公路养护施工中冷拌冷铺沥青混合料的应用

陈贵武

（江西省交通投资集团有限责任公司抚州管理中心,江西 抚州 344000）

0 引言

近年来，公路工程领域的研究人员在能源消耗和环境保护方面提出许多创新工艺，传统的热拌沥青混合料由于能耗高，对混合料拌和、摊铺及碾压施工温度要求高，远距离输送过程中温度散失过快，有毒有害气体释放，施工质量控制难度大等原因而逐渐被冷拌冷铺技术所取代。冷拌冷铺技术的出现有效弥补了热拌施工技术的不足，其全部工序均在常温下展开，能耗低，适合远距离运输，环境效益好。基于此背景，该文对冷拌冷铺沥青混合料在低等级公路养护施工中的应用展开分析，以起到借鉴参考作用。

1 工程概况

某公路段原为山岭重丘四级公路，砂石路面，路基宽 5.5 m（0.5 m 路肩 +4.5 m 的车行道 +0.5 m 路肩）。交通量以小客车、小型货车和摩托车为主。此次对该公路段实施改造，采用单轴双轮100 kN的路面设计思路，路面结构为4 cm厚的冷拌冷铺AC-13面层+20 cm厚的3%水泥含量的水稳级配碎石基层。冷拌冷铺沥青混合料通过机械拌和，每盘重 1 000 kg。

2 原材料选取及性能试验

冷拌沥青混合料配合比设计的主要目的在于确定矿料级配类型和沥青用量。该文从原材料性能、配合比设计等方面展开冷拌冷铺沥青混合料试验，制备出5种不同配合比的AC-13Ⅰ矿料，并展开马歇尔试验[1]。

2.1 集料性能试验

按照《公路工程集料试验规程标准》（JTG E42—2019）与《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2017），磨耗层沥青混合料内的粗集料最大粒径应不超出设计层厚的50%，压碎值≤26%，针片状含量≤15%，含泥量≤1.0%，黏附性至少为4级，吸水率不大于2.0%。该公路工程选用的粗集料是以方解石为主要成分、夹杂少量白云石和菱镁矿的石灰岩碎石料，性能见表1。

表1 粗集料性能检测结果

细集料则主要是粉尘含量低、不含杂质且颗粒包含、嵌挤性能良好的石灰岩机制砂。实测砂当量65.3%，视密度 2.738 t/m³，＜0.075 mm 含量为2.2%，均符合规范。

填料采用磨细的石灰岩矿粉，并保证矿粉洁净干燥，无结团，能自由流出料仓。填料性能检测结果见表2。

表2 填料性能检测结果

2.2 乳化沥青性能试验

为提升冷拌冷铺沥青混合料抗高温变形、低温开裂性能及层间黏结性能，乳化沥青针入度必须足够小，低温延度和软化点应较高，弹性恢复能力应较强。经过比选，最终选用SBS改性乳化沥青（性能指标取值见表3）和星形SBS改性剂，按照基质沥青使用量的2.0%～4.5%掺加；同时使用自制复合型阳离子慢裂乳化剂，按照基质沥青使用量的1.5%～4.0%掺加。

表3 改性乳化沥青性能

3 混合料配合比试验

3.1 配合比设计

按照比表面积调整AC-13Ⅰ级配后，得出几种不同的矿料级配，具体见表4。根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2017）的具体规定，冷拌冷铺沥青混合料必须具备充足的黏聚性，马歇尔稳定度≥3.0%。表4中所列示出的调整级配后的冷拌沥青混合料马歇尔稳定度基本位于5.2～7.1 kN之间，满足要求。但根据规范，公称粒径≤26.5 mm且用于高等级公路的沥青混合料马歇尔稳定度必须达到8.0 kN以上。为此，必须进行级配调整，并用2%的P.C32.5水泥代替2%的矿粉[2]。水泥初凝和终凝时间分别为156 min和245 min，性能符合《通用硅酸盐水泥标准》（GB 175—2020）。调整后的情况见表5。

表4 按照比表面积调整AC-13Ⅰ级配后的矿料级配

表5 调整后的矿料级配及组成

3.2 马歇尔试验

冷拌沥青混合料强度发展表现出明显的初期强度低，后期逐渐增长的趋势特征，故必须对不同级配混合料展开马歇尔对比试验。分别按照常温和高温两种情况展开试件的制作与养生，通过常温试件的马歇尔稳定度和高温试件的马歇尔稳定度分别表征混合料早期和后期强度。对常温试件上下双面各击实25次，静置于室内养生24 h，检测密度和高度后置入（20±1）℃的恒温烘箱内养生30 min，并试压。对高温试件上下双面各击实25次，在（110±5）℃的恒温烘箱内养生24 h，检测密度和高度后再置入（60 ±1）℃的条件下试压。

