張成龍

(中國鐵建大橋工程局集團第一工程有限公司,遼寧 大連 116000)

1 引 言

伴隨著國家對海南省的大力投入,海南省自貿(mào)港建設(shè)持續(xù)推進。截至2022年,海南省高速公路建設(shè)里程已超過1450km,未來預(yù)計建設(shè)里程1140km[1],海南省公路項目建設(shè)處于大發(fā)展、大建設(shè)時期[2]。隨著路面服役時間增加,受到海南省常年高溫、高濕、多雨等氣候影響,加上某些項目重載交通較多,一些路面陸續(xù)出現(xiàn)坑槽、車轍、抗滑性能不足[3-6]等病害,有些病害甚至是通車后兩年就出現(xiàn)[7]。路面病害產(chǎn)生的原因很多,其與路面原材料及施工期間質(zhì)量控制有較大的關(guān)系。路面原材料差導(dǎo)致產(chǎn)生病害問題是公路建設(shè)項目的共性問題,因此,瀝青和集料的質(zhì)量顯得尤其重要。隨著我國化工技術(shù)的快速進步,石油提煉技術(shù)越來越先進,路面關(guān)鍵原材料瀝青的品質(zhì)發(fā)生一些波動[8,9]。同時,由于海南省地材特點,本地玄武巖集料內(nèi)摻雜有多孔玄武巖成分,造成路面施工難度增加。

隨著科技不斷發(fā)展,目前基于紅外技術(shù)和激光技術(shù)的新型高科技儀器已應(yīng)用于高速公路路面質(zhì)量檢測評估中[10,11],其具備快速、無損和可視化的特點,在眾多省份得到推廣和使用,并取得了較好的效果[12]。本文從海南地域特色出發(fā),結(jié)合本地原材料特點,在原材料控制和施工工藝提升等方面開展研究,為后續(xù)公路項目建設(shè)提供參考案例。

2 項目概況及難點

2.1 項目概況

海南省國道G360文昌至定安、定安至臨高公路是國家發(fā)展改革委、交通運輸部、國務(wù)院扶貧辦確定的“十三五”交通扶貧“雙百”工程項目之一,是海南省國省道路網(wǎng)“豐”字形公路主骨架中“豐”字的第一橫,是海南主骨架公路網(wǎng)的重要補充,是確保海南省經(jīng)濟持續(xù)健康發(fā)展和確保全面落實改革開放各項政策的兩個確保百日大行動的重點項目,是高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)海南自由貿(mào)易區(qū)、自由貿(mào)易港的重要基礎(chǔ)工程,項目建設(shè)必將提升瓊北部各市縣之間的交通服務(wù)水平,改善投資環(huán)境,強化區(qū)域內(nèi)的聯(lián)系,促進各市縣之間的政治、經(jīng)濟、文化相互交流,推動沿線經(jīng)濟社會和旅游業(yè)全面發(fā)展。

本項目位于海南省北部,處于低緯度地區(qū),屬熱帶海洋性氣候,春季溫暖少雨,夏季高溫多雨,秋季多臺風(fēng)暴雨。全年日照長,輻射能量大,年平均日照時數(shù)超2000h,太陽輻射量可達11～12萬卡。年平均氣溫為24.5℃,最高年平均氣溫約29.3℃,最低年平均氣溫約20℃;年平均降水量1664mm,年平均蒸發(fā)量1834mm,平均相對濕度85%。本項目采用四車道干線一級公路標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計速度100km/h。整體式路基寬26m,分離式路基寬13m,匝道雙向雙車道路基寬16.5m,匝道單向雙車道路基寬10.5m,被交路雙向雙車道路基寬12.0m。

2.2 工程難點

本項目優(yōu)質(zhì)石材匱乏,瀝青混凝土中、下面層碎石等材料選材困難,從而造成材料供應(yīng)點多、材質(zhì)多樣且質(zhì)量參次不齊、供應(yīng)量難以保證等問題,不但大大增加了施工管理、組織的難度,而且對路面質(zhì)量控制、混合料配合比設(shè)計、施工過程中配合比的動態(tài)控制與調(diào)整產(chǎn)生了較大的影響。針對實際情況,為保證路面質(zhì)量達到設(shè)計要求,主要通過加強料源選擇,盡量選用規(guī)格、強度等關(guān)鍵指標(biāo)滿足要求的石料。同時,加強拌和站料倉管理,不同料源的材料分開儲存,嚴禁混倉;其次,也是關(guān)鍵的、行之有效的措施,即因地制宜進行配合比設(shè)計,盡可能發(fā)揮即有材料的長處,降低甚至消除材料質(zhì)量缺點對混合料及路面質(zhì)量的影響,且加強施工過程中配合比的動態(tài)調(diào)整,從而實現(xiàn)質(zhì)量控制目標(biāo)。

