建筑与土木工程秦磊关于沥青碎石基层的设计与施工doc.docx
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建筑与土木工程秦磊关于沥青碎石基层的设计与施工doc
关于沥青碎石基层的设计施工
摘要：
本文介绍了邢威（邢台-威县）高速公路沥青碎石基层的设计与施工，并详细介绍了原材料的选择、配合比设计和马歇尔试验结果、试验检测以及路面施工工艺。
关键词：
沥青随时基层设计施工
随着国民经济的高速发展，交通量迅速增长，车辆大型化，严重超载等现象使沥青路面面临严峻的考验，许多高速公路建成后不久就不能适应交通的需要，早期破坏的情况时有发生，
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。
由此可见单一的半刚性基层沥青路面已不能适应形势的需要,特别是半刚性材料的收缩开裂不能得到有效的防治,急需要研究和发展柔性基层沥青路面，其次为缓解高速公路重载交通下的动水压力，我国开始应用推广以沥青碎石为代表的柔性基层。
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。
在沥青碎石基层可以增强路面排水能力，减少沥青层的温度收缩裂缝和防止反射裂缝的发生，改善路面使用性能，提高其使用寿命。
沥青稳定碎石具有普通沥青混合料的一般特性，又具有自身的一些特点，在进行永久性沥青路面结构设计时，沥青稳定碎石基层应具有抗永久变形、抗沥青层底疲劳及水稳定性要求。
目前规范关于沥青稳定碎石的配合比设计方法沿用原沥青路面设计方法，无法突出其在路面结构层次的功能要求。
因此，进行沥青稳定碎石研究具有重要的应用价值和实际意义。
1.0工程概况
项目名称：
邢威高速公路
项目性质：
新建
建设内容：
邢威高速公路是我省“四纵、四横、十条线”公路网主架的重要组成部分，是我省“十五”期间重点公路建设项目。
该项目西起石安高速邢台南和互通，经邢台县（高开区）、南和、平乡、广宗、威县等到山东界，全长106公里，总投资25亿元。
标准为全封闭、全立交、双向四车道，设计时速100公里/小时。
其中一期工程西起石安高速公路邢台南和互通，东至106国道，长65公里，投资15.5亿元；二期工程为106国道至山东界，长41公里，投资9.5亿元。
计划2005年底一、二期工程同时竣工通车。
建设资金：
25亿元
建设工期：
2003-2005年
邢威高速公路在K0+000—K15+600段，进行了柔性基层沥青路面铺筑试验，选用沥青碎石用作上基层材料。
沥青稳定碎石基层不同于我国传统使用的半刚性基层，属于柔性基层的范畴。
沥青稳定碎石基层材料具有较高的抗剪强度和优良的抗疲劳特性，能够有效抑制和减少沥青路面反射裂缝的产生，有着良好的经济效益和路用性能。
沥青稳定基层在国外得到广泛的应用，但在国内很少使用，相关的研究才刚刚起步。
本文在参考国内外相关研究成果的基础上，提出了几种沥青稳定碎石基层混合料的级配，并采用以力学指标法为主、马歇尔试验方法为辅的混合料配合比设计方法综合确定混合料最佳油石比。
沥青碎石基层即沥青稳定碎石类沥青混合料，其设计的基本的思路是保证沥青混合料中具有足够的粗集料，使之具有很好的高温、力学性能，按其设计的空隙率大小可以分为3种：
开式（排水式基层，设计空隙率在15%以上）、半开式（设计空隙率在8%~15%之间）、密实式（设计空隙率在3%~8%之间），由于本项目作为高速公路基层，因此采用密实式的沥青混合料。
考虑邢威高速的交通特征、施工技术和课题研究的实际需要，采用ATB—40和ATB—30两种密级配混合料，五种方案，具体如下：
