CN115262323A - 一种超大粒径沥青混合料的施工工艺及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于路面施工领域，具体涉及一种超大粒径沥青混合料的施工工艺。本发明针对公称最大粒径为37～53mm的集料，特别优化了粗集料级配，控制31.5mm筛孔的累计通过率为80～100％，并创造性地提出采用级配拆分与分层摊铺的方式，通过将粗集料级配拆分为A部分与B部分，并经过大量的试验确定A部分包括细料a1与粗料a2，细料a1为粒径在≤9.5mm且≥ATB‑30规范级配上限范围内的集料，粗料a2为粒径在31.5mm～63mm范围内的集料和二分之一的粒径在9.5～31.5mm范围内的集料；B部分为剩余的二分之一的粒径在9.5～31.5mm范围内的集料，最终成功克服了超大粒径沥青混合料在拌和混合料与摊铺过程中容易产生离析现象，且难以压实或结构布料不均、产生较大空隙，为路面结构早期破坏埋下隐患的技术难题。

Description

一种超大粒径沥青混合料的施工工艺及其应用
技术领域
本发明属于路面结构施工领域，具体涉及一种超大粒径沥青混合料的施工工艺。
背景技术
通常所说已应用过的大粒径混合料是最大公称粒径在26.5～31.5mm的混合料，包括沥青混合料与水泥稳定类混合料。而在国外通常是指公称最大粒径为25～63mm的热拌沥青混合料，而早在1903年美国有公司申请过公称最大粒径为76mm的沥青混合料专利。增大骨料的最大公称粒径不仅可以提高骨架抵抗变形的性能、耐久性等，相比于常用的最大公称粒径在较小的混合料更为经济，更大的骨料使得集料整体的比表面积更小，所需沥青与水泥用量均较小。
大粒径混合料有着诸多优良的路用性能，但是实际应用较少。即使室内试验研究出可供施工使用的级配，仍未推广使用，究其原因是受限于施工工艺。依据常规混合料的传统施工工艺，在拌和混合料与摊铺过程中会出现粗细骨料的分离，即产生离析现象。即使采取措施在摊铺机出料口增设挡板防止离析，在螺旋布料机的工作之下，摊铺机两侧的混合料依然会粗细骨料分离，并且难以压实或结构布料不均、产生较大空隙，为路面结构早期破坏埋下隐患。
鉴于此，为了使具有良好路用性能的大粒径混合料能在生产实践中应用，提出能适用于大粒径混合料施工、依靠传统机械设备的工艺是有必要的。
发明内容
技术问题：
提出一种具有良好路用性能的超大粒径沥青混合料的施工工艺，以克服超大粒径沥青混合料在拌和混合料与摊铺过程中容易产生离析现象，且难以压实或结构布料不均、产生较大空隙，为路面结构早期破坏埋下隐患的技术难题。
技术方案：
本发明的第一目的在于提供一种超大粒径沥青混合料的施工工艺，所述超大粒径沥青混合料的粗集料采用公称最大粒径为37～53mm的矿料和/或再生混凝土集料，包括如下步骤：
(1)确定粗集料级配：31.5mm筛孔的累计通过率为80～100％；
(2)马歇尔试验确定体积参数；
(3)级配拆分与拌和：将粗集料级配拆分为A部分与B部分；其中，A部分包括细料a1与粗料a2，细料a1为粒径在≤9.5mm且≥ATB-30规范级配上限范围内的集料，粗料a2为粒径在31.5mm～63mm范围内的集料和二分之一的粒径在9.5～31.5mm范围内的集料；B部分为剩余的二分之一的粒径在9.5～31.5mm范围内的集料；级配拆分后，将A部分和B部分分别与沥青拌和，得到A部分混合料和B部分混合料；
(4)分层摊铺：首先，摊铺A部分混合料，静压；然后，立刻在A部分混合料上摊铺B部分混合料，静压，碾压直至无明显轮迹印即可。
为了满足耐久抗裂的要求，作为本发明的一种优选实施方式，在步骤(1)确定粗集料级配中，0.075mm筛孔的累计通过率为6～9％，2.36mm筛孔的累计通过率为24～28％，4.75mm筛孔的累计通过率为30～35％，19mm筛孔的累计通过率为52～62％。
作为本发明的一种优选实施方式，步骤(1)确定粗集料级配采用骨架密实级配或悬浮密实级配。
作为本发明的一种优选实施方式，所述矿料为石灰岩和/或玄武岩。
作为本发明的一种优选实施方式，所述矿料的压碎值不大于18％，磨耗值不大于19％，对沥青的粘附性至少为5级。
