路基瀝青混凝土防水封閉結構施工質量控制技術

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(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵路總公司 工程設計鑒定中心，北京 100844；3.鄭萬鐵路客運專線河南有限責任公司，河南 鄭州 450016；4.中鐵第四勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430063；5.北京鐵科特種工程技術開發公司，北京 100081)

高速鐵路的高運行速度、高平順性和高安全性，對路基的穩定性和耐久性提出了極高的要求[1]。如日本在修建第一條高速鐵路東海道新干線時，由于對路基防水問題重視不夠，自1964年通車后，在291km 的土質路基地段發生了大量的道床翻漿冒泥病害，造成軌道的不均勻沉降[2]。由此可見，為保證路基的堅固和穩定需做好路基的防排水工作。

日本、德國、意大利、美國、荷蘭等國家采用瀝青混凝土進行鐵路路基防水，并取得了良好效果。在我國高速鐵路建設的初期，瀝青混凝土作為路基面防排水措施，在遂渝試驗線、京津城際、武廣客運專線和哈大客運專線成高子試驗段進行了部分工程應用，但并未取得預期的防水效果[3]。對比國際上鐵路瀝青混凝土應用成功的案例，反思該時期我國鐵路瀝青混凝土應用問題，主要存在3個顯著差別：①應用層位不同。上述工程應用主要采用瀝青混凝土對路肩及線間路基進行封閉，而并不是國際上普遍采用的全斷面封閉或軌道底部封閉；②材料類型不同。我國先后應用過熱拌熱鋪瀝青混合料、冷拌乳化瀝青混合料、稀漿封層冷拌乳化瀝青混合料、表面處治瀝青混合料等，而國外一般只采用熱拌熱鋪瀝青混合料；③施工工藝不同。由于線間和路肩施工作業面狹窄，只能采用人工攤鋪、小型設備碾壓的工藝，而國外采用全斷面封閉或軌道底部封閉，可采用大型機械進行攤鋪壓實工作，進而保證了施工質量。

綜上所述，瀝青混凝土的施工質量控制直接決定了瀝青混凝土的防水效果。本文以鄭萬鐵路河南段路基全斷面瀝青混凝土防水封閉結構施工為背景，分析了瀝青混凝土可能存在的病害，并對其成因進行分析，有針對性地提出施工質量控制要點，進而保證了全斷面瀝青混凝土防水封閉結構的實施效果。

1 瀝青混凝土病害及成因

1.1 病害分類

按照破損類型，鐵路瀝青混凝土可能存在的病害可分為裂縫類、松散類、變形類、其他類4類[4],見表1。

表1 瀝青混凝土病害分類

1.2 成因分析

1)裂縫類

橫向裂縫主要是由于瀝青混凝土自身的低溫收縮造成的，也有些是由于瀝青混凝土低溫收縮變形與混凝土底座等軌道結構的變形不同步造成。產生縱向裂縫的主要原因是路基壓實度不均勻或路基出現不均勻沉降。不規則裂縫的主要成因是瀝青混凝土結構強度不足。

2)松散類

坑槽、麻面、掉粒、脫皮、啃邊、松散等均是瀝青混凝土出現水損害后的表現形式。造成瀝青混凝土水損害的原因主要有2點：①水分侵入瀝青與集料的界面，易引起瀝青和骨料界面的黏附性降低；②水分的浸泡或者動水壓力等的作用，使得瀝青膜逐漸從骨料表面剝離，導致集料之間的黏結力損失而產生破壞[5]。

3)變形類

豎向壓縮變形既有瀝青混凝土的塑性流動，也有路基與基層的豎向不均勻變形，還包括一定程度的路面材料壓密作用和材料磨耗。波浪主要是由于攤鋪機操作不當造成的成型后瀝青混凝土表面平整度較差。

4)其他類

出現泛油情況可能的2個原因：①配合比設計不當。瀝青用量較高，導致瀝青混凝土的空隙無法容納自由瀝青，溢出表面。②出現水損害。地表水侵入瀝青混凝土內部并長期滯留在瀝青層底部，在行車荷載的反復作用和動壓水沖刷下，集料表面的瀝青膜剝落成為自由瀝青，并在水的作用下被迫向上部遷移，從而導致瀝青層表面泛油而底部松散的瀝青遷移現象。磨光主要是瀝青材料黏度過低或壓實不充分造成的。

