瀝青混凝土路面壓實(shí)性能影響因素分析

韓樹(shù)峰

(新疆交通科學(xué)研究院，新疆烏魯木齊830000)

壓實(shí)良好的路面必然要求路面空隙分布均勻，既不欠壓又不過(guò)壓，這樣可以有效防止路面病害的出現(xiàn)。目前對(duì)瀝青路面壓實(shí)影響因素的研究多偏重于瀝青混合料的材料因素，而結(jié)合壓實(shí)機(jī)具和環(huán)境因素對(duì)瀝青路面壓實(shí)工藝影響的分析研究較少。因此，本文分析了各影響因素對(duì)路面壓實(shí)的影響。由于瀝青路面壓實(shí)是指在一定的施工環(huán)境中，采用選定的壓實(shí)機(jī)械及其組合對(duì)瀝青混合料進(jìn)行碾壓的過(guò)程，本文據(jù)此將影響HMA壓實(shí)的主要因素分為材料因素、環(huán)境因素和壓實(shí)機(jī)具等，并總結(jié)這些影響因素對(duì)混合料力學(xué)特性的影響，為壓實(shí)均勻性和壓實(shí)程度的影響因素提供更好的理解。

1 瀝青混合料材料組成因素

瀝青混合料是由適當(dāng)比例的粗、細(xì)集料及填料組成的符合規(guī)定級(jí)配的礦料與瀝青拌制而成，因此瀝青混合料的壓實(shí)特性主要取決于集料的特性、瀝青的性質(zhì)、瀝青膜的厚度以及結(jié)合料的性質(zhì)等，接下來(lái)分別予以分析。

1.1 集料

瀝青混合料的勁度和可壓實(shí)性主要受集料顆粒自然特性的影響。在瀝青混合料中，粗集料的以下三種性能將影響混合料的密度:表面紋理、顆粒形狀和破裂面的數(shù)量。壓實(shí)功隨著集料棱角性、公稱最大粒徑和集料硬度的增加而增加。由于棱角性集料抵制集料間的調(diào)整，所以要求更多的密實(shí)功。單個(gè)集料顆粒的表面紋理對(duì)壓實(shí)同樣有很大的影響，表面光滑的集料比紋理粗糙的集料更易壓實(shí)。要達(dá)到同樣的壓實(shí)功，圓形集料比立方形或塊形集料需要更少的壓實(shí)功[1]。

1.2 瀝青

瀝青混合料密實(shí)的能力受瀝青等級(jí)和含量的影響。在給定的溫度條件下，瀝青的黏度越高或針入度越小，通?；旌狭系膭哦仍酱?，就越難壓實(shí)，達(dá)到所要求的密度需要更多的壓實(shí)功。因此在給定溫度下，用黏度等級(jí)為AC-20的瀝青拌合的混合料比用AC-10拌合的混合料要硬。

1.3 級(jí)配

不同級(jí)配類型的混合料其壓實(shí)特性有較大的差別。為達(dá)到規(guī)定的密實(shí)度，通常連續(xù)密級(jí)配混合料很容易壓實(shí)，而開(kāi)級(jí)配或半開(kāi)級(jí)配混合料一般明顯需要更多的壓實(shí)功。而多砂或細(xì)級(jí)配混合料，因?yàn)樗鼈児逃械牟环€(wěn)定性，通常很難被壓實(shí)。

1.4 混合料

在高溫(如150℃)下攤鋪的混合料比低溫(如125℃)下攤鋪的混合料更容易壓實(shí)。然而，如果初壓溫度太高，則混合料就可能變的很不穩(wěn)定而很難壓實(shí)，待溫度降低，瀝青結(jié)合料的黏度上升時(shí)才可以壓實(shí)。相反，如果混合料在初壓時(shí)的溫度太低，為了達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度，則需要增加壓實(shí)功，實(shí)際這將永遠(yuǎn)達(dá)不到規(guī)定的壓實(shí)度。