为了使骨料间更好地形成嵌挤骨架、防止离析，作为本发明的一种优选实施方式，粗集料中粒径＞31.5mm的矿料针片状颗粒含量小于3％、吸水率小于1％；粒径≤31.5mm的矿料针片状颗粒含量小于5％、吸水率小于2％。
作为本发明的一种优选实施方式，所述粗集料采用再生混凝土集料或铣刨料，粒径范围为4.75～26.5mm。
作为本发明的一种优选实施方式，步骤(3)中沥青为70号道路石油沥青。优选地，所述沥青包括但不限于新制沥青和/或经再生后的抽提沥青。
为了满足混合料拌和的要求，作为本发明的一种优选实施方式，所述沥青在旋转薄膜烘箱190℃环境下老化1小时后满足以下指标：
采用新制沥青：25℃针入度为6.7～7.3mm，10℃延度不小于35cm，软化点不低于48℃，135℃动力粘度不超过0.5Pa·s；
采用经再生后的抽提沥青：25℃针入度应为6.2～7.0mm，10℃延度不小于30cm，软化点为48～62℃，135℃动力粘度不超过1.6Pa·s。
作为本发明的一种优选实施方式，在步骤(3)拌和中，为了充分与大料结合，沥青加热温度为170～180℃，集料加热温度为175～180℃，出厂温度不得低于165℃。
为了避免尺寸效应对填充造成影响，作为本发明的一种优选实施方式，步骤(1)确定粗集料级配中，填充容器采用圆柱形刚性容器，圆柱形刚性容器的直径不小于集料公称最大粒径的6倍，填充高度不小于集料公称最大粒径的5倍，将填充的集料连同容器置于混凝土振动台上，每振动30s，人工(如采用刚性圆棍)进行插捣，以确保细料填充密实，累计振动时间不少于600s，以孔隙率最小的比例确定为最终级配。
作为本发明的一种优选实施方式，步骤(2)马歇尔试验确定体积参数：将确定的粗集料级配进行马歇尔试验确定沥青用量，根据马歇尔标准尺寸推算，试件直径为集料公称最大粒径的4～5倍，试件高度为试件直径的0.635倍。
作为本发明的一种优选实施方式，步骤(2)马歇尔试验确定体积参数中油石比为3.0～4.0％。
作为本发明的一种优选实施方式，步骤(2)马歇尔试验确定体积参数中：室内试验试件制作时，受限于拌和锅的拌和量与沥青用量的限制，首先将＞31.5mm的集料单独与沥青拌和，沥青量以覆盖表面不滴落为准；操作人员应有意识地将＞31.5mm的集料置于试件中层，并将细料散落在间隙周围，保证不出现空洞、不密实的部位，并采用刚性圆棍(如直径为12mm的钢筋)进行插捣密实；通过体积参数测试控制孔隙率在4～6％，饱和度在50～65％，矿料间隙率不小于12％；若无法满足体积参数，则通过调整关键筛孔通过率控制体积参数。
作为本发明的一种优选实施方式，步骤(4)分层摊铺具体为：
①摊铺A部分混合料，采用12t钢轮压路机静压2遍；
②静压完毕后，立刻在A部分混合料上摊铺B部分混合料，此时初压采用钢轮压路机静压2遍，振动压路机轻振碾压2遍，复压采用25t胶轮压路机碾压3遍，终压采用双钢轮压路机碾压3遍，直至无明显轮迹印得到超大粒径沥青柔性基层；所述超大粒径沥青柔性基层的总厚度为集料公称最大粒径的4～4.5倍，其中A部分混合料不少于集料公称最大粒径的2.5倍，B部混合料不少于集料公称最大粒径的1.5倍；所述超大粒径沥青柔性基层的压实度不低于96％。
作为本发明的一种优选实施方式，步骤(4)分层摊铺中，当低温以及温度散失较快的场景(例如气温低于5℃，或气温低于8℃且风力大于5级)下，宜在上述压实遍数基础上再增加1～2遍。
本发明的第二目的在于提供前述的施工工艺制得的超大粒径沥青柔性基层。
本发明的第三目的在于提供前述的施工工艺在路基施工中的应用。
有益效果：
(1)本发明针对公称最大粒径为37～53mm的集料，特别优化了粗集料级配，控制31.5mm筛孔的累计通过率为80～100％，并创造性地提出采用级配拆分与分层摊铺的方式，通过将粗集料级配拆分为A部分与B部分，并经过大量的试验确定A部分包括细料a1与粗料a2，细料a1为粒径在≤9.5mm且≥ATB-30规范级配上限范围内的集料，粗料a2为粒径在31.5mm～63mm范围内的集料和二分之一的粒径在9.5～31.5mm范围内的集料；B部分为剩余的二分之一的粒径在9.5～31.5mm范围内的集料，最终成功克服了超大粒径沥青混合料在拌和混合料与摊铺过程中容易产生离析现象，且难以压实或结构布料不均、产生较大空隙，为路面结构早期破坏埋下隐患的技术难题。制得的超大粒径沥青柔性基层不产生离析，压实度不低于96％，拥有更优的路用性能(低温性能、水稳性能、疲劳性能显著提升)。
