1 常见的病害及产生的原因
1.1 永久变形 (车辙)
永久变形由不再在原先设计位置的横截面来表征。它代表由每一次加载所形成的小的不可恢复变形的累计, 因而被称为“永久”变形。轮迹车辙是永久变形最普遍的形式。
车辙的来源可能很多, 如水损害、磨耗、交通超载等, 但主要有两个原因。
一种情况, 作用于沥青层下的土基 (或垫层或基层) 的重复应力太多, 土基无法承受而引起车辙。虽然刚度较大的铺筑材料将部分减小这种类型的车辙, 但通常将其考虑为结构问题, 而不是材料问题, 本质上是路面强度或厚度不足, 不能将作用力减小到容许水平所致。也可能因水分的侵入使路面层变弱所引起。目前最为关注的车辙类型是沥青层中的变形。这类车辙是因沥青混合料抗剪强度不足, 不能抵抗重复重载的作用所致。这种车辙可能在沥青面层中形成, 或表现在表面的车辙可能因软弱的下承层沥青层引起。不稳定混合料的车辙一般都在夏季较高的路面温度下形成。以目前高速公路的路面设计型式来看, 发生车辙的原因大都为后者。
1.2 疲劳开裂
当作用荷栽超过沥青材料引起裂缝出现的界限时, 在沥青路面中便出现疲劳开裂。疲劳开裂的早期是在轮迹带上出现断续的纵向裂缝。疲劳开裂是逐渐发展的, 在某点初始裂缝会愈合, 并引起更多裂缝的产生。疲劳开裂的晚期就是龟裂, 随之形成坑洞。
疲劳开裂通常是由同时出现的多种因素造成的, 重荷载的重复作用、大的弯沉、排水不良、铺筑质量差、设计不安全等等。
1.3 低温开裂
低温开裂是不利的气候条件引起的, 表现为按一定间距出现的横向裂纹。
低温开裂因沥青面层在寒冷气候发生收缩而形成。路面收缩时, 在层中引起拉应力, 沿路面某点拉应力超过其抗拉强度, 则沥青层开裂。
沥青在低温开裂方面起到关键作用。硬沥青比软沥青更容易形成低温开裂, 沥青老化、路面空隙率过大都是导致低温开裂的原因。当车轮作用于路面时, 有两种主要的应力传至沥青混凝土:沥青层中的垂直压应力和沥青层底部的水平拉应力, 这是沥青混合料设计时必须充分考虑如何解决的问题。
2 合格的原材料是保证沥青路面内在质量的首要条件
通过常见病害型式的原因分析, 我们了解到原材料质量是是路面施工准备阶段及施工过程中的核心, 是沥青混凝土质量的保证。
2.1 沥青
沥青作为沥青混合料中唯一的胶结料, 其质量是沥青混凝土内在品质的重要保证。一般, 工地试验室只对沥青三大指标 (针入度、延度、软化点) 进行检测。
沥青薄膜加热试验也是反映沥青质量的重要指标, 其延度指标常常难以达到规范要求。薄膜加热 (163℃) 后延度的不足说明沥青在高温后出现老化现象, 而沥青混凝土必须在高温加热后施工。因此, 应对对薄膜加热试验进行抽检。
2.1.1 Super pave的沥青理论
Super pave (Superior Performing Asphalt Pavements高性能沥青路面) 是SHRP (美国公路战略研究项目) 沥青研究的成果, Super pave体系包括性能基础上的沥青材料特性与设计环境条件, 通过控制车辙、低温开裂和疲劳开裂来改善性能。
Super pave认为沥青有三个最为重要的特性:温度敏感性、粘弹性和老化。沥青在不同温度、不同加载速率和不同老化阶段的特性, 决定了它作为路面体系胶结料的行为能力。其沥青规范模拟沥青寿命期的三个重要阶段:用原样沥青进行的试验, 代表运输、储存的第一阶段;旋转薄膜烘箱老化的沥青反映在拌和、混合料运输、摊铺时的沥青老化;第三阶段用压力老化箱模拟沥青的长期老化。
Super pave的沥青规范取代了在固定温度进行试验而改变规定值的方法, 而采用规定值不变, 用于获得此规定值是试验温度变化的做法。提出了一个按照路用性能分级 (PG分级) 的沥青结合料规范, 直接采用设计使用温度表示适用范围。设计最高温度为7d最高平均路面温度, 设计最低温度为年极端最低温度。它采用三种样品: (1) 原样沥青; (2) 旋转薄膜加热后的残留沥青; (3) 旋转薄膜加热后又经PAV (压力老化箱) 老化的残留沥青, 评估各种路用性能指标, 包括高温抗永久变形、低温抗开裂、抗疲劳荷载能力、抗老化性能、施工安全性能等。目前交通部的沥青技术要求所提出的指标与Super pave的PG分级有很好的相关性。
2.2 集料
2.2.1 常见质量问题
沥青路面用集料规格比较统一, 分别以16mm、4.7 5 m m、2.3 6 m m为分割点进行生产。但受生产能力、轧石设备、料源材质及料场管理方面的影响, 造成粗细集料针片状、水锈石含量和粉尘含量等经常超标。