2.0室内试验
2.1成型方法
室内试验采用美国工程兵旋转压实剪切实验机（GTM）进行目标配合比、生产配合比设计，确定控制指标；采用马歇尔试验进行常规设计，建立比对关系，进行日常检测和控制。
2.2级配设计
在组成沥青混合料的原材料选定后，沥青混合料的技术性质在很大程度上取决于集料间的级配组成，沥青混合料由于集料的级配不同，可以形成不同的组成结构。
邢威高速公路沥青碎石基层级配参照规范，选用骨架密实型沥青碎石混合料，采用ATB-30,ATB-40两种级配形式。
密级配沥青碎石矿料级配通过率范围（％）
层次
下面层
类型
方筛孔尺寸（mm）
ATB-30规范
ATB-30实际
ATB-40规范
ATB-40实际
53
100
100
37.5
100
100
90~100
99.6
31.5
90~100
90.1
75~92
89.8
26.5
70~90
75.6
65~85
76.4
19.0
53~72
59.8
49~71
61.6
16
44~66
55
43~63
56.6
13.2
39~60
49.8
37~57
50.4
9.5
31~51
40.6
30~50
40.6
4.75
20~40
29.6
20~40
31.4
2.36
15~32
21.7
15~32
23.5
1.18
10~25
17.4
10~25
18.7
0.6
8~18
11.7
8~18
12.6
0.3
5~14
8.8
5~14
7.0
0.15
3~10
6.4
3~10
6.7
0.075
2~6
3.2
2~6
3.4
2.3原材料性能
原材料质量是影响路面质量、使用寿命的重要因素。
优质的原材料是保证沥青混合料具有优良路用性能的先决条件，为了满足气候环境与交通对路用性能的要求，必须做好原材料的选择。
通过测试沥青、石灰岩粗集料、细集料和矿粉等材料的性能和技术指标来检测材料是否满足规范要求，从而完成原材料的选择。
2.3.1沥青
拌制沥青混合料所用的沥青材料其技术要求随气候条件、交通情况、沥青混合料的类型和施工条件等因素而异，邢威高速公路基层沥青混合料采用山东滨洲产MAC-70#改性沥青，其技术指标满足JTGF40-2004《公路沥青路面施工技术规范》
2.3.2集料
集料是沥青混合料的关键材料之一，其力学性能是决定混合料强度特性的最重要因素，它的颗粒形状不仅影响混合料的构架，也直接关系到混合料的抗车辙能力与抗疲劳性能等材料特性，此外，集料与沥青的粘附等级对混合料强度的形成也起关键作用，因此选择优质的集料是沥青混合料具有优良路用性能的重要保证。
本项目采用邢台太子井正大石料场，经初步破碎至50~100㎝拳石，运至存料场进行二次加工破碎，其几何形状和含泥量指标都优于《规范》要求的标准。
2.3.3矿粉
沥青混合料的填料宜采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等石料经磨细得到的矿粉,本项目采用10~20㎝的碎石定点加工而成。
2.4最佳沥青用量
2.4.1GTM试验
GTM实验机通过旋转压实试件，使其密度达到汽车轮胎实际作用于路面时所产生的最终密度，即通过对试件施加垂直压力，该压力通过实际测试汽车轮胎对路面的实际压强确定，试件在该压力作用下，被旋转压实到平衡状态（所谓平衡状态，是指每旋转100次试件密度变化率为0.016g/cm3）来决定沥青混凝土路面的设计密度及最佳沥青用量。
GTM确定最佳沥青用量有三个指标。
（1）应变比（GSI）：
是指沥青混合料在压实到平衡状态时是否会出现塑性变形。
（最终应变和最小应变之比小于1.05）。
（2）抗剪安全系数（GSF）：