(2)本发明提供了一种灵活便捷、维修方便、工艺简单且利于路面排水的沥青混合料路平石与配套施工工艺。本发明的施工工艺依靠传统机械设备即可实现，对超大粒径基层的工艺推广具有重要意义。
附图说明
图1是本发明摊铺而成的超大粒径沥青混合料的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例及对比例中涉及的测试方法的说明如下：
压实度：以现场取芯的芯样密度与马歇尔试验下最佳油石比对应的毛体积密度的比值确定。
路用性能：
高温性能(动稳定度)：沥青混合料试验规范中对于沥青混合料高温性能的研究方法推荐采用长×宽为300mm×300mm、厚度50～100mm尺寸的车辙板试件进行动稳定度评价。对于大粒径沥青混合料，根据3倍原则，厚度采用160m，适用的最大公称粒径为63mm。除试件尺寸外，测试方法同《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTG E20-2011(T0709-2011)T0719沥青混合料车辙试验。
低温性能(SCB强度)：采用SCB低温半圆弯曲试验评价低温性能，SCB试件采用车辙试件进行切割，尺寸采用直径为220mm，厚度为65mm的半圆试件，支座跨径为176mm，试验温度为-15℃，加载速率均为50mm/min。对每个半圆试件进行预切缝，在半圆试件底部中心位置切出1条垂直切缝，切缝宽度为2mm，切缝深度为25mm。其他测试与SCB强度计算方法同文献(刘宇.基于半圆弯曲试验的沥青混合料动态响应及断裂性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.)
水稳性能(SCB残留强度)：将SCB试件置于60℃恒温水槽中浸泡2小时，再按本发明低温测试方法进行SCB强度测试，SCB残留强度以浸水后的测试值与低温性能试验值表征。
疲劳性能(等效疲劳寿命)：疲劳性能采用三点小梁重复疲劳试验评价，采用MTS810万能材料试验仪器，试验荷载加载频率拟定为10Hz，采用半正弦波压力加载，循环特征值为0.1。试验应力水平取0.3，疲劳试验环境温度选择15℃。对试验数据采用Weibull分布进行处理，取50％失效概率下的等效疲劳寿命。
实施例1：公称最大粒径为53mm的沥青混合料的施工工艺
一种公称最大粒径为53mm的沥青混合料的施工工艺，包括如下步骤：
(1)选材：
沥青采用70号道路石油沥青(70号道路石油沥青技术性质见表1)，矿料采用石灰岩(公称最大粒径为53mm，粗集料技术性质见表2)。
表1 70号道路石油沥青技术性质
Figure BDA0003745718540000051
表2实施例1的粗集料技术性质
Figure BDA0003745718540000052
Figure BDA0003745718540000061
(2)填充方法及级配的确定
集料填充采用500mm的圆柱形刚性圆桶，填充高度为400mm，级配如下：
表3实施例1的公称最大粒径为53mm的沥青混合料级配
Figure BDA0003745718540000062
(3)体积参数的确定
采用定制的试模(内径为252mm，试件成型高度为200mm)进行马歇尔试验确定体积参数，马歇尔试验结果如表4所示：
表4公称最大粒径为53mm的沥青混合料的体积参数
Figure BDA0003745718540000063
(4)级配拆分与拌和
级配拆分为A部分与B部分，其中A部分包括细料a1与粗料a2，细料a1为9.5mm以下部分且超出ATB-30规范级配上限的矿料，由粗料a2为31.5mm～63mm的矿料和二分之一的9.5～31.5mm矿料；B部分为剩余的二分之一的9.5～31.5mm矿料。
级配拆分后，A部分与B部分分别与70号道路石油沥青拌和，得到A部分混合料和B部分混合料。
(5)摊铺
①摊铺A部分混合料，采用12t钢轮压路机静压2遍；