2 路面結(jié)構(gòu)特征和自然環(huán)境因素

結(jié)構(gòu)和環(huán)境因素對(duì)路面壓實(shí)具有較大的影響，以下分別分析結(jié)構(gòu)層厚度、大氣溫度、基層溫度、混合料攤鋪溫度、風(fēng)速和太陽(yáng)輻射能對(duì)路面壓實(shí)的影響。

2.1 結(jié)構(gòu)層厚度

瀝青混合料的可壓實(shí)時(shí)間與其冷卻速率密切相關(guān)，而在影響混合料冷卻速率的各種變量中，結(jié)構(gòu)層厚度對(duì)其影響可能最重要[2-3]。在日溫差較大的季節(jié)，薄面層很難達(dá)到合適的壓實(shí)度。瀝青面層是以一定的厚度鋪筑的，不同的情況瀝青面層的鋪筑厚度也有所不同。為考察瀝青混合料在不同厚度下的壓實(shí)性能，朱哲[4]通過(guò)成型不同厚度的車轍板對(duì)此進(jìn)行了研究，研究結(jié)果如圖1所示。

圖1 透水系數(shù)、壓實(shí)密度與結(jié)構(gòu)層厚度的關(guān)系

從圖1中可以看出，隨著攤鋪厚度的增加，瀝青混合料的密度大致呈現(xiàn)出拋物線規(guī)律，即在攤鋪厚度過(guò)小或過(guò)大時(shí)都不利于混合料的壓實(shí)，而是存在一個(gè)35 cm～45 cm的最佳壓實(shí)厚度范圍，此時(shí)瀝青面層的壓實(shí)性能較好，混合料的密度較大，孔隙率可以得到有效控制。同時(shí)結(jié)合混合料滲透系數(shù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，隨著混合料壓實(shí)度的提高，其滲透系數(shù)明顯降低，這就大大減少了路面的降雨入滲量，降低了路面在行車荷載作用下層間動(dòng)水壓力的損壞概率。

2.2 溫度

結(jié)構(gòu)層將散失熱量到大氣和新鋪混合料的下層路面(基層)中。而且由于基層的溫降速率要快于表面的溫降速率，所以在確定可壓實(shí)時(shí)間時(shí)，基層溫度比大氣溫度更為重要。在攤鋪和壓實(shí)混合料時(shí)，大多數(shù)規(guī)范都規(guī)定了最低大氣溫度，且通常假定大氣溫度和基層溫度是相同的[4]。通過(guò)試驗(yàn)室成型不同溫度下的馬歇爾試驗(yàn)對(duì)此進(jìn)行了研究，研究結(jié)果如圖2所示[5]?？梢钥闯?，隨著擊實(shí)溫度的降低，試件的相對(duì)密度逐漸下降，而且下降的幅度越來(lái)越大。當(dāng)擊實(shí)溫度為 100℃時(shí)，密度僅為 140℃時(shí)的96.8%。

圖2 混合料擊實(shí)溫度與試件密度的關(guān)系

2.3 風(fēng)速及太陽(yáng)輻射

風(fēng)對(duì)混合料表面溫度的影響比對(duì)其內(nèi)部溫度的影響要大得多，它能讓表面很快冷卻，而形成一個(gè)硬殼，在壓實(shí)過(guò)程開(kāi)始時(shí)，壓路機(jī)必須壓碎此硬殼。風(fēng)速對(duì)薄層結(jié)構(gòu)可壓實(shí)性的影響要比厚結(jié)構(gòu)層的大。太陽(yáng)輻射對(duì)基層的溫度影響比對(duì)混合料溫度的影響大。在晴朗的天氣下基層的溫度高于周圍環(huán)境溫度。較高的基層溫度將降低混合料的溫降速率，也就是延長(zhǎng)了混合料的可壓實(shí)時(shí)間。