3 質(zhì)量提升措施

3.1 瀝青質(zhì)量控制

瀝青紅外光譜檢測儀通過測量瀝青樣品不同官能團的吸光率,確定瀝青樣品的特征官能團和混合物中特定官能團的含量,進行瀝青快速檢測[13,14],該技術(shù)具有測試準(zhǔn)確、快速、環(huán)保、方便、可靠等特點,可實現(xiàn)對瀝青多方位、全面檢測[15]。瀝青路面使用的瀝青材料運至現(xiàn)場后,必須對其質(zhì)量進行抽樣檢驗,經(jīng)檢驗合格后方可使用。

傳統(tǒng)的瀝青物理指標(biāo)檢測,從取樣、送樣、全套指標(biāo)檢測一般要2天以上。瀝青路面的鋪筑施工是整個工程的最后階段,一般會面臨工期短、任務(wù)重、通車壓力大等問題。為快速判定瀝青材料質(zhì)量的優(yōu)劣,保證瀝青路面建設(shè)質(zhì)量,開展瀝青質(zhì)量快速檢測與評價非常必要。每種瀝青都有其特殊的分子和結(jié)構(gòu)組成,對應(yīng)了獨有的指紋圖譜。采用傅里葉變換紅外光譜(FTIR)可以對瀝青的指紋圖譜進行識別,判斷其結(jié)構(gòu)組成、添加劑(SBS、SBR)的摻量、純潔度、老化程度等,是當(dāng)前用于瀝青定量、定性分析最先進的技術(shù)。

本項目紅外光譜儀產(chǎn)品類型為安捷倫Cary 630 FTIR光譜儀,如圖1所示,瀝青檢測制樣見圖2。標(biāo)準(zhǔn)樣品中SBS含量按下式計算:

圖1 安捷倫Cary 630FTIR光譜儀

圖2 瀝青澆模

式中,CSBS為改性劑摻量(%);mSBS為改性劑添加質(zhì)量(%);mBrr為基質(zhì)瀝青質(zhì)量(g);mADD為添加劑質(zhì)量(g)。

(1)基質(zhì)瀝青溯源比對。

對本項目的96批基質(zhì)瀝青檢測結(jié)果進行統(tǒng)計分析,制成基質(zhì)瀝青相似度分布圖,如圖3所示。其數(shù)理統(tǒng)計結(jié)果為:最大值為99.9%,最小值為99.4%,相似度平均值為99.5%。標(biāo)準(zhǔn)差為0.681,變異系數(shù)為0.0683%。因此,該項目所用基質(zhì)瀝青穩(wěn)定可控,變異系數(shù)僅為0.0683%,基質(zhì)瀝青整體質(zhì)量穩(wěn)定可靠。

圖3 基質(zhì)瀝青相似度分布

(2)SBS改性瀝青質(zhì)量控制。

按照指南,制作改性瀝青不同SBS摻量標(biāo)準(zhǔn)曲線。本項目標(biāo)樣曲線見圖4,可以看出,瀝青檢測標(biāo)準(zhǔn)樣本中SBS摻量與特征峰面積比值存在較好的線性相關(guān)性,擬合后得到關(guān)系式Y(jié)=12.735X-1.0767,其中R2達到99.05%。對本項目的改性瀝青樣品SBS摻量檢測結(jié)果進行統(tǒng)計分析,制成分布圖,如圖5所示。改性瀝青SBS摻量與其性能有較大關(guān)聯(lián),根據(jù)海南省之前的統(tǒng)計結(jié)果,當(dāng)SBS摻量低于4.5%時,瀝青PG分級很難滿足PG76要求。由圖5可知,本項目改性瀝青SBS摻量分布基本都大于4.5%,平均值為4.6%。

圖4 改性瀝青標(biāo)樣曲線

圖5 SBS摻量改性分布

3.2 集料質(zhì)量控制

本項目所用集料為玄武巖,每擋粗集料中含有部分多孔玄武巖碎石(如圖6所示,其微觀形態(tài)見圖7),集料的密度大,硬度高。含有多孔玄武巖粗集料的顆粒多棱角,增加了瀝青混合料的內(nèi)摩阻力,用馬歇爾擊實儀法難以進行配合比設(shè)計。因此,本項目采用Superpave瀝青混合料配合比設(shè)計方法,采用旋轉(zhuǎn)壓實儀(見圖8)代替馬歇爾擊實儀進行成型,采用控制點和限制區(qū)的概念來限定,優(yōu)選試驗級配設(shè)計,成型后的芯樣剖面見圖9。這是該項技術(shù)首次在海南地區(qū)高速公路建設(shè)中使用。