②静压完毕后，立刻在A部分混合料上摊铺B部分混合料，此时初压采用钢轮压路机静压2遍，振动压路机轻振碾压2遍，复压采用25t胶轮压路机碾压3遍，终压采用双钢轮压路机碾压3遍，直至无明显轮迹印。
当低温以及温度散失较快的场景(例如气温低于5℃，或气温低于8℃且风力大于5级)下，宜在上述压实遍数基础上再增加1～2遍。
将公称最大粒径为53mm的沥青混合料A部分压实后厚度为135mm，B部分为80mm，路面结构总厚度为215mm。
通过试验段取芯样检测，芯样完整密实，压实度检测均值为96.3％。
实施例2：公称最大粒径为37.5mm的沥青混合料的施工工艺
一种公称最大粒径为37.5mm的沥青混合料的施工工艺，包括如下步骤：
(1)选材
70#道路石油沥青技术性质同表1。
表5实施例2的粗集料技术性质
Figure BDA0003745718540000071
(2)填充方法及级配的确定
集料填充采用400mm的圆柱形刚性圆桶，填充高度为320mm，级配如下：
表6公称最大粒径为37.5mm的沥青混合料级配
Figure BDA0003745718540000072
(3)体积参数的确定
采用大马歇尔试模进行马歇尔试验确定体积参数，马歇尔试验结果如表7所示：
表7公称最大粒径为37.5mm的沥青混合料的体积参数
Figure BDA0003745718540000073
(4)级配拆分与拌和
级配拆分为A部分与B部分，其中A部分包括细料a1与粗料a2，细料a1为9.5mm以下部分且超出ATB-30规范级配上限的矿料，由粗料a2为31.5mm～63mm的矿料和二分之一的9.5～31.5mm矿料；B部分为剩余的二分之一的9.5～31.5mm矿料。
级配拆分后，A部分与B部分分别拌和。
(5)摊铺
①摊铺A部分混合料，采用12t钢轮压路机静压2遍；
②静压完毕后，立刻在A部分混合料上摊铺B部分混合料，此时初压采用钢轮压路机静压2遍，振动压路机轻振碾压2遍，复压采用25t胶轮压路机碾压3遍，终压采用双钢轮压路机碾压3遍，直至无明显轮迹印。
当低温以及温度散失较快的场景(例如气温低于5℃，或气温低于8℃且风力大于5级)下，宜在上述压实遍数基础上再增加1～2遍。
公称最大粒径为37.5mm的沥青混合料A部分压实后厚度为120mm，B部分为80mm，路面结构总厚度为200mm。
通过试验段取芯样检测，芯样完整密实，压实度检测均值为96.5％。
对比例1：级配的设置
一种公称最大粒径为53mm的沥青混合料的施工工艺，参照实施例1，区别仅在于，将实施例1的混合料级配(见表3，记为53-A)替换为对比例1的混合料级配(见表8，记为53-B)，此时关键筛孔均不在本发明限定的范围内，其余参数及步骤均不变。
通过试验段取芯样检测，压实度检测均值仅为95.3％。
表8对比例1的公称最大粒径为53mm的沥青混合料级配
Figure BDA0003745718540000081
对实施例1与对比例1的路用性能进行了测试，结果如表9所示。
表9实施例1与对比例1的路用性能测试结果
Figure BDA0003745718540000082
通过路用性能测试对比发现，基于本发明的特定施工工艺，对比例1仅在实施例1的基础上调整混合料级配为53-B后，经测试路用性能中的低温性能、水稳性能、疲劳性能相较实施例1显著下降，其中水稳性能甚至低于《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40－2004)。证明公称最大粒径为53mm的沥青混合料的施工工艺，若未对关键筛孔进行合理控制会对路用性能造成较大影响。
对比例2：省略级配拆分
一种公称最大粒径为53mm的沥青混合料的施工工艺，参照实施例1，区别仅在于，省略步骤(4)级配拆分与拌和，同时调整步骤(5)的摊铺，其他步骤及参数均保持不变，具体地：
未对骨料进行级配拆分，将混合骨料直接与70号道路石油沥青进行拌和，拌和后混合料按常规方法进行一次性摊铺，采用12t钢轮压路机静压2遍，复压采用25t胶轮压路机碾压3遍，终压采用双钢轮压路机碾压2遍，直至无明显轮迹印。