是指沥青混凝土被压实到平衡状态时的抗剪强度是否达到在行车荷载任用下需承受的剪应力。
抗剪强度/剪应力，要求大于1.0。
（3）试件压实到平衡状态的密度。
利用GTM试验，得到的试验结果为：
ATB-30：
最佳油石比3.2%，标准密度为2.467g/㎝3
ATB-40：
最佳油石比3.1%，标准密度为2.475g/㎝3
2.4.2马歇尔试验
沥青碎石ATB-30马歇尔试验结果如下：
沥青用量（%）
油石比
（%）
表观密度（g/㎝3）
空隙率
VV（%）
矿料间隙率VMA（%）
沥青饱和度VFA（%）
稳定度MS（KN）
流值FL（0.1㎜）
2.82
2.9
2.458
4.5
11.3
60.5
20.92
19.2
3.70
3.2
2.467
4.4
11.2
67.3
22.85
23.1
3.88
3.5
2.462
3.5
11.7
70.3
19.44
36.5
根据沥青选定图，沥青用量选用3.1%，油石比为3.20%，表观密度为2.467g/㎝3。
沥青碎石ATB-40马歇尔试验结果如下：
沥青用量（%）
油石比（%）
表观密度（g/㎝3）
空隙率VV（%）
矿料间隙率VMA（%）
沥青饱和度VFA（%）
稳定度MS（KN）
流值FL（0.1㎜）
2.82
2.9
2.455
4.0
10.9
63.8
32.2
26.8
3.1
3.2
2.466
3.3
11.0
70.2
32.0
23.5
3.38
3.5
2.464
2.9
11.3
74.1
25.6
25
根据沥青选定图，沥青用量选用3.0%，油石比为3.1%，表观密度为2.462g/㎝3。
2.4.3对比关系：
ATB-30：
GTM试验与马歇尔试验的密度比为：
2.467/2.467=1.0
ATB-40：
GTM试验与马歇尔试验的密度比为：
2.475/2.462=1.005
2.5混合料性能检测
2.5.1水稳定性检测：
浸水马歇尔试验
类型
标准马歇尔稳定度（KN）
浸水马歇尔稳定度（KN）
浸水残留稳定度（%）
ATB-40
27.57
26.78
97.1
ATB-30
22.76
21.87
96.1
冻融劈裂试验：
冻融劈裂残留强度比为：
85%
2.5.2高温性能
采用60℃车辙试验检测混合料的高温稳定性
类型
动稳定度（次/mm）
1
2
3
平均
ATB-30
8710.576
8230.495
7724.592
8221.89
ATB-40
8775.104
10604.886
10027.960
9802.65
3.0施工工艺
3.1人员、机械准备
3.1.1、人员机构图
领工员
试验
场拌
机务
测量
质检
施工
3.1.2、投入的施工机械、试验、检测仪器设备
（1）主要施工设备列表如下，各种设备经调试运转正常。
设备名称、规格
数量（台）
设备名称、规格
数量（台）
ICP4000型拌合站
1
BW202AHD-2振动压路机13T
3
50B装载机
4
胶轮压路机25T
1
ABG423摊铺机
2
沥青洒布车EA6000
1
BW202AD-2振动压路机11T
1
20T自卸车
15
洒水车
1
（2）主要路面检验仪器及试验仪器
a.路面检验仪器:
名称
数量
名称
数量
全站仪
1台
6m直尺
2把
水准仪
2台
数显式温度计
3个
钻芯机
1套
玻璃温度计
30根
平整度仪
1台
b.试验仪器：
名称
数量
名称
数量
回流式沥青抽提仪
1台
标准筛
1套
低温延度仪
1台
烘箱
2台
针入度仪
1台
稳定度测定仪
1台
软化点仪
1台
砂当量仪
1台
大马歇尔击实仪
1台
沥青拌合锅
1台
3.2ATB-30柔性基层试验段目的
