论大粒径沥青混合料配比设计抵抗车辙病害的重要性

赵晓玲

(山西尧通公路勘察设计院有限公司，山西 临汾 041000)

0 前 言

随着交通量的增加，道路日常使用具有多轴次、重轴载的特点，受多重外部因素的干扰，路面显现出不同形式、不同程度的病害。其中，车辙是较为常见的一类，其会威胁到车辆通行的平稳性，因此，需要以合理的方式提高路面的抗车辙性能。在现代道路工程建设中，大粒径密级配沥青混凝土是优质的材料，可用于下面层的填筑，兼具高温稳定性好、嵌锁能力强等多重优势，建成的路面抗车辙效果突出，可以为车辆通行提供安全保障，提高出行舒适性，延长路面使用寿命。

1 工程概况

某项目重点内容为路面大修，新建路面结构层，配套高效、高稳定性的排水设施，以提高道路通行安全为基本前提，实现“畅、安、舒、美”多层面的目标。项目全长132.345 km，起点位于山西省霍州市白龙镇，终点位于山西省侯马市，考虑到资金有限的既有工程条件，着重加强重载方向和轻载方向急弯陡坡段施工材料的配置，选用的是SBS改性沥青，除此之外的其他各段均用70#道路石油沥青施工。

2 路面底层沥青碎石混合料的配合比设计

在本路面建设中，力争打造嵌挤骨架-密实型结构，尽可能提高其在抗弯拉、抗剪方面的性能优势，较之于普通沥青混凝土，施工所用材料的粗集料粒径更大。以不增加成本为前提，通过改善材料级配，提升路面的抗车辙性能，确保其在使用中可有效抵御行车荷载等外部因素的作用，延缓车辙的发生、尽可能抑制车辙的发展。其中，大粒径沥青混合料的配合比设计为重点内容，合理做好此项工作对于提高沥青路面抗车辙病害的能力而言有重要的意义。

2.1 沥青混合料的相关技术标准

沥青混合料相关技术标准具体如表1～2所示。

沥青混合料相关技术标准

表1 马歇尔技术标准

表2 其他技术标准

2.2 目标配合比

2.2.1 原材料的选择

70#A级道路沥青、粗集料及细集料(源自于本地石料厂，可以缩短材料运输距离、减少成本)，施工所用各项原材料的质量指标均达到要求。

2.2.2 生产配合比设计

1)以目标配合比设计曲线为参照基准，尽可能使矿料级配贴近该曲线，不可产生锯齿形交错的现象，并且需要同时保证在0.3～0.6 mm内无“驼峰”现象。在各热料仓取样筛分，实现对配料比例的有效控制。

2)对于生产配合比的设计，联合采取室内试验和拌和机取样试验的方法，通过多种方式来确定最佳的沥青用量；从油石比的角度来看，在控制该项指标时，以设计配合比最佳油石比为参照基准，要求不超过该值的±0.2%。对于体积指标和高温稳定性的验证，用大马歇尔试件进行验证。

3 下面层沥青碎石混合料施工技术

为给下面层的施工提供正确的引导，提前选取具有代表性的路段，于该处组织试验。考虑到试验结果的可靠性、代表性要求，其长度需达到200 m，试拌ATB-25沥青碎石混合料并将其用于摊铺、压实，期间及时检查质量，采集数据，根据实际施工情况判断施工方式的可行性，针对不足之处做出调整，直至得到完善且可行的方案为止。

3.1 施工前的全面核准

严格控制沥青、集料等各类材料的用量。温度控制较为关键，分多个阶段考虑，其中集料、沥青的加热温度分别为165℃～175℃、155℃～165℃，出料温度160℃～170℃，出厂沥青混合料的温度不可低于该区间，但也不可过高，若在195℃以上，则不具备使用的价值，视为废料进行处理。

