重交通道路瀝青混合料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)及評價(jià)

陳浙江，徐曉和，蔣應(yīng)軍

（1.金華市公路管理局，浙江 金華 321000；2.長安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064）

0 引言

隨著重交通的發(fā)展，我國不少高等級公路瀝青路面出現(xiàn)大量早期損壞，其中車轍、路表裂縫、松散和水損壞等表現(xiàn)尤為突出。路面早期損壞產(chǎn)生的原因是多方面的，而建立在中輕交通基礎(chǔ)上通過馬歇爾方法設(shè)計(jì)的混合料難以勝任重交通發(fā)展是主要原因之一。馬歇爾法是美國密西西比州公路局Bruce Marshall于1939年首次提出，1958年列入ASTMD1559，隨后成為世界上最盛行的瀝青混合料設(shè)計(jì)和施工控制的主要方法。我國自20世紀(jì)70年代以來開始應(yīng)用馬歇爾設(shè)計(jì)方法，并納入了規(guī)范，一直沿用至今。馬歇爾方法理論精髓是室內(nèi)采用某一擊實(shí)功得到的試件密度與多年實(shí)際交通作用下路面最終密度相等，也就是說室內(nèi)擊實(shí)功應(yīng)隨著實(shí)際交通狀況變化而調(diào)整。我國現(xiàn)行馬歇爾方法采用雙面各擊實(shí)75次或112次，建立于20世紀(jì)80年代初。

目前，干線公路上的交通狀況與20世紀(jì)80年代初相比，已發(fā)生了顯著的變化，貨車的軸載質(zhì)量和輪胎的充氣壓力增大，交通量顯著增加，渠化交通加強(qiáng)，高壓輪胎的應(yīng)用增多。實(shí)踐證明，重交通道路上瀝青路面的最終密度大于輕交通道路上，顯然，馬歇爾擊實(shí)功已與重交通不相適應(yīng)，導(dǎo)致室內(nèi)混合料密度偏低。同時(shí)為了滿足VMA、VFA、VV的要求，又使得瀝青用量偏高，在大流量、重軸載作用下路面易出現(xiàn)車轍及由此引起的自上而下的裂縫等路面早期損壞[2-4]。鑒于此，本文通過現(xiàn)場調(diào)查分析路面早期損壞，尤其是車轍與壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究混合料力學(xué)性能及抗車轍性能與壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)之間關(guān)系，結(jié)合施工現(xiàn)場研究當(dāng)前壓實(shí)機(jī)具下混合料所能達(dá)到的最大壓實(shí)水平，在此基礎(chǔ)上，提出重交通路面瀝青混合料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，并對其進(jìn)行評價(jià)。

1 提高壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的必要性

1.1 車轍與壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系的調(diào)查分析[4]

調(diào)查的兩條公路基本情況見表1，兩條公路通車3～4年混合料密度變化情況見表2。調(diào)查時(shí)，芯樣均取自輪跡帶和路肩上，輪跡帶基本上都是以壓密型車轍為主的變形，深度為1～3cm；路肩（緊急停車帶）上芯樣試件密度基本上代表路面竣工時(shí)的密度ρj。瀝青混合料采用現(xiàn)行馬歇爾方法設(shè)計(jì)，ρL為輪跡帶處芯樣密度。

表1 公路的基本情況調(diào)查表

表2 公路路面密度變化情況調(diào)查表

通過調(diào)查20世紀(jì)90年代后期修建的兩條公路，發(fā)現(xiàn)輪跡帶處密度均比設(shè)計(jì)密度大，空隙率均比設(shè)計(jì)空隙率小。表2中數(shù)據(jù)表明，在通車3～4年后行車道輪跡帶處混合料密度是竣工時(shí)密度的1.004～1.018倍，輪跡帶處基本上出現(xiàn)1～3cm車轍。然而，路面使用遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)年限，而后期交通量更大、軸載更重時(shí)，輪跡帶處路面密度遠(yuǎn)未達(dá)到“最終密度”。因此，為了減輕瀝青路面壓密型車轍，壓實(shí)控制標(biāo)準(zhǔn)密度應(yīng)大于馬歇爾密度×（1.004～1.018）。

1.2 混合料性能與壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)系的試驗(yàn)研究

1.2.1 體積參數(shù)

圖1 壓實(shí)度對ATB—30混合料體積參數(shù)的影響

壓實(shí)度對ATB—30混合料體積參數(shù)的影響規(guī)律見圖1。圖中K指不同擊實(shí)功成型試件密度與大馬歇爾試件密度之比的百分率，試驗(yàn)材料取自榆綏高速公路LM—4試驗(yàn)段現(xiàn)場拌和的ATB—30瀝青混合料。如圖1所示，隨著壓實(shí)度K的增加，ATB—30混合料試件的空隙率VV和礦料間隙率VMA呈線性減小，有效瀝青飽和度VFA近似線性增大。這表明擊實(shí)功的不同造成試件密度不盡相同，而這結(jié)果恰恰為滿足不同交通水平的要求提供了依據(jù)。

1.2.2 力學(xué)性能

壓實(shí)度對ATB—30混合料力學(xué)性能影響規(guī)律見圖2。如圖2所示，ATB—30混合料力學(xué)性能隨壓實(shí)度增加呈線性增強(qiáng)。壓實(shí)度在99%～102%之間時(shí)，壓實(shí)度每增加1%，瀝青混合料60℃穩(wěn)定度MS、20℃抗壓強(qiáng)度Rc、-20℃抗拉強(qiáng)度σ、60℃抗剪強(qiáng)度τd分別提高31%、28%、26%、43%。這表明提高壓實(shí)度有利于提升混合料力學(xué)性能。

圖2 壓實(shí)度對ATB—30瀝青混合料力學(xué)性能的影響

1.2.3 抗車轍性能

壓實(shí)度對ATB—30瀝青混合料抗車轍性能的影響規(guī)律見圖3。如圖3所示，ATB—30混合料動穩(wěn)定度DS隨著壓實(shí)度的增加而增大，而車轍變形量RD則隨著壓實(shí)度的增加而減小。壓實(shí)度在99%～102%時(shí)，壓實(shí)度每增加1%，瀝青混合料動穩(wěn)定度平均提高25.4%，車轍變形量平均降低8.9%。

綜上所述，隨著ATB—30瀝青混合料壓實(shí)度的提高，混合料穩(wěn)定度、抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度和抗車轍性能均有不同程度的提高，這為減少失穩(wěn)型車轍提供了可靠的依據(jù)。

圖3 壓實(shí)度對抗車轍性能的影響

2 壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)提高的可行性

室內(nèi)馬歇爾試件密度ρM與路面芯樣密度ρX及壓實(shí)度K的數(shù)據(jù)見表3。為了分析當(dāng)前壓實(shí)機(jī)械的壓實(shí)水平，在榆綏高速公路LM—1、LM—2、LM—4進(jìn)行壓實(shí)性能研究，試驗(yàn)段均在反復(fù)碾壓作用下使現(xiàn)場密度無明顯變化為止。

表3 馬歇爾試件密度與路面所能達(dá)到最大密度及壓實(shí)度

表3（續(xù)）

《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評定標(biāo)準(zhǔn)》（JTG F801—2012）中壓實(shí)度代表值計(jì)算方法為：表3的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。

表4 現(xiàn)場所能達(dá)到最大壓實(shí)度的代表值

現(xiàn)行馬歇爾擊實