料源的材质是造成针片状含量与水锈石、方解石含量超标主要原因, 因经年地壳变化, 造成山体形成多个阶理层, 其中板岩是造成针片状的元凶, 它脆性较大, 一经挤压即成片状断裂形成针片状;产量过高也是造成针片状的原因之一, 厂家在供货紧张期靠提高产量以确保供货合同要求, 直接影响到集料质量;而山体中长期与土壤接触的岩石即变成了水锈石, 水锈石表面呈酸性, 与沥青的粘附性极差。
粉尘含量的多少主要取决于轧石机的除尘能力, 料厂二次污染也是影响粉尘含量的主要因素, 同时反复倒运集料也使粉尘含量增加。
级配波动较大也是常见的问题, 轧石机筛网的设置、筛网的磨损、产量的变化, 都会造成集料的级配波动, 给混合料整体级配控制加大了难度。特别是对于扩宽改建项目的路面施工, 因施工层次的反复变化对拌和产品稳定性的影响很大, 更应高度重视进场材料的级配波动。
2.2.2 解决方法
派人驻厂, 对面层集料进行源头管理。监督厂家必须在指定的塘口开采毛石, 同时加大毛石的分拣力度, 不得将板岩、水锈石、方解石及含有泥块的毛石放入轧石机。要求厂家对各类集料分仓堆放, 特别要求对成品料进行覆盖, 以减少二次污染的机率。
要求厂家更新轧石工艺。沥青面层石料厂家一般采用三级轧石工艺, 即一级鄂式、二级圆椎破、三级反击破, 出品的集料受原石材质的影响较大。为顺应市场需要, 部分厂家对原有设备进行了改良, 增加了第四级冲击破, 集料的针片状指标均能控制在10%以内, 同时优化了整体石料的形状 (立方形) 。
对集料进行到场验收制, 按照规定的频率对进场集料进行检测, 特别是针片状含量、粉尘含量、与沥青的粘附性等易超标的检测项目。
提前对加工筛网进行规定, 同时明确加工集料的单孔级配波动要求, 对超出范围的集料拒绝收验。
对进场集料进行定额管理, 定期核对进场材料总量与报验数量是否一致, 避免少检、漏检。
需要重复的是:我们应该像重视沥青质量一样重视占混合料总量90%以上的粗细集料质量。
2.3 填料
矿粉是成型混合料强度的保证, 由石灰岩石料加工而成, 应达到规定的级配标准, 并满足亲水系数、加热稳定性等条件。要重点提出的是, 用于SMA混合料的矿粉应提高0.075mm通过率 (建议大于90%) , 以满足整体级配需要, 并能够提高路面渗水合格率。
2.4 外加材料
(1) 抗剥离剂。添加抗剥落剂能改善和提高沥青混合料抗水损害能力, 但抗剥落剂 (液体或石灰、水泥添加剂) 对集料、沥青有选择性, 不能轻易得出某种抗剥落剂好或是不好的结论, 需要通过周密的试验设计来进行筛选。另外, 抗剥离剂的添加应配备相配套的强制式搅拌设备, 并作为重点控制工序。
(2) 路用纤维。纤维材料在SMA混合料中起到稳定、吸油、加筋和提高粘结力的作用, 同时对混合料的充分均匀拌和至关重要。此类材料必须严格按规定厂家采购并按频率检验。目前, 不同类型的纤维材料还广泛的用于中下面层施工中, 以提高混合料抗车辙能力。
(3) 抗剥离剂、纤维素均属于外委试验项目, 工地试验室无法自行进行试验, 但在施工过程中, 必须保持洁净、干燥, 应设专门的料库存放, 现场使用必须垒高台并加盖防雨蓬。
3 合理的配合比是保证沥青路面内在质量的必要条件
沥青面层最佳油石比的选定是保证沥青混凝土路面质量的重要一环。油量过高或过低都将影响沥青路面的使用寿命。与此同时, 良好的矿料合成级配也是配合比设计的重要内容, 不仅要满足规范要求, 同时要有利于正常施工的需要。这些都是沥青混凝土配合比设计过程中必须合理安排的问题。
3.1 目标配合比设计
集料级配组成设计:取足够数量的具有代表性的沥青及矿料进行各项指标的检测, 并对集料及填料进行级配筛分, 根据沥青混合料的类型所要求的级配范围选择矿料的配比。级配合成应注意0.075mm、2.36mm、4.75mm、公称粒径等筛孔的通过量, 合成级配曲线是一条圆滑的曲线, 切忌在设计曲线上有较多的拐点。
马歇尔试验:以估计沥青用量为中值, 按0.5%间隔变化, 取五个点不同的沥青用量, 用小型拌和机与矿料拌和, 进行马歇尔试验, 测定试件的密度。计算空隙率、沥青饱和度、矿料间隙率、稳定度、流值等物理力学指标。
最佳油石比的确定:根据马歇尔试验及计算结果, 分别绘出毛体积率密度、饱和度、稳定度、空隙率、流值与沥青用量的关系曲线, 根据公路等级、天气情况及经验等确定出最佳油石比。