验证施工组织的合理性，检验各机械之间的运转匹配情况，试验所用的材料和机具与将来全线施工所用的材料和机具相同，通过试验段的施工拟达到以下目的：
3.2.1、验证沥青混合料生产配比，并确定最终施工配合比及标准级配曲线
3.2.2、确定施工松铺系数
3.2.3、确定标准合适的施工方法：
a、确定合理的施工机械、机械数量及组合方式。
b、混合料摊铺方法和适用机具；拌和站的稳定性，确定拌和机的上料速度、拌和数量与时间、拌和温度等操作工艺；以及运输、摊铺和碾压的协调配合。
c、确定摊铺温度、速度，压实机械的选择和组合，压实温度、顺序、速度和遍数。
d、挂线施工控制、平整度的检测控制、密实度的检测控制。
3.4、及时将施工方法、数据进行总结，使施工水平达到逐步提高的目的。
3.5、确定施工组织及管理体系、人员、通讯联络及指挥方式。
3.6、确定每一作业段的合适长度。
3.3准备工作
按照设计文件及实际施工条件，各种原材料配备及供给，保障体系、规章制度等均已就绪到位。
试验段拟定在kx+xx—kx+xx段右幅，长xx米、宽11.65米。
3.3.1、原材料准备工作及相应技术指标
⑴已进场原材料的数量、产地
名称
数量（T）
产地
机制砂
碎石
生石灰粉
MAC-70#改性沥青
SK-70沥青
⑵材料质量
ATB-30柔性基层所需集料来源于xx公司，碎石均采用反击式破碎机加工，并经过充分水洗，料源经我部、监理处、总监处共同取样试验考察合格，并经监理处批准后开始进料。
所进粗集料颗粒性状良好，细集料棱角性均大于42%，细长及扁平颗粒小于15%，集料压碎值均小于28%，细集料砂当量值均大于65%，进料过程中严格按规范要求频率检验，各项检测指标符合规范及设计要求。
下封层所需SK-70沥青及ATB-30柔性基层所需MAC-70#改性沥青，料源经我部、监理处、总监处共同取样试验考察合格，进料过程中严格执行《国家重点公路xx高速公路工程招标文件（专用本）》检验要求，每车均进行针入度、延度、软化点检验，经检验各项指标均符合规范及设计要求。
3.3.2、拌和站准备
（1）MAC-70改性沥青储存罐设置
拌和场内储存MAC-70号改性沥青使用的是卧式罐，罐的上部安装搅拌器（见下图）搅拌器每3-4小时搅拌一次，每次搅拌20分钟。
热拌场应保证搅拌器的用电，每台搅拌器电机的功率为3千瓦，不允许连续不停的搅拌，连续搅拌会引起罐内沥青失去热量。
当一天的施工任务完成后，应尽量用完沥青罐中的沥青，或者给沥青罐加满沥青，或把剩余的少量沥青抽到其他储存罐内，以减少沥青（与空气接触的）表面积，从而防止沥青的老化。
不允许使用铝制罐储存MAC-70号改性沥青。
沥青罐应清洁和不含残留物质，沥青罐中的残留杂质会影响产品质量。
结合工地的实际情况，一般晚上不使用沥青，可以在下班前保持185℃以上，第二天上班时一般不会低于170℃。
可通过实践进行测试，若达不到上述要求，应采取相应的措施给予保证。
第二天上班以前，应事先对储存罐内的MAC-70号改性沥青进行搅拌，搅拌时间控制在30分钟内，搅拌的同时，应对MAC-70号改性沥青进行加温，使MAC-70号改性沥青温度达到180℃以上，才可泵入搅拌机内使用。
（2）成品储料仓
拌合站成品储料仓储量120T，保温性能良好并已配备加热装置。
贮存过程中混合料温降不得大于10℃，且不能有沥青滴漏。
柔性基层采用MAC-70#改性沥青作为胶结料，拌和过程中混合料的贮存时间不得超过24h。
3.3.3、技术准备
（1）拌和站标定
所用拌和站经交通部公路工程检测仪器计量检定站xx工作站鉴定合格。
（2）经监理处、总监处批准ATB-30柔性基层目标配合比为：
20-30碎石：
