沪宁高速公路江苏段沥青路面施工中的一些技术问题

'沪宁高速公路江苏段沥青路面施工中的一些技术问题许道化　　　　　　　　　　　　　　陈雅贞【江苏宁沪高速公路股份有限公司南京210049】　　　【东南大学210018】摘要：本文针对沪宁高速公路江苏段沥青路面施工中遇到的诸如混合料类型选择与配比设计、原材料选用与技术指标要求、摊铺工艺与碾压温度等一些技术问题的决策与处理过程作了介绍。关键词：混合料类型　原材料技术指标　摊铺工艺　碾压温度　平整度1　沥青面层结构组合与混合料类型选择　　沥青面层由三层组成，下面层和中面层均采用粗粒式沥青混凝土，厚各为6cm，下面层为半密实式的AC—25Ⅱ型，中面层为密实式的AC—25Ⅰ型，上面层采用AC—16B型中粒式沥青混凝土。　　沪宁高速公路江苏段处于我国公路自然区划的东南湿热区(IV2)，沥青面层必须兼具防水和抗车辙的双重功能。下面层AC—25Ⅱ的空隙率较大(4%～8%)，尽管它的高温抗车辙能力、耐疲劳性能、抗水剥落能力等不如中面层(AC—25Ⅰ)，但它处在沥青层的最下面，接触日照和地面水的机会很少，更主要的是这种混合料的价格比AC—25Ⅰ要便宜。有人认为，京津塘高速公路下面层系用沥青碎石，而为何我们要用粗粒式沥青混凝土(AC—25Ⅱ)。其实京津塘高速公路上用的沥青碎石中已经掺有一定量的矿粉，过去将这种掺有矿粉的沥青碎石混合料，惯称黑色碎石混合料，现在新规范(JTJ032—94)已将该类混合料正名为Ⅱ型沥青混凝土。不加矿粉的沥青碎石因其透水性大不宜采用。　　中面层AC—25Ⅰ的空隙率小，致密度、耐久性均优于下面层，因它靠近表面层，意在起密水把关之用，同时兼抗车辙之效。 　　上面层AC—16B相当于园孔筛的LH—20。矿料最大粒径D=16mm(方孔)，20mm(圆孔)。其矿料级配组成界于AC—16Ⅰ与AC—16Ⅱ之间(表1)。上面的粗集料靠近Ⅱ型，下面的细集料靠近型Ⅰ。Ⅰ型级配虽路面致密，空隙率较小，但由于粗料含量少，致使形成的表面较光滑，对高速行车的安全性无益，而Ⅱ型级配表面虽较粗糙，但由于细料含量少，空隙率较大，致使混合料的稳定性和耐久性又较差，而AC—16B的矿料级配中，粗集料(＞2.36mm)含量高于Ⅰ型，细集料(＜2.36mm)含量则高于Ⅱ型，克服了原来Ⅰ型与Ⅱ型各自的缺点，从而使粗集料起骨架作用，细料起填充空隙的作用，较多的粗料需要使用较多的细料填充其空隙，所以该级配具有密实而又粗糙的特点，以期提高表面层的抗滑和抗车辙之能力。AC—16各型矿料级配组成达式　　　表1通过下列筛孔(方孔)的重量百分率(%)级配名称19.016.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC—16B10090～10070～9050～7030～5022～3716～2812～238～186～134～8AC—16Ⅰ10095～10075～9058～7842～6332～5022～3716～2811～217～154～8AC—16Ⅱ10090～10065～8550～7030～5018～3512～267～194～143～92～5　　本工程为何未用抗滑沥青表层照说，高速公路沥青路面采用抗滑表层对行车安全作用很大，可在宏观和微观方面都能满足抗滑标准，使磨擦系数和构造深度都能达标。现行规范推荐了AK—13和和AK16两种。　　AK—13在沪嘉、莘松两条高速路上都用过，又在南浦大桥桥面铺装上用过，在上海市已有成功的实际经验。辽宁省在1993年亦用于沈阳绕城高速公路和沈抚高速公路。　　AK—13是细粒式沥青混凝土，用在沪嘉、莘松虽已经过了时间的考验，但该两条高速公路交通量至今不很大。