通过正交试验法展开试验，油石比、养生时间和养生条件、拌和用水量、试验误差为对试验结果有较大影响的主要因素。各因素均选择3个水平，由此形成L9（34）正交表，分别对常温试件和高温试件展开正交试验[3]。根据试验结果，稳定度对应的以上4个影响因素的极差分别为1.1、4.9、0.8和1.4，流值对应的以上4个影响因素的极差分别为2.7、4.3、2.1和1.3。根据以上极差取值，常温试件养生时间和养生条件对试件稳定度影响最大；常温试件养生条件、油石比对流值影响最大。各影响因素和常温试件稳定度、流值的关系具体见图1（a）、图2（a）、图3（a）。

调整试件养护时间，并按照5.0%、5.5%和6.0%的油石比及5.5%、6.0%、6.5%的拌和水量质量分数制备试件，在60 ℃烘箱内持续养生60 min，取出补击并冷却脱模，再次放入60 ℃烘箱内养生24 h；取出后于室内继续养生48 h。展开试件正交试验后，根据试验结果，稳定度对应的以上4个影响因素的极差分别为2.4、3.1、1.0和1.0，流值对应的以上4个影响因素的极差分别为1.3、1.7、2.6和2.1。根据极差取值，高温试件养生时间和养生条件、油石比对试件稳定度影响最大。各因素和稳定度、流值的关系见图1（b）、图2（b）、图3（b）。

图1 油石比与稳定度、流值的关系

图2 总拌和用水量与稳定度、流值的关系

图3 常温养生时间与稳定度、流值的关系

根据以上试验结果，冷拌冷铺沥青混凝土马歇尔稳定度能达到8.0 kN以上；结合极差分析中各因素的影响程度，掺加2%水泥后的常温试件和高温试件最优配合比均为5.5%总拌和用水量和5%油石比，但高温试件稳定度明显比常温试件低。说明冷拌冷铺沥青混合料性能与热拌沥青混合料存在较大差异，后者性能与温度控制直接相关，且后期强度稳定；而前者强度的形成需要经过沥青破乳、水分排出、压密等过程，强度增长缓慢。冷拌冷铺沥青混合料试件失水过程持续且缓慢，高温试件补击后高温烘箱养生，内部空隙充分失水，空隙增多，甚至出现表面松散，不利于强度提升。

4 施工工艺

4.1 施工机械

结合该公路养护施工中使用的冷拌冷铺施工设备主体结构特点，可将该设备分成行走机构、上料及配料系统、搅拌装置、摊铺及洒布系统等部分。该设备骨料仓容量12 000～12 300 kg，水泥罐容量 500～530 kg，乳化沥青罐和洒布沥青罐容量为 2 500～2 800 kg 和 2 000～2 200 kg，发动机转速 2 200 r/min，功率 220～239 kW，整机重 23 t，摊铺厚度5～25 mm，摊铺宽度2.5～4.0 m，摊铺工效可达到 140～150 t/h，运行速度 4.0～6.0 m/min。

先在冷拌冷铺路面设备前端安装上料装置，通过计量装置并按照设计比例将水泥、粗细集料、乳化沥青、水等原材料称量后送入进料口，拌制成混合料后从出料口输出。输出后的混合料降落至螺旋分料器中部后由分料器输送至熨平板两侧，通过熨平板摊铺至沥青路面。摊铺过程中，由螺旋分料器前部的沥青洒布装置同步洒布改性乳化沥青，保证冷拌冷铺连续施工。

4.2 摊铺及碾压

摊铺前应彻底清理基层表面，保证其清洁干燥；检查冷拌冷铺施工机械各料门高度及开度，保证其符合施工规范。在机械各项性能均得到保证后开始匀速摊铺，避免漏铺。摊铺施工期间，若基层含水率超出最佳含水率范围，必须立即处理。

摊铺后应紧跟碾压，碾压分初压、复压和终压三个阶段。初压阶段使用钢轮压路机，碾压速度控制在2.0～3.0 km/h。待沥青破乳后改用胶轮压路机复压3～4遍；待水分基本蒸发后终压2～3遍，以消除轮痕。

完成以上基本施工环节后，必须依托合理的施工组织方案，对冷拌冷铺沥青路面实施保湿养护，养护周期至少为7 d。养护期间必须封闭交通，仅允许洒水车通行，待养护质量达到规定后方可开放交通。

5 结论

综上所述，冷拌冷铺沥青混合料强度及路用性能均较好，其总拌和用水量和最佳油石比分别为5.5%和5.0%；养生条件和油石比是影响冷拌冷铺沥青混合料马歇尔稳定度与流值的主要参数。公路工程采用冷拌冷铺施工工艺后，能有效避免热拌沥青拌和站远距离运输，运输存储更为便利，也杜绝了热拌沥青拌和与摊铺施工对环境的污染。此外，该公路施工使用了集连续供料、连续拌和和摊铺功能于一体的冷拌冷铺施工设备，实现了冷拌冷铺连续施工，使摊铺层横向接缝大大减少；后置熨平板设计，能提升冷拌冷铺沥青路面预压实度与平整度，施工质量和工效均有保证。