根据最佳油石比制作马歇尔试件, 进行48h浸水试验, 得出残留稳定度值。
3.2 生产配合比设计
根据确定的冷料比, 所用的矿料经烘干加热进入热料仓进行二次筛分。对热料仓内矿料进行筛分及其他物理指标的检测, 根据各仓筛分结果, 结合目标配合比确定出的矿料级配曲线, 计算出各热仓料的配比。按所确定的集料级配和目标配合比确定的最佳油石比±0.3%进行马歇尔试验, 各项指标均应符合“指导意见”的要求。若某个指标不符合, 则补做增减油石比范围进行马歇尔试验。
在生产配合比阶段, 要注意的是拌和楼热料仓筛网尺寸的配置要与实际施工相匹配。热料仓设置要与冷料基本一致, 否则, 在实际施工中会由于集料离析等原因造成某个仓溢料或等料现象, 从而影响生产进度, 同时也造成一定的浪费。
3.3 生产配合比验证 (试拌)
通过生产配合比确定的热料仓配比及最佳油石比进行沥青混合料生产。在生产时, 一般前3盘料废弃, 取最后1～2盘料进行沥青含量、马歇尔及浸水马歇尔试验, 检测混合料各项指标是否满足施工技术规范及指导意见要求。在验证阶段, 要确定出冷料转速比与热料仓配比相对应, 同时确定出拌和数量、拌和速度、拌和温度等参数, 然后就可进入试铺阶段。
4 拌和过程控制
4.1 除尘
为保证沥青混凝土的施工质量, 沥青拌和站必须配备良好的除尘装置。间歇式沥青拌和站均配备一级 (旋风式) 与二级 (布袋式) 除尘装置。因集料废弃粉尘亲水系数指标远远小于规范要求, 虽级配能够满足矿粉的级配要求, 但其, 粉尘中含有泥土、杂质, 对成型混合料的强度、粘结力产生不可估量的不良影响, 所以拌和楼排出的废粉一律不得二次利用。
针对各类型沥青混凝土的级配要求, 新鲜矿粉添加量一般不小于混合料级配中0.075mm通过率要求的80%, 以保证拌和站按要求进行除尘。
4.2 拌和温度
拌和温度的控制对沥青混合料的内在质量及摊铺碾压至关重要。各类型混合料根据沥青的性质规定了不同的温度要求。温度过高, 沥青会因老化而失去胶结作用;温度过低会造成拌和不均匀, 摊铺碾压温度不足致使路面空隙率过大 (压实度不合格) 等现象。
4.3 拌和时间
拌和站拌和时间的设置主要取决于拌锅的搅拌能力及生产能力。
拌和时间分干拌时间 (集料称料及拌和) 与湿拌时间 (沥青、矿粉与集料拌和) , 以此称为一个循环。
最佳拌和时间根据试拌来确定, 以沥青完全裹覆集料且混合料色泽一致为宜, 一般一个循环需要约一分钟, 其中湿拌需要30s～40s。
施工过程应严格控制拌和时间, 禁止因赶抢进度擅自减少拌和时间, 避免因拌和时间不足造成花白料、粗细料离析等现象。
4.4 产量
间歇式沥青拌和站的实际产量不超过额定产量的80%, 长时间高产量生产, 会造成骨料过筛率严重降低, 混合料偏细, 粉尘含量超标, 空隙率变小等, 最终导致路面孔隙率过小。因此, 降低拌和站产量无疑是解决问题的最直接方法。
在矿粉添加量一定的情况下, 降低产量是提高除尘效果的最有效方法。正常施工时产量达到额定产量的60%最为理想, 最好不超过70%, 能保证混合料质量的稳定性。产量也不宜过低, 过低的产量会致使混合料的拌和温度失控。
实践证明, 在降低拌和站产量后, 混合料各项指标均满足设计要求, 虽然仍存在一定的波动, 但已在可控范围内。
5 结语
综上所述, 沥青混合料的控制必须从施工准备阶段开始, 并贯穿整个拌和过程, 因此我们提出:沥青材料的质量是保证沥青混合料整体质量的前提, 是质量成败的决定性因素。我们要像重视沥青质量一样重视占混合料总量90%以上的粗细集料质量。合理的配合比是保证沥青路面内在质量的必要条件。严格的拌和控制是混合料整体质量的有力保证。维持稳定的料源、规范的拌和是控制的难点, 也是必须严格掌控的重点。
沥青混合料产品的质量必须依靠严谨、科学的预控措施来保证, 只有具备优质的筑路材料、精良的拌和与摊铺机械、科学严谨的施工安排, 才能建设优良的沥青混凝土路面。
摘要：分析了沥青混凝土路面常见病害及病害产生的原因, 并从原材料、配合比和施工拌和控制等方面阐述了沥青混合料产品质量控制的重要环节与方法。提出合格的原材料、合理的配合比、严格的施工过程控制是沥青混合料内在质量的必要条件, 并列举部分常见问题的分析处理方法。
关键词：沥青混合料,原材料,配合比,拌和
参考文献
[1] 高性能沥青路面Super pave技术实用手册.江苏省交通科学研究院.