沪宁路开通后，很快就要承受4万辆以上的大交通量。故认为应该采用中粒式沥青混凝土作表层，而抗滑表层AK—16，我们对它不甚了解，又无成熟的经验可借鉴，因此最终采用了AC—16B沥青混凝土表面层。 2　精选集料与填料，并对沥青的某些技术要求提高了标准2.1　上面层集料采用致密型玄武岩，不仅磨耗率、磨光值、压碎值、对沥青的粘附性等4个指标满足要求，还要求其饱水抗压强度不低于150MPa，矿物成份中SiO2的含量应少于52%的基性岩，通称碱性石料，因其表面带正电荷而亲油。我们增加了矿物成份的要求，是因为沥青粘附试验的结果不一定靠得住。　　江苏境内玄武岩产地不多，且半数为多孔型结构。为保证沪宁高速公路江苏段沥青上面层抗滑的持久性，我们规定只用满足抗压强度要求的致密型玄武岩碎石，后因料源不足，在个别路段只得采用吸水率较高的玄武岩集料，由此引出的技术难度由另文介绍。玄武岩集料一律用板击式破碎机统一加工和供料，以期从集料着手，提高矿料的微观粗糙度，保证磨光值的要求。实践证明粒形效果是好的，但抗压强度高的玄武岩细集料成品太少，按上面层集料级配要求，尚缺8%左右的细集料则用天然砂补充，另外玄武岩集料加工过程中形成的粉料虽属于基性矿粉，但其细度规格不如正式生产的矿粉。有关专家指出，矿粉的细度很重要，矿粉与沥青组成“结合料”藉以把粗细集料胶结成一个整体，而且规范要求填料是强基性的。因此上面层填料决定采用石灰岩矿粉。　　中、下面层中的粗集料一律采用石灰岩碎石，虽料源尚可满足，但粒形不好，针片状含量较高。实践证明，用鳄式轧石机不可能生产出粒形完全符合要求的集料。交通部公路二局镇江段油面施工中采用锤式轧石机自行加工的集料，由于粒形好，其配比设计较顺利，摊铺后的油面质量也高出一筹。因此，省高指竭力提倡施工单位自行加工成品集料。　　在检测集料针片状的过程中，曾发现个别单位使用仅适用于水泥混凝土集料规格检测1∶6式轨准仪(金属薄片)，此事好在及早发现，尚未形成事故。据专家指出，扁平集料在荷载作用下易折断，一经折断，构成的二个新裂面上无结合料，也即无粘结力，在该处应力集中约增大3～7倍。因此本工程对集料的粒形看得很重，抓得很紧，如苏州某段粗集料针片状超过15%而坚决换料。 　　中、下面层中细集料(砂或石屑)的选用上也是本工程慎重考虑过的一个问题。如果石屑是机制屑砂，则倒十分理想，可是生产实践中一般难就。目前市场上采石场出来的所谓石屑，多系轧石厂的下脚料，大部份为石料破碎过程中表面剥落或撞下的棱角，强度很低且扁片含量及碎土比例很大，在沥青混合料中还会进一步压碎细粒化，影响沥青混凝土的质量。对此，我们虽有明文规定：“不能采用山场的下脚料”，但事实上各单位购进的石屑多数是下脚料。尽管石屑与沥青的粘附性优于砂与沥青的粘附性，但考虑到石屑的质量不好，故提出用部分中粗砂取代部分石屑，但不许全部用天然砂作细集料，否则混合料的某些技术指标不合要求，如出现空隙率偏小，饱和度有余等现象。承包方乐意多用天然砂作细集料，因混合料的流动性好，成型方便。另外，我们要求全部用天然砂时应考虑采用抗剥落剂，以补足细集料与沥青之间的粘结力。 　　大多施工单位的细集料都是石屑与砂的混合物，其中石屑比例较高。石屑与天然砂相比，前者与沥青的粘结强度较高，似乎对提高沥青面层的动稳定度有助；而后者的低温强度较好。　　中、下面层的填料除利用一部分石屑中的回收粉料外，一律采用石灰岩矿粉。我们担心的是回收粉料的质量问题及用量控制问题，故规定填料(加入的矿粉与回收部分粉料后的混合物)的亲水系数应小于1.0，塑性指数应不大于4.0，生产配比中的马氏残留稳定度要符合要求，另外回收粉尘的用量控制应不超过填料总量的50%。