10-20碎石：
5-10碎石：
0-3机制砂：
生石灰粉=48：
27：
16：
8：
1
最佳沥青用量：
3.8%
密度：
2.46g/cm3
空隙率：
4%
沥青膜厚度：
20.7um
矿料间隙率：
11.2%
（3）拌和站的调试及生产配合比的设计:
拌合站的调试、生产配合比的设计已由xx指导调试设计完毕：
1根据目标配合比的矿料比例调整冷料仓进料速度，并对拌和站热料仓取样筛
分后，调整热料仓比例为:
原材料
1#仓（0-3）
2#仓（3-5）
3#仓
（5-12）
4#仓
（12-38）
生石灰粉
百分比
10
6
18
65
1
②以最佳沥青用量上下浮动0.3%的三个沥青用量从拌和机试拌，并分别取样，制作马歇尔试件，进行马歇尔试验，对各技术指标对比分析后确定生产配合比的沥青用量为3.2%。
3.3.4、测量放样
根据业主移交的导线点、水准点及设计图纸所提供的坐标及水准高程，经我部复测检验后，所测结果满足施工及规范要求，并已上报监理工程师复核批准。
中桩放样方法：
将全站仪置于一控制点作为侧站点，用极坐标法进行，按测量要求放样中桩；放样完毕后将全站仪置于另一控制点进行复核，以求放样准确无误。
3.3.5、下封层施工
水稳碎石上基层已验收，且各项指标均符合规范要求。
下封层施工前，对下承层表面人工进行清扫，采用森林灭火器进行除尘或水进行冲洗干净，水车冲洗段落必须待表面晾干后再进行下封层施工。
下封层用单层沥青表处作为封层与密水层，使用道路石油沥青SK-70号热沥青作为粘结料，采用智能型沥青撒布机和专用的碎石撒布车进行施工。
沥青用量为1.2-1.4Kg/m2，跟进撒布5-10mm沥青用量为0.4%的预拌碎石，碎石撒布量控制在6-8m3/1000m2（经试撒后确定），撒布时碎石撒布车倒退行驶，防止车辆碾压没有撒布碎石的封层而破坏封层，撒布完毕后用胶轮压路机进行碾压。
下封层施工完成后及时报检，经检测验收合格后对洒好封层的段落在施工柔性基层前封闭交通，保证封层的完整性。
相邻段落注意洒水湿润，避免行车扬尘污染下封层表面。
3.3.6、施工挂线及模板支立
按照设计资料进行中桩恢复放样，设置摊铺机引导桩，直线段每10米设一桩，曲线段每5米设一桩，并在两侧边缘设指示桩，有专人严格控制引导桩标高。
按设计宽度拉线支设模板，模板采用3-6米/根的12cm槽钢支设，每3米一根钢钎进行支挡，加固槽钢钢钎采用不小于Φ20的圆钢制作，设专人检查模板支设情况并及时加固（摊铺后）松动的模板。
3.4ATB-30柔性基层试验路施工工艺及质量控制
3.4.1、混合料拌和
施工现场各项工作准备完毕、拌和设备试运转正常，拌料前试验室向拌和站下发由试验室及监理工程师共同签字认可的施工配比单，拌和站接到配比单后方可进行拌料，逐盘打印，并保证严格按照配比拌料，确保出料质量，尤其注意不准使用回收粉。
开机拌料时为保证混合料的拌合温度控制在175-185℃之间，前两锅拌合料集料的温度一般不稳定予以废弃，待拌合料温度正常后进行运输生产。
拟定拌和机产量240/小时。
MAC-70号改性沥青采用导热油加热，加热温度在175-185℃之间，集料加热温度（比沥青温度高10-20）为185-195℃。
混合料拌和必须使所有颗粒全部覆裹沥青结合料，并已沥青混合料拌合均匀为度。
拌和的混合料应均匀一致、无花白料，无结团成块或严重粗集料分离现象，不符合要求时不能使用，并应及时调整。
ATB-30最大粒径比较大、粗集料多，而且沥青用量少，为此必须延长拌和时间，一般至少45s以提高混合料的均匀性。
拌和生产时有专人巡视检查机组运转情况，如有异常立即停机检查，并予以纠正，禁止不合格料运到现场。