3.2 沥青混合料的拌和

合理控制拌和时间是保证沥青混合料均匀性的重要前提，其中干拌7 s、湿拌50 s。此外，拌和机的上料速度、拌和数量均要得到有效的控制。

3.3 沥青混合料的运输

以沥青混合料生产能力和现场摊铺用量需求为主要的出发点，选择合适运力的装载车，保证数量配置合理。全面清理自卸车的车厢，待该处保持洁净后，均匀喷涂防粘液。加强对每车沥青混合料的温度检测，并观察是否存在花白料、结团块的现象，确认无质量问题后，用帆布覆盖，开始运输。

3.4 沥青混合料的摊铺

摊铺采用的是ABG-525摊铺机，共配备2台，梯队联合作业，摊铺宽度不大于6～8 m，相邻两幅摊铺重叠量控制在10 cm，前后相距10～20 m。摊铺机前等待卸料的车辆不少于5辆，摊铺机以缓慢、匀速的状态运行，速度在2 m/min以内，且全程不可随意大幅变更速度以及急刹车。根据试验确定的摊铺方案施工，摊铺温度不低于150℃，摊铺系数为1.20。

3.5 沥青混合料的碾压

摊铺后随即安排碾压，分阶段有序进行。初压采用1台11 t的双钢轮压路机，做1遍碾压处理，温度140℃以上，速度2～3 km/h，碾压遍数2～3遍。随后及时安排复压，实施2台25 t胶轮压路机联合作业的方案，做2～3遍的碾压处理，在此基础上，安排2台13 t双钢轮压路机振动碾压2～3遍，此阶段的设备行进速度控制在2～3 km/h，温度以130℃以上为宜。最后进入终压环节，设备采用1台11 t双钢轮压路机，用该设备做1～2遍的静压处理，此环节速度可适当增加，以3～4 km/h为宜，终压后表面温度不低于90℃。

4 温度场有限元模型的建立

软件采用的是业内主流的ABAQUS软件。首先，确定温度边界条件，建立温度场计算模型，在此基础上，组织温度场数值分析工作；随后，建立力学计算模型(考虑的是静荷载作用)，将温度场导入荷载分析步，经计算后确定具体的应力值和应变值。在结构力学行为的计算中，采取的是温度和荷载耦合的方法，但若采用的是一维模型，则存在耦合的计算难度偏大的局限性，为此采取的是二维平面模型。模型建立环节，x方向为沿横截面方向，y方向沿深度方向向下，以T(x,y,t)的方式表示路面结构温度场函数。在具体的取值方面，x方向的重点考虑因素在于车道的宽度，此处取300 cm；对于y方向厚度，取100 cm，之所以做出此设定，主要考虑的是随着路面结构深度的增加，环境温度对其的影响有减弱的趋势，并且以路表以下8 cm处较为特殊，从该处起几乎不存在外界气温的影响。此时，温度场的计算思路得以转化，可以按平面应变问题加以解决。稳态热分析环节，结合现场的气象资料，设定一天内路表温度变化值，具体为-20℃、-10℃、0℃、10℃、15℃、20℃，温度对路面的影响有一条特定的路径，即以路表的对流边界和辐射边界两项条件发生传递，此时随着外界温度的改变，路面体受到相应的影响。

4.1 温度与荷载耦合应力计算有限元模型的建立

下面层厚度h值考虑为6、8、10、12、15 cm，首先确定的是24 h内各时刻的温度场，进而建立有限元结构模型，向分析步中导入温度场，经过求解后确定路面结构在应力和应变两方面的具体表现。对于荷载作用下的有限元模型，考虑的是双圆均布垂直荷载，标轴轴载BZZ-100，轮载P=25 kN，轮压p=0.7 MPa，半径d=0.106 5 m，标准轴载为100 kN，其作用在两个面上，因此在对其作用形式进行分析时，可以简化为平面问题，在此作用关系下，施加的荷载未达到100 kN，经转换后为117 371 Pa(遵循的是静力等效原则)。