实际生产中发现，有个别拌和楼无法控制回收用量，仅能取二个极端，即全部利用或全部不用，据称是缺少某个配件的缘故。当然该单位购进的石屑本身的粉尘含量极高(占11.3%)，拌和楼又将回收的粉尘全部利用，结果使配比设计时外掺矿粉用量仅需1.3%，试铺后外观结合料颇多，粗集料几乎见不到。这一情况除拌和楼功能必须改善之外，所用的石屑不符要求，只能换料，以确保沥青混合料的配比精度和质量。　　矿粉是沥青混合料中一个重要组成部分。故有的　专家认为，回收粉尘最好不用。我们感到此言十分有理，因为回收的粉尘其颗粒细度就达不到正规矿粉的要求，加上其中尚有灰尘、泥土、杂质等非份之物。由此看来，我们规定的回收粉尘用量不得超过填料总量的50%是偏宽的。2.2　对沥青的某些技术要求提高了标准2.2.1　按现行规范要求，含蜡量(蒸馏法)不大于3%，本工程要求不大于2%。众所周知，蜡的熔点很低(不到60℃)，沥青中如果蜡含量高，则其高温稳定性降低，抗车辙能力下降。考虑到本工程所处的自然环境(东南湿热区)及高速公路渠化交通的性质，作为结合料中的主要材料沥青，含蜡量的要求适当提高。据了解，热区已建的高速公路也是这样要求的。2.2.2　要求供方提供沥青经薄膜加热试验后的15℃延度指标。现行规范仅要求实测记录而未提具体指标值。我们参考规范说明，对进口沥青，15℃延度可提不少于沥青标号，即AH—70不小于70cm。经委托同济大学试验结果，该值在148～181cm范围内，个别大于200cm。　　延度反映沥青的塑性。我们为保证低温(这里指15℃)塑性而提出的薄膜加热163℃，5h后15℃的延度指标，至少还可说明，该种沥青在加热拌和过程中耐高温老化的情况。2.2.3　提出了要求高粘度沥青，即60℃温度的动力粘度要求400±100Pa·s(4000±1000泊)，以便提高混合料的高温塑性和高温稳定性，并科学地确定混合料的试件成型温度以及施工现场的压实温度。现行规范仅在附注中提及“有条件时可测定该项指标”。　　粘度是反映沥青的一个本质性指标，尽管它与针入度的性质一样是个条件性指标，但有关专家指出，同一个针入度的沥青，粘度可能相差很远。　　为提高沥青混合料的动稳定度，我们要求60℃温度的动力粘度达400±100Pa·s(4000±1000泊)，现据省交通科研所的实测结果仅为148.6Pa·s(1486泊)京津塘高速公路为157.18Pa·s(1571.8泊)。高速公路对高粘度沥青指标是在1994年底提出的，是根据广东省进口沥青的粘度达到300～500Pa＊s(3000～5000泊)提出来的。本工程1995年到货的商检数据为222Pa·s(2220泊)。3　关于混合料的配比设计 3.1　最佳油石比的确定　　根据江苏的气候与环境条件(东南湿热区)和交通性质(轴载大、渠化明显)，预计有可能造成较大车辙的前提下，用油量取值以偏低为原则。具体步骤完全按新规范要求进行：　先确定OAC1=(a1+a2+a3)/3　　再确定OAC2=(OACmin+OACmax)/2　　检查OAC1值是否界于OACmin与OACmax两值之间，否则调整配比。综合确定的最佳油石比值应底于OAC2，但不得低于OAC2-0.5(一般实用0.3)，并不得低于OACmin。　　以上各式中的符号及意义为：　　a1——相应于密度最大值的沥青用量；　　a2——相应于稳定度最大值的沥青用量；　　a3——相应于规定空隙率范围的中值(或要求的目标空隙率)的沥青用量；　　OACmin～OACmax——马歇尔试验的各项技术指标均符合《沥青路面施工技术规范》所规定的沥青用量范围。本工程的沥青混合料指标基本都按规范规定，仅对Ⅱ型的空隙率由4%～10%改为4%～8%，8%～10%的空隙率对高速公路沥青路面似乎偏大。