2 質量控制

2.1 原材料

在原材料選用方面，瀝青材料選用鐵路專用高黏度瀝青，并要求其 5 ℃ 延度應大于等于30 cm，針入度指數PI應大于等于0，弗拉斯脆點應小于等于-20 ℃，軟化點應大于等于80 ℃，175 ℃ 旋轉黏度應小于等于1.8 Pa·s 等。通過規定瀝青材料的5 ℃延度、針入度指數PI、弗拉斯脆點等指標，來保證瀝青具有良好的低溫柔性和延展性，避免出現由于低溫收縮變形而產生的橫向裂縫。同時，限定了瀝青材料的175 ℃ 旋轉黏度，在保證施工和易性的前提下，避免了因瀝青黏度低導致自由瀝青流動而形成磨光現象。

在骨料選擇上，從骨料的種類、強度、規格等方面進行了規定。建議選用石灰巖、玄武巖等石料，花崗巖、石英巖等酸性石料與瀝青黏附性較差，不得使用。并規定了骨料與瀝青的黏附性應大于等于5級，使得瀝青與骨料具有足夠的黏附功，避免松散類病害的出現[6]。另外，還規定了骨料的堅固性應小于等于12%，壓碎指標小于等于16%，針片狀顆粒含量小于等于10%。

2.2 配合比設計

瀝青混凝土采用中粒式密級配，其礦料級配應滿足表2的規定[7]。

表2 瀝青混凝土的礦料級配范圍

在滿足表2規定的基礎上，根據瀝青混凝土作為防水封閉結構的功能定位，結合鄭萬鐵路沿線所屬的溫帶、亞熱帶大陸性氣候(平均氣溫15 ℃左右，年平均降水量641～779 mm)特點，在配合比設計階段應對瀝青混凝土的防水抗滲性、抗水損害性能、抗疲勞性能等方面予以重點考慮。

2.3 施工準備工作

瀝青混凝土防水封閉結構屬路基工程與軌道工程的結合部位，其施工不僅要保證瀝青混凝土的施工質量，而且要滿足軌道結構施工的要求。

首先，瀝青混凝土施工前應對上道工序提供的基床表層作業面進行交接驗收，內容包括：中線高程(允許偏差±10 mm)、路肩高程(允許偏差±10 mm)、軌道中心線高程(允許偏差±10 mm)、中線至路肩邊緣距離(允許偏差0～20 mm)、寬度(不小于設計值)、橫坡(允許偏差±0.5%)、平整度(允許偏差不大于15 mm)[8]。當已施工的基床表層不滿足設計標高和平整度要求時，超過標高的部位應采用銑刨機進行銑刨并清掃干凈，未達到設計標高的部位應在攤鋪時采用同配合比的瀝青混凝土回填。

其次，為保證瀝青混凝土與基床表層的有效黏結，進行透層瀝青的灑布。透層瀝青采用瀝青灑布車噴灑，具體用量應通過試灑確定，并應按設計用量一次灑布均勻。當有遺漏時，應人工補灑，當有多余的透層瀝青未滲入基床表層時，應在該部位撒布粗砂。透層瀝青灑布后，待其充分滲透且水分蒸發，盡早進行瀝青混凝土的攤鋪。

最后，瀝青混凝土施工前，應根據基床表層交接驗收的高程結果，設置用于控制瀝青混凝土頂面標高的施工導線或導梁，保證瀝青混凝土防水封閉結構的厚度和頂面標高。

2.4 拌和與運輸

瀝青混凝土采用間歇式拌和機進行集中廠拌。通過拌和站信息化控制平臺，可實現各類原材料的預熱溫度、瀝青混凝土級配控制與誤差率、油石比、拌和時間、拌和溫度、出料溫度等關鍵生產參數的實時監控(見圖1)，保證瀝青混凝土的生產質量。瀝青混凝土生產的溫度參數由瀝青的黏溫曲線確定，拌和質量以瀝青均勻裹覆集料為度，不得出現花白料、結團成塊或嚴重的粗、細骨料分離現象。

圖1 拌和站信息化控制平臺

從拌和機向運料車上卸料時，應多次挪動運料車位置，平衡裝料，防止粗、細骨料離析。運料車采用較大噸位的自卸式汽車，并采取覆蓋苫布、棉被等措施，防止瀝青混凝土在運輸過程中較大的溫度損失。同時在運料車上安裝智能溫度監控系統(見圖2)，將溫度數據和GPS數據實時上傳到數據評估平臺，可實時獲取瀝青混凝土在運輸、攤鋪、壓實等過程中的溫度參數。自動存儲分析和預警可通過電腦、手持終端、手機實時監控現場每個測量點即時溫度和歷史溫度，自動生成溫度時程曲線表，遠程下載報表。此外，智能溫度監控系統可獲取運輸車輛的GPS信息，便于現場調度。