圖6 多孔玄武巖集料

圖7 多孔玄武巖微觀狀態(tài)

圖8 旋轉(zhuǎn)壓實儀

圖9 代表芯樣剖面

3.3 攤鋪工藝提升

為提升本項目攤鋪施工質(zhì)量,使用基于激光和紅外掃描技術(shù)的快速無損檢測設(shè)備,對本項目攤鋪效果進行檢測評估,根據(jù)檢測評估結(jié)果及時調(diào)整施工參數(shù)。

快速檢測設(shè)備參數(shù)如下:手推式高精度斷面儀(見圖10),測試長度500m,測試方案如圖11所示。激光紋理儀(見圖12)通過向路面投射激光,其檢測結(jié)果為路面的平均剖面深度MPD,測試長度及方案,參照手推式高精度斷面儀。

圖10 手推式高精度斷面儀

圖11 測試方案

圖12 激光紋理儀

全斷面滲水狀況測試縱向按5m間距、橫向按1m間隔劃分路面測試單元,得到全斷面滲水分布狀況。根據(jù)設(shè)計文件,中面層滲水系數(shù)劃分范圍見表1。

表1 中面層滲水系數(shù)范圍劃分

(1)平整度控制。

根據(jù)文獻[12],路面平整度不佳的主要原因之一是施工不連續(xù),攤鋪機啟動和停止對路面造成的壓痕引起平整度變差。因此,在施工中,通過合理的施工調(diào)度,由專人指揮料車卸料,盡量做到不停機卸料。根據(jù)表2的平整度系數(shù)可以看出,采用不停機施工方案,其攤鋪結(jié)果對路面平整度有較大提升,平整度系數(shù)σ由0.80mm下降至0.53mm,降幅為33.8%。

表2 平整度系數(shù)σ(mm)

(2)均勻性控制。

路面不均勻,對瀝青路面整個服役周期均會產(chǎn)生不良影響。隨著使用年限增加,瀝青混合料在汽車輪載作用下逐漸產(chǎn)生疲勞破壞,破壞點很可能出現(xiàn)在路面不均勻位置。同時,路面紋理不均勻還可能導(dǎo)致車輛行駛過程中抗滑性能的差異,帶來交通安全隱患。選擇本項目施工期間的兩次中面層快速檢測結(jié)果進行對比。根據(jù)圖13,橫向?qū)Ρ?個測試激光構(gòu)造深度,可以看出,距中4m和6m位置路面構(gòu)造深度一般低于兩側(cè)距中2m和距中8m位置,且路面均勻性也好于邊部位置。實際施工中,路幅中間位置受壓路機碾壓遍數(shù)一般大于邊部,往往造成中間過壓或邊部欠壓,引起路面均勻性差異。為改善路面施工均勻性,本項目使用紅外攝像儀,并由專人指揮碾壓施工。根據(jù)圖14-圖16可知,路面施工均勻性得到較好改善。

圖13 路面表面紋理狀況1

圖14 路面表面紋理狀況2

圖15 路面滲水系數(shù)

圖16 路面紅外照片

4 結(jié)束語

(1)采用瀝青紅外快速檢測技術(shù),對本項目基質(zhì)瀝青及改性瀝青進行日常檢測,保證本項目瀝青質(zhì)量穩(wěn)定。結(jié)果顯示,基質(zhì)瀝青相似度平均值為99.5%,整體質(zhì)量穩(wěn)定可靠。改性瀝青SBS摻量分布基本都大于4.5%,平均值為4.6%,滿足施工要求。

(2)根據(jù)本項目骨料為多孔玄武巖特點,引進Superpave瀝青混合料配合比設(shè)計方法,采用控制點和限制區(qū)的概念來限定,優(yōu)選試驗級配設(shè)計,保證項目質(zhì)量。

(3)為提升本項目攤鋪施工質(zhì)量,使用基于激光和紅外掃描技術(shù)的快速無損檢測設(shè)備,對本項目攤鋪效果進行檢測評估,根據(jù)檢測評估結(jié)果及時調(diào)整施工參數(shù),使本項目平整度、均勻性、滲水系數(shù)等指標(biāo)達到新的高度。