3.2　根据进口沥青的粘度指标，确定试件的成型温度　　开始，大多施工单位或市中心试验室试件成型温度仅为120℃～130℃，其依据是JTJ052—93中的表4.2.3，并以为石油沥青的压实温度最高是130℃，因此普遍选用120℃～130℃作为击实温度。如按现行规范表4.2.3，用线性关系推算，则AH—70的沥青确切的压实温度为126℃。在省交通科研所提出了沥青动力粘度试验报告后，以粘度指标为依据，将击实温度提高到130℃～140℃。　　江苏省交通科研所根据粘度试验结果以及美国沥青协会关于拌和粘度范围170±20mm2/s(运动粘度)和压实粘度范围280±30mm2/s(运动粘度)的建议，在温度粘度图上求得试件拌和温度范围为146℃～152℃，压实温度范围为136℃～140℃。3.3　空隙率与饱和度的控制　　空隙率与饱和度是一对矛盾，它们对油石比的反应也特别敏感。因此我们对这两项指标的控制上订有一条不成文的掌握标准，即在室内目标配比阶段，要求两项指标必须同时满足，而在正常生产施工检验过程中，主要要求检验空隙率。 　　另外，南方多雨地区，沥青路面应防渗水和车辙，在实施中还考虑到如下的具体情况，当生产配合比(标准配比)确定以后，对AC—25Ⅰ型，饱和度仅达下限或富余不多，实际施工中，还有一个沥青的允许偏差(±0.3)问题，如果出现-0.3，则有可能使饱和度稍些偏离最低要求值，这种情况并不普遍，但存在。如果饱和度偏离较多时，必须调正配比。　沥青混合料的空隙率是配比设计中最重要的一项指标，也是一个根本性的指标。空隙率小了会变形，对防止车辙不利。另外空隙率大的混合料与空气的接触面增多，容易老化，对耐久性不利。我们将空隙率3%作为警戒线，直到实际生产检验，亦不容许空隙率小于3%。　　本工程中、下面层的空隙率指标为：　　沥青下面层(AC—25Ⅱ)：要求4%～8%，实际控制在5%～6%；沥青中面层(AC—25Ⅰ)型：要求3%～6%，实际控制在3%～4.5%。3.4　关于沥青抽提试验及混合料的粉、油比控制　　本工程各油面施工单位所用的沥青抽提仪型式多样，以进口的离心式抽提仪居多；个别单位还使用脂肪式抽提仪。不同仪器抽提结果不尽相同，这与仪器的构造和精密度有关。如进口的自动抽提仪，矿粉不会被沥青带走；而Humbolt离心式抽提仪被沥青带走的矿粉虽可通过试验予以定量，但方法繁琐，耗时较多，有时还得出不同的结果。　　为此，我们要求用反复校核试验的办法，确定所用抽提仪的具体转速及矿粉的泄漏量等，以便及时调整拌和楼上的沥青用量，使其控制在允许范围内。　　填料与沥青用量之比(简称粉/油比)也是我们关注的一个问题，填料与沥青组成结合料，只有当两者保持在适当比例时结合料才能发挥它的最佳粘结力与耐久性。　　本工程的沥青下面层：实际粉/油比为1.0左右；中面层的实际粉/油比在1.2左右，符合规范条文说明中的建议值。4　关于摊铺和碾压问题 4.1　从平整度考虑，用摊铺机的最小行进速度，推算沥青拌和楼的最低产量。根据国内已有高速公路的施工经验以及学习新规范的体会，要保证沥青面层达到预期平整度，除必须从底基层、基层的平整度抓起外，沥青混合料的摊铺工艺至关重要。这里包括摊铺机械本身的性能以及摊铺操作的工艺，后者的核心是“必须缓慢、均匀、连续不间断地摊铺，摊铺过程中不得随意变换速度或中途停顿”。不难理解，凡摊铺机因故停顿之处，便是铺筑面的不平整之处。最常见的停顿原因就是供料跟不上。因此，我们用最小的摊铺允许速度2m/min推算出下面层(或中面层)6cm厚11.2m宽的单幅路面需要的拌和楼最低产量为240t/h。　　