生路面带状离析,此外,试验表明谈铺宽度超过8m后,摊铺边缘离析明显加大。为此,施工中有针对的制定了防范措施,如3车料才可以收斗,且应保证收斗时存料不少于满料的1/3,分料器摊铺中匀速旋转,支撑点左右各一个,且叶片末端距摊铺边缘不能超过一个螺距,同时必须采取两台摊铺机梯队作业。

②混合料温度离析体现为贮料罐内边缘于内部温度存在差异,料车运输途中与车体和空气接触位置温度低于内部,摊铺机作业时的停机、等料造成的前后摊铺沥青混合料温度不同,碾压工序不合理造成的先压和后亚区域温度不一致等。显然 ,温度离析带来的影响十分不利,温度过高摊铺中会产生混合料结团,影响摊铺的均匀性和熨平效果,过低的温度也将造成难于碾压,很难保证达到目标压实度。为此,制定控制温度离析的措施,监理和总承包联合测温,进行全过程的温度监控,如沥青的加热温度、石料的加热温度、混合料的出厂温度、摊铺前的温度、碾压过程中各阶段的温度等,要求贮料罐存料时间最多不能超3h ,料车应加盖帆布(防雨)和棉被(保温)。为防止沥青焦化,对于出厂温度超过190℃的混合料必须废弃;遇机械故障、降雨等情况运料车内混合料温度降低至145℃以下的也要求废弃;特别是对碾压中分阶段(初压、复压、终压)的沥青混合料进行大量的温度监控,重交沥青混合料初压不得低于135℃、终压温度不得低于90℃,改性初压温度不低于150℃、终压不低于100℃。全过程的动态温度监控有利于掌握情况,以及提醒值得注意的某些施工环节,并针对具体情况做出相应对策。

3 激光纹理评价路面施工离析

激光纹理仪是采用激光脉冲反射原理来测定路面构造深度大小的。激光纹理仪可高速连续测量沥青路面的表面纹理轮廓,可以快速得到连续的纵向表面构造深度。激光构造深度仪比较轻便,便于携带,也可车载,并且能实时进行数据分析。

采用激光纹理仪测构造深度评价沥青路面施工的离析时,直接测量结果是构造深度值,不是我们期望的最终结果,在数据分析过程中采用它与标准构造深度值的比值 ,通过比值来反映出路面的离析情况。路面离析的地方,粗骨料集中,表面构造深度必然较正常情况偏大。摊铺工艺、机械设备性能、料源的稳定性等因素都影响混合料的离析程度,根据评价结果,可以及时从这几方面寻找与分析原因,并加以改进。

具体测试方法为:针对刚刚施工完成的沥青路面,先选择一段长度100～200m不等的有代表性的路段,然后利用皮尺对选定的路段区域进行纵向(行车方向)和横行(垂直行车方向)网格划分。根据激光纹理仪的工作原理(每10延m一个结果) ,把选定的路段区域划分为多个长(纵向)10m,宽(横行)1m的小长方形,利用激光纹理仪测得各个小长方形的构造深度值 ,连续量测得到路段的多个这样的”点”区域的构造深度 ,便形成了对一块区域的检测 ,然后再采用统计数学方法来分析评价整块区域内各个点区域的离析状况及其分布,从而达到对该块区域内沥青路面施工质量进行控制的目的。通过采用该方法对全线数十次的评价的结果显示,该方法可有效地识别离析的位置和程度,并给出量化值。为局部路面补强和返工提供了强有力的技术支持。

4 质量控制水平

通过从原材料、配合比、施工工艺等方面严格控制 ,通过现场测试评价并加以改进 ,该路面施工质量一直处于受控之中 ,交工验收检测的各项指标都较好(见表1) ,全线沥青路面分部工程优良率为100%,3个项目段工程质量都被评定为优良。

表1 该高速公路交工验收时各路面标质量检验评定结果一览( 检验合格率)

该高速公路从通车至今,已经1a有多了,从通车伊始交通量就较大 ,刚通车时昼夜交通量就达1万辆 ,目前已经近3万辆 ,重车比例占3成左右。沥青路面经过了高温与多雨的考验,目前又是高温多雨的季节,从该高速公路上实驾车行走与质保期维修养护的情况来看,路面因离析出现水毁坑槽的现象较少,基本没有车辙病害,全线行车舒适、平整度好,路面的构造深度也满足要求。

5 结语

通过以该高速公路沥青路面施工离析为主要内容的质量控制研究,可得到以下结论:

①采取承包商、监理单位和技术服务单位协助总包三级组织管理模式管理施工质量是成功的;

②将沥青路面施工离析划分为石料离析、矿料级配离析、温度离析,进行了合理分析,并采取有针对性的技术保证措施,收到了理想的效果;

③采用激光纹理仪评价沥青路面施工离析,方法简单,操作便捷 ,效果理想、直观。

④通过以离析为重点的施工质量控制,该高速公路沥青路面获得了优质的施工质量效果。

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