圖2 智能溫度監控系統

2.5 攤鋪與壓實

在公路、市政等行業中，瀝青混凝土的施工橫斷面普遍為單側坡或單人字坡，且坡度較小，通常為2%～4%。區別于公路、市政行業，鐵路全斷面瀝青混凝土防水封閉結構斷面復雜，橫斷面為雙人字或雙梯形，橫向排水坡度較大，在曲線超高地段路基橫坡高達17.7%。因此，對瀝青混凝土攤鋪和壓實過程的質量控制就顯得尤為重要。

為保證瀝青混凝土的整體化防水效果，避免設置冷接縫，根據瀝青混凝土的斷面形式，選用多臺攤鋪機聯鋪，必要時對攤鋪機進行改裝，以適應復雜斷面施工的要求。瀝青混凝土松鋪厚度應由施工導梁或導線控制。采用多臺攤鋪機呈階梯狀攤鋪時，攤鋪機前后錯開距離不應超過20 m，相鄰攤鋪機的搭接寬度宜為10～20 cm。此外，瀝青混凝土攤鋪時應緩慢、均勻、連續作業，不得隨意變換速度或中途停頓，不得出現明顯的離析、波浪、裂縫、拖痕等現象。

壓實應按階梯形路線進行作業，且壓實過程應緊密跟隨、穩步有序。采用“鋼輪壓路機(先靜壓后振動)+膠輪壓路機+鋼輪壓路機”的組合方式進行瀝青混凝土的初壓、復壓、終壓。選用的鋼輪壓路機不低于 13 t，振動壓實時，鋼輪壓路機應緊跟在攤鋪機后面，采用高頻率、低振幅的方式慢速碾壓，概括起來為“緊跟、慢壓、高頻、低幅”。膠輪壓路機不低于 25 t。瀝青混凝土的各項性能均與溫度有著密切的關系。在不產生推移和裂縫的前提下，應確保初壓、復壓、終壓在盡可能高的溫度下進行。對于大型壓路機難以作業的部位，應采用小型振動壓路機或夯錘碾壓密實。

3 防水效果評價

采用滲水儀進行檢測，以滲水系數(應小于等于60 mL/min)來評價瀝青混凝土防水封閉結構的防水效果。滲水系數按照下式進行計算。

(1)

式中：Cw為瀝青混凝土滲水系數,mL/min；V1為第一次計時所對應的水量,mL，通常為100 mL；V2為第二次計時所對應的水量,mL，通常為500 mL；t1為第一次計時的時間,s；t2為第二次計時的時間,s。

由式(1)可知，滲水系數計算是以水面從100 mL下降到500 mL所需的時間為標準。若滲水時間過長，可通過3 min通過的透水量來計算滲水系數[9]。

采用上述試驗方法對鄭萬鐵路路基全斷面瀝青混凝土防水封閉結構在路肩(橫坡為4%和17.7%)、線間、底座板下、接觸網支柱基礎周圍等位置的滲水系數進行檢驗,結果如下述。

1)所有測試點的滲水系數均小于60 mL/min，說明瀝青混凝土防水封閉結構具有良好的防排水性能，可為路基提供整體化的防水保護。

2)路肩(橫坡為4%)、底座板下、線間等位置瀝青混凝土的滲水系數均為0 mL/min，而路肩(橫坡為17.7%)和接觸網支柱基礎周圍瀝青混凝土的滲水系數分別為10.8 mL/min和5.2 mL/min，說明相對于其他位置，橫坡較大的路肩和接觸網支柱基礎周圍瀝青混凝土的防水效果較弱。究其原因在于：壓路機在大橫坡路肩上行駛時，其重力被分解為平行和垂直坡面2個方向的分量，導致有效重量和壓實功降低。路肩、底座板、線間等范圍工作面寬闊，且無障礙物影響，可采用大型機械進行壓實，接觸網支柱基礎周圍工作面受限，采用沖擊夯、重錘等方法進行壓實可滿足防水要求，但仍有進一步優化的空間。

3)建議進行大橫坡壓實時，應給壓路機增加配重塊，保證有效重量滿足壓實要求。此外，如果條件允許，接觸網支柱基礎可在瀝青混凝土防水封閉結構之后進行施做，同時研發適用于構筑物周圍邊角壓實的專用小型壓實設備也是下一步研究工作的重點。

4 結語

依托鄭萬鐵路瀝青混凝土防水封閉結構工程的實施，本文總結了鐵路瀝青混凝土可能存在的病害類型，并對其成因進行了分析。在此基礎上，從原材料、配合比設計、施工準備工作、拌和與運輸、攤鋪與壓實等方面提出了質量控制要點，最后利用滲水系數評價了瀝青混凝土的防水效果。結合目前工程實施的效果，有必要從結構形式系列化、施工工藝流程化、質量控制標準化、施工設備專業化等方面進行深入研究，進而豐富我國高鐵路基瀝青混凝土防水封閉成套應用技術。