3 路面壓實(shí)機(jī)械設(shè)備條件

目前主要采用自動(dòng)式壓路機(jī)來(lái)提供壓實(shí)能量，自動(dòng)式壓路機(jī)可分為三類:靜力鋼輪壓路機(jī)、膠輪壓路機(jī)、振動(dòng)鋼輪壓路機(jī)。

3.1 靜力鋼輪壓路機(jī)

靜力鋼輪壓路機(jī)主要用于瀝青路面的初壓或終壓階段。靜力鋼輪壓路機(jī)，如圖3所示，通常其重量范圍介于3 t～14 t之間，鋼輪直徑介于1.5 m～2.5 m之間。鋼輪與混合料之間的有效接觸壓力決定了這種壓路機(jī)的實(shí)際壓實(shí)功[6]。雙鋼輪靜力壓路機(jī)的碾壓機(jī)理如圖4所示，從圖4中左圖所示碾壓輪靜止時(shí)路面材料的受力分布可知被壓實(shí)材料的中間變形最大，因此，所受壓力也最大，邊緣部位變形逐漸減小，所受壓力逐漸減小。當(dāng)碾壓輪滾動(dòng)時(shí)，被壓實(shí)材料的受力分布如圖4中右圖所示，碾壓輪碾壓過(guò)后對(duì)某一點(diǎn)施加的應(yīng)力是從小到大，達(dá)到最大壓力值的時(shí)間只是一瞬間。碾壓輪碾壓過(guò)后，材料被壓縮變形，一部分成為永久變形，一部分產(chǎn)生微小的彈性。

圖3 靜力鋼輪壓路機(jī)(雙鋼輪)

圖4 被壓實(shí)材料的輪胎壓力分布示意圖

3.2 膠輪壓路機(jī)

膠輪壓路機(jī)通常用于復(fù)壓階段，即用在振動(dòng)或靜力鋼輪壓路機(jī)初壓之后，靜力鋼輪壓路機(jī)終壓之前。膠輪壓路機(jī)也是一種靜作用壓路機(jī)，如圖5所示。膠輪壓路機(jī)的碾壓輪是專用的充氣膠輪，表面光潔平整，沒(méi)有花紋，膠輪踏面較寬，自然狀態(tài)下與地面接觸的部位是平的，與地面接觸面積較大，是普通膠輪的1.5倍，如圖6所示，膠輪壓路機(jī)的膠輪受壓后產(chǎn)生變形，與地面接觸為平面，使接觸帶受壓基本均勻。此外，膠輪的變形增大了膠輪與混合料的實(shí)際接觸面積，降低了單位面積上的壓力，但是延長(zhǎng)了實(shí)際的壓實(shí)時(shí)間，有利于壓實(shí)。

膠輪壓路機(jī)除了具有靜力壓實(shí)的作用外，還具有揉壓(剪切壓實(shí)效果)作用[6]。首先膠輪壓路機(jī)的揉壓作用可以使混合料得到最佳的壓實(shí)效果，同時(shí)還有助于將混合料中多余的瀝青結(jié)合料返到面層，從而提高瀝青路面的密封效果；其次，膠輪壓路機(jī)能消除路表在鋼輪碾壓時(shí)所形成的熱裂紋，從而阻止水和空氣等進(jìn)入混合料的內(nèi)部，能有效預(yù)防瀝青路面的早期病害；再次，膠輪壓路機(jī)能防止瀝青路面上出現(xiàn)壓實(shí)方面的離析，避免不均勻的壓實(shí)效果；最后，膠輪壓路機(jī)的揉壓作用使得混合料中留下的內(nèi)應(yīng)力很小，可以避免其在路表產(chǎn)生應(yīng)力裂縫。

圖5 膠輪壓路機(jī)

圖6 膠輪受壓變形示意圖

3.3 振動(dòng)鋼輪壓路機(jī)