过去乃至现在，人们总有这样的错觉，只要路面施工段分得比较短，则每段的承包商所需提供的混合料总量就少，这样似可采用产量小的拌和楼也能对付。殊不知拌和楼的产量必须与摊铺机的作业速度相协调与匹配，摊铺机的最小速度是有规定的，否则不能正常作业。有人提出，有经验的摊铺机驾驶员习惯于快速摊铺(行速为5m/min或以上)，认为快了平整度就好，也有人认为驾驶员技术差的只会快速开，不会慢速开。对前者，至少供料能力必须与快速摊铺相匹配，否则摊了一段又停下来，摊的那一段可能是平整的，但停下来那一处总比不停的要差。因为停顿时，摊铺机各工作部件将遭冷却，阻力将增加，摊铺机要克服这些阻力才能拉动先前的混合料后逐渐恢复到后来的平顺摊铺，在拉动过程中便造成混合料不均匀现象。　　关于拌和楼产量的最低要求，本工程各级指挥及管理部门颇费精力与口舌，虽经反复说理，个别承包商的增补拌和楼还是珊珊来迟。　　京津塘高速公路北京段安排3个施工单位的拌和楼，总计生产能力达500t/h，向一个摊铺点联合供料。天津段由天津市政工程公司集在天津地区所有的拌和楼约600多t/h也向一个摊铺点联合供料。此为京津塘高速公路的高平整度创造了条件。八达岭高速公路更由5个拌和厂向一个点集中供料。供料富裕后，不仅平整度得到改善，均匀性亦可提高。　　本工程各油面施工单位大部分都配备240t/h以上生产能力的拌和设备，个别不足的安排联合供料。4.2　摊铺层的高程与厚度控制 　　我们所用的摊铺机均系国外进口，都备有自动找平系统。考虑到钢丝基准线不仅敷设麻烦，其标高的准确性亦难于保证，故规定中、下面层采用一侧钢丝绳引导的高程控制方式。表面层必须采用摊铺层前后保持相同高差的雪撬式摊铺厚度控制方式，其中有经验的施工单位在摊铺中面层时就采用雪橇控制，效果良好。各家所用的雪橇或拖杆大多自制(仅南京段一家自美国BlowKnox公司进口)，形式多样，大小不一，各显神通。对中面层平整度较差的路段，要求采用较长的拖杆或雪橇，以使上面层达到要求的平整度。4.3　打破传统观念，提高碾压温度　　初压温度110℃，终压60℃～70℃，甚至在开放交通后利用行车继续碾压等诸多陈旧观念，在我们的施工队伍中普遍存在。为此，我们曾多次请专家讲座，召开施工现场会示范，讲清提高压实质量的关键技术是提高碾压温度，并要求在摊铺完毕后及时进行碾压。规范所规定的沥青混合料的各种施工温度，它包括了各种不同标号与不同稠度的沥青，范围自然较宽。本工程采用AH—70，故在执行中减小了这些范围，提高了下限，并提出碾压最佳温度下限为120℃，高于规范要求(110℃)(见表2)。所谓碾压最佳温度是指在材料允许的温度范围内，沥青混合料能支承压路机而不产生水平推移且压实阻力较小的温度。换句话说，可用较少的碾压遍数，获得较高的密实度和较好的压实效果，使碾压层表面见不到轮迹，提高了层面的平整度。　　最佳碾压温度还与沥青材料的性能密切相关。根据我们用的AH—70沥青粘度值，压实温度应为136℃～140℃。实践中不少标段都在130℃以上初压，也未见有推移、发裂等状出现。如今“等到110℃再开始碾压”的观念已根本得到扭转，一般都紧跟在摊铺机之后立即碾压，对此有关专家还誉之为“带有根本性变革的进步”。沥青(AH—70)混合料的各项施工温度表2名称本工程采用现行沥青路面施工规范(JTJ032—94)沥青加热温度℃160～170150～170矿料加热温度℃170～190比沥青加热温度高10～20沥青混合料出厂温度℃150～165140～165运抵现场温度℃130～150不低于120～150摊铺温度℃120～130不低于110～130碾压温度℃120～140110～140 4.4　初压机型的选择　　现行规范推荐，初压应用双轮钢筒式压路机。