4.2 温度与荷载耦合作用下的力学分析

依托ABAQUS软件计算，生成路面模型应力和变形云图。下面层材料考虑的是ATB-25混合料，厚度为6、8、10、12、15 cm，具体的应力及弯沉计算结果如图1所示。

(a)下面层层底应力

分析发现，下面层层底应力在不同厚度下的增加速率存在差异，其中8～10 cm时增加最快，而继续增加厚度后，速率有变慢的迹象。由此说明，若下面层层厚在10 cm以上，无论是下面层还是基层，各自的层底应力均呈现出减小的变化特征，由此进一步认为下面层的厚度以10～11 cm较为合适。

5 下面层厚度的合理设置

沥青路面厚度在18～30 cm时，其铺筑作业可以分为上、中、下三层有序完成，并且需要合理控制各层的厚度，以下面层厚度为例，该值需在9 cm以上。沥青混合料不易压实的因素较多，其中起到主导作用的是沥青混合料的压实厚度过小，由于无法得到有效的压实处理，难以全面保证路面的质量，导致其出现车辙、水损害等问题。为切实提高路面的性能，需要合理设计下面层的厚度，而此时的关键则是充分考虑沥青混合料路面厚度与骨料公称最大粒径的关系，试验发现，前者为后者的3倍时较为合适。

6 施工质量控制措施

6.1 机械设备的质量控制

正式摊铺前，根据施工要求配备机械设备，做全面的检维修，保证各类机械设备均有良好的工作性能，以免对摊铺作业造成影响。

6.2 碾压的控制措施

碾压作业实施的是分段施工的原则，分段长度以30～50 m为宜，精准确定各段的位置，在段与段间做好标记。钢轮压路机是碾压环节的重要设备，其配套的喷施装置可以自动控制喷水间隔时间(基于脉冲装置而实现)，将沥青混合料的温度控制在合理的区间内。

6.3 沥青混合料离析的预防措施

针对ATB-30密级配沥青混合料易离析的问题，采取如下措施予以预防。

1)在沥青混合料拌和阶段，筛选材料，剔除粒径超出合理范围的材料；对传感器进行标定，及时检测信息并反馈。拌和阶段，对每盘料做详细的检查，判断是否有离析现象，确保任何离析的混合料均不出厂。

2)沥青混合料装载完成后，对车厢的顶面和侧面采取保温措施，实现对温度的有效控制，避免温度异常下降，同时保证沥青混合料温度的一致性。运至现场后，安排卸料，此时仍需观察是否有离析现象，若有则不具备使用的价值。

3)加强对摊铺机铺筑宽度的控制，通常该值不大于6 m。

4)提升施工的规范性，有效操控受料斗翼板，避免其翻动过快，否则会影响供料的均匀性，也容易造成沥青混合料的离析。

5)配套高精度的料位传感器，根据其反馈的信息灵活采取控制措施。

6)注重连续性摊铺，非必要不中断，同时摊铺速度不宜过快。

7)根据螺旋送料器的结构特点，在其前侧设橡胶挡片，在其中间和两端设反向叶片，采取此类配套方法的作用在于避免沥青混合料在螺旋送料器内旋转时发生离析。

8)联合应用多种方法对沥青混合料进行检查，包含核子密度仪检测、红外温度检测器检测、铺砂法检测等，全面汇总各方法采集到的信息，对沥青混合料是否离析做系统性的判断，若有则安排返工，有效处理问题。

7 结 语

在公路沥青路面施工中，ATB-25沥青碎石混合料为关键的材料，其具有沥青用量少、粒径较大的特点，因而施工期间易发生离析。针对该问题，必须规范拌和、运输、摊铺、碾压各阶段的各项工作，以防离析。在本工程中，根据通车后车辙试验数据可以得知，建立的嵌挤骨架-密实型结构有较高的动稳定度，其在日常使用中的抗车辙性能表现良好，于车辆通行而言对其安全性提供了保障，于公路自身而言则耐久性得以提升，适宜作为公路路面结构。

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