振動(dòng)鋼輪壓路機(jī)(如圖7)有一個(gè)振動(dòng)加載組件，并且它的重量要輕于靜力鋼輪壓路機(jī)。通過(guò)在鋼輪中心增加一個(gè)圍繞旋轉(zhuǎn)軸的偏心重來(lái)產(chǎn)生壓路機(jī)的振動(dòng)荷載。鋼輪直徑介于1.02 m～1.52 m之間，鋼輪寬度介于1.5 m～2.5 m之間，工作重量介于10 t～30 t之間。

在振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪的振動(dòng)沖擊作用下，瀝青混合料就產(chǎn)生一個(gè)沖擊波，該沖擊波在混合料的內(nèi)部沿縱深方向擴(kuò)散和傳播，隨著振動(dòng)的持續(xù)，沖擊波也將不斷產(chǎn)生和擴(kuò)散，混合料在沖擊波的作用下，由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎駝?dòng)狀態(tài)，使顆粒間的摩擦阻力大為降低，為顆粒的運(yùn)動(dòng)創(chuàng)造了十分有利的條件，混合料由原來(lái)的松散堆積狀態(tài)，逐漸變?yōu)橄嗷ヌ畛涞臓顟B(tài)，大顆粒之間相互嵌合，小顆粒運(yùn)動(dòng)到大顆粒的縫隙中，逐步形成密實(shí)穩(wěn)定的狀態(tài)，振動(dòng)輪的自重和沖擊力加快了填充密實(shí)的速度。

圖7 振動(dòng)壓路機(jī)(雙鋼輪)

4 結(jié) 語(yǔ)

瀝青路面的壓實(shí)性能受多種內(nèi)外因素的影響，諸如瀝青混合料原材料本身性能、壓實(shí)機(jī)械設(shè)備和施工現(xiàn)場(chǎng)的自然環(huán)境條件等。瀝青混合料壓實(shí)質(zhì)量的高低直接影響混合料的孔隙率及其空間分布狀態(tài)，影響瀝青路面的耐水損害、抵抗低溫開(kāi)裂及高溫抗車轍等性能，進(jìn)而影響瀝青路面的耐久性和使用品質(zhì)?？梢哉f(shuō)，施工現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度質(zhì)量對(duì)瀝青路面使用性能具有決定性的影響。鑒于此，本文重點(diǎn)從原材料和施工的角度研究了瀝青混凝土路面壓實(shí)性能的影響因素。通過(guò)分析認(rèn)為，要想提高瀝青路面的壓實(shí)質(zhì)量，大混合料設(shè)計(jì)到施工的全過(guò)程必須從原材料質(zhì)量抓起，保證進(jìn)場(chǎng)的集料性能和瀝青品質(zhì)，保證混合料的拌合質(zhì)量，同時(shí)做好現(xiàn)場(chǎng)的施工安排和工藝優(yōu)化措施，選用合理的壓實(shí)機(jī)械設(shè)備，盡可能縮短現(xiàn)場(chǎng)攤鋪、碾壓時(shí)間，保證適宜的施工溫度，提高瀝青路面的壓實(shí)質(zhì)量，保證路面的長(zhǎng)期使用性能。

[1]譚憶秋.瀝青與瀝青混合料[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[2]廖陳林.厚層瀝青路面壓實(shí)特性研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué)，2008.

[3]中華人民共和國(guó)交通部.JTG F40-2004.公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社，2004.

[4]朱 哲，孫志勇.瀝青混合料壓實(shí)特性對(duì)壓實(shí)工藝的影響分析[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2007，(6):99-101.

[5]陳新軒.輪胎壓路機(jī)壓實(shí)熱拌瀝青混合料的機(jī)理和作用[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2003，23(5):49-51.

[6]陳振春.壓路機(jī)構(gòu)造與技術(shù)運(yùn)用[M].北京:人民交通出版社，1991.