3.4.2、运输（原则：
确保温度、减少路面污染、严格碰撞摊铺机）
运输车辆的数量可根据以下公式计算：
N=M/Q*（1/6+2S/V）+C
式中：
N——载重汽车数量
M——控制摊铺机速度的混合料用量（m3/h）
Q——载重车额定方量（m3/辆）
S——运距（km）
V——行车平均速度（km/h）
C——车辆富余量，一般为5台
摊铺机拟定摊铺速度1.2m/分钟，两台摊铺机的混合料用量M=11.65*1.2*0.12*60=100.656m3/h,自卸载重车额定方量Q=10m3/辆，试验段距拌和站综合运距S=3Km，行车速度30Km/h计算，因两台摊铺机并行作业富余车辆按6辆考虑，计算得所需运输车辆N=10，拌和站拟定产量240吨/小时（折合110.6m3/h），我部拥有15辆自卸车，满足运输及摊铺要求。
组织专业运输队采用性能良好的车辆，采用干净有金属底板的载重自卸车15辆运送。
沥青混合料运输车的底板和侧板上抹一层油隔离剂，运输车在装料过程中要前后移动以避免粗、细料离析，为了防止尘埃污染和热量过分损失，运输车辆配备篷布覆盖，车槽四角密封坚固（尤其后挡板必须关闭严密，避免漏料）。
运输车辆出厂前按排专人检查覆盖情况，覆盖好后方可出场，沥青运输车在透层上行驶时应匀速、慢速，期间严禁转弯、调头、急刹车。
沥青料运到现场后，现场收料员凭出料单收料，按排专人揭去篷布，并检查混合料质量，混合料应无花白料，无结团成块或严重的粗料分离现象，温度必须在175-185℃之间，合格后方可允许卸料。
揭开时间满足摊铺要求即可，不得过早揭开。
混合料运输注意事项：
（1）从拌和机储料仓向运料车上放料时，每卸一斗混合料运输车要挪动一下位置，分前、后、中三次放料，形成“山”字形，以减少粗细集料的离析现象；尽量缩小贮料仓下落的落距。
装料顺序见下示意图：
（2）混合料出场前后应检查混合料温度，填入出料单，并用篷布覆盖保温。
（3）连续摊铺过程中，运料车在摊铺机前10－30cm处停住，不得撞击摊铺机；卸料过程中运料车挂空档靠摊铺机推动前进。
（4）加强对驾驶人员的安全教育，使其熟记各注意事项，尤其是行车速度及拌合料卸料的控制。
在每天开工前，要检查车辆完好情况，装料前适当涂抹油隔离剂，运料完毕将车厢清理干净。
3.4.3、摊铺
将两台摊铺机分别组装成6.0M（摊内侧）和5.75M（摊边部外侧）,梯队联合摊铺，两台摊铺机前后距离控制在10-20m以内，前一台（5.75M）根据路肩侧钢丝线与临时设置的标高控制尺控制标高、厚度及平整度，后一台（6.0M）根据中部钢丝线和前台摊铺面走滑靴控制标高、厚度及平整度；前后摊铺机摊铺面采用热接缝。
摊铺作业施工时注意根据拌和站的生产能力适当调整摊铺速度，并保证摊铺厚度、振动频率一致，熨平板在摊铺前预先加热至100℃以上，防止离析、拖痕从而保证摊铺稳定性及路面平整度。
摊铺机行走的钢丝每根长度150m，拉力不小于800N，且需在两端用紧线器同时拉紧，避免因钢丝不紧而产生挠度。
支撑桩间距直线段不大于10m，曲线段不大于5米，如两挂线桩中间钢丝线下垂，应加大拉力或加设支撑桩，确保施工纵坡良好，支撑桩安排专人看护，避免施工中碰歪支撑桩影响摊铺质量。
摊铺混合料时，摊铺机就位先检查钢丝线的高程，松铺系数暂定1.2，根据压实厚度和松铺系数确定松铺厚度，放置相应厚度的垫板，安放熨平板就位，调整摊铺机纵坡传感器到规定值，施工时设专人监护传感器，并根据摊铺情况及时进行调整。
摊铺机必须调整到最佳工作状态，注意调整好螺旋布料器两端的自动料位器，并使料门开度、链板
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