开始有的承包商借鉴了济青高速公路南斯拉夫的施工经验，初压用胶轮压路机，后在监理人员主持下，进行现场对比试验，结果证实先上胶轮的沥青层，其横向平整度降低，此后认为先上胶轮的做法不宜推广，其实质是欲减少碾压遍数的一种偷工行为。4.5　沥青上面层的压实工艺　　较薄的沥青上面层(4cm中粒式沥青混凝土)比较厚的中、下面层难以压实，这使接触路面施工不多的人产生疑问，有人认为玄武岩集料强度高影响压实，也有认为厚层太薄，在碾轮搓揉过程中骨料易离析，混合料被推移。本文认为这些均非主要原因，关键是较薄的沥青层混合料摊铺后降温较快，使其有效压实时间缩短的缘故。为解决沥青上面层的顺利压实问题，我们加强了运送混合料车辆的保温，摊铺后立即碾压(碾压段长度30～50m，压实机械与摊铺机之间的最短距离仅4～5m)，除初压时碾压速度不应超过2.5km/h，以免表面发生推移而外，可适当提高复压时的碾压速度，以保证在较短的有效压实时间内完成三个阶段内必须达到的碾压总遍数。5　路面平整度的要求与控制　　“下层不平整靠中层调整，中层不平整靠上层调整”，这一老观念在人们头脑里已根深蒂固，包括本文作者在内。不久前从有关专家的讲座中使我们认识到，对于高等级公路靠上述办法得到的平整度不能持久，只有以科学手段，层层把关，才能保证表面有个相对持久的平整度，因为厚薄不匀的结构层，在相同的重复荷载次数下，将产生不同的折实量(压实变形)，此情在国内投入营运数年后的高速公路上已有出现。有的高速公路在通车初期平整度特好，而且曾向全社会作过宣传报导，但事隔不久，平整度逐渐下降，其主要原因乃是基层用平地机摊铺，沥青层的厚薄不匀，平整度的取得靠逐层找平和调整的结果。 　鉴于本工程的质量目标是争创国优，因此对反映路面使用品质与行车质量的重要指标之一的路面平整度，无论业主还是承包方，上下左右给予了高度重视。通过精心施工，终于达到了预期的目的。所作的努力是全方位的，首先排除不科学的老观念，即基层不平整靠面层调整，下层不平整靠上层补足。实践之后，我们对“要保证面层的平整度必须从基层做起”有了更深的体会。采取的确保措施：二灰碎石基层坚持用摊铺机铺筑；坚持配备足够生产能力的沥青混合料拌和楼，必须不间断地连续供料，以使摊铺机不断地摊铺，尽量减少工作缝的存在；摊铺机必须调整在最佳工作状态，以使整机的各个部件配合协调，不使铺层出现离析、拉沟或带埂等现象，尽量减少必须的人工补料或铲料的次数；对当晚碾压完毕的沥青层，次日上午必须用XLPY—E型路面平整度仪跟踪检测，一旦发现平整度超标时立即查找原因，决不为赶进度而放弃平整度。如C标查找原因后发现自制的“雪撬”有问题，于是在短时间内改制了三次，直到满足要求为止。　　过去习用的3m直尺，虽可在纵横两向控制，但只反映单点的情况，不能立即得出检测长度内的平整度标准差。　　采用了以上措施，成效很显著，实际沥青层的平整度情况分别是：　　下面层要求＜1.6～1.8mm；实际1.4～1.6mm　　中面层要求＜1.2～1.4mm；实际1.0～1.2mm　　上面层要求＜0.8～1.0mm；实际0.6～0.8mm(规范要求1.8mm)　　上述平整度经国家交通部公路工程检测中心复测，结果基本相同。　　路面优良的平整度将为行车提供优质的服务，特别对高速公路意义更大。此次我们在路面平整度上有了突破，这将对全国的高速公路建设，开创了一个新局面，根据国内现有的技术装备与水平，高标准的平整度完全可以实现。展望未来，平整度标准差值更小的公路路面或机场道面定会不断出现。参考文献1　中华人民共和国行业标准.公路工程沥青及沥青混合料试验规程.北京：人民交通出版社.1993.2　胡长顺、黄辉华.高等级公路路基路面施工技术.北京：人民交通出版社.1994.'