当低温以及温度散失较快的场景(例如气温低于5℃，或气温低于8℃且风力大于5级)下，宜在上述压实遍数基础上再增加1～2遍。
将公称最大粒径为53mm的沥青混合料压实后路面结构总厚度为215mm。
通过试验段取芯样检测，压实度检测均值低于94％。并且，研究观察发现，对比例2未进行级配拆分，混合料出现了明显离析现象(部分芯样底部大料集中，细料未能与之相互嵌挤，密实性较差)，无法满足施工工艺要求。

Claims (10)

1.一种超大粒径沥青混合料的施工工艺，所述超大粒径沥青混合料的粗集料采用公称最大粒径为37～53mm的矿料和/或再生混凝土集料，其特征在于，包括如下步骤：
(1)确定粗集料级配：31.5mm筛孔的累计通过率为80～100％；
(2)马歇尔试验确定体积参数；
(3)级配拆分与拌和：将粗集料级配拆分为A部分与B部分；其中，A部分包括细料a1与粗料a2，细料a1为粒径在≤9.5mm且≥ATB-30规范级配上限范围内的集料，粗料a2为粒径在31.5mm～63mm范围内的集料和二分之一的粒径在9.5～31.5mm范围内的集料；B部分为剩余的二分之一的粒径在9.5～31.5mm范围内的集料；级配拆分后，将A部分和B部分分别与沥青拌和，得到A部分混合料和B部分混合料；
(4)分层摊铺：首先，摊铺A部分混合料，静压；然后，立刻在A部分混合料上摊铺B部分混合料，静压，碾压直至无明显轮迹印即可。
2.根据权利要求1所述的施工工艺，其特征在于，在步骤(1)确定粗集料级配中，0.075mm筛孔的累计通过率为6～9％，2.36mm筛孔的累计通过率为24～28％，4.75mm筛孔的累计通过率为30～35％，19mm筛孔的累计通过率为52～62％。
3.根据权利要求1-2任一项所述的施工工艺，其特征在于，粗集料中粒径＞31.5mm的矿料针片状颗粒含量小于3％、吸水率小于1％；粒径≤31.5mm的矿料针片状颗粒含量小于5％、吸水率小于2％。
4.根据权利要求1-3任一项所述的施工工艺，其特征在于，步骤(1)确定粗集料级配中，填充容器采用圆柱形刚性容器，圆柱形刚性容器的直径不小于集料公称最大粒径的6倍，填充高度不小于集料公称最大粒径的5倍，将填充的集料连同容器置于混凝土振动台上，每振动30s，插捣以确保细料填充密实，累计振动时间不少于600s，以孔隙率最小的比例确定为最终级配。
5.根据权利要求1-4任一项所述的施工工艺，其特征在于，步骤(2)马歇尔试验确定体积参数：将确定的粗集料级配进行马歇尔试验确定沥青用量，根据马歇尔标准尺寸推算，试件直径为集料公称最大粒径的4～5倍，试件高度为试件直径的0.635倍。
6.根据权利要求1-5任一项所述的施工工艺，其特征在于，步骤(2)马歇尔试验确定体积参数中油石比为3.0～4.0％。
7.根据权利要求5所述的施工工艺，其特征在于，步骤(2)马歇尔试验确定体积参数中：室内试验试件制作时，受限于拌和锅的拌和量与沥青用量的限制，首先将＞31.5mm的集料单独与沥青拌和，沥青量以覆盖表面不滴落为准；将＞31.5mm的集料置于试件中层，并将细料散落在间隙周围，保证不出现空洞、不密实的部位，并进行插捣密实；通过体积参数测试控制孔隙率在4～6％，饱和度在50～65％，矿料间隙率不小于12％；若无法满足体积参数，则通过调整关键筛孔通过率控制体积参数。
8.根据权利要求1所述的施工工艺，其特征在于，步骤(4)分层摊铺具体为：
①摊铺A部分混合料，采用12t钢轮压路机静压2遍；
②静压完毕后，立刻在A部分混合料上摊铺B部分混合料，此时初压采用钢轮压路机静压2遍，振动压路机轻振碾压2遍，复压采用25t胶轮压路机碾压3遍，终压采用双钢轮压路机碾压3遍，直至无明显轮迹印得到超大粒径沥青柔性基层；所述超大粒径沥青柔性基层的总厚度为集料公称最大粒径的4～4.5倍，其中A部分混合料不少于集料公称最大粒径的2.5倍，B部混合料不少于集料公称最大粒径的1.5倍；所述超大粒径沥青柔性基层的压实度不低于96％。
9.权利要求1-8任一项所述的施工工艺制得的超大粒径沥青柔性基层。
10.权利要求1-8任一项所述的施工工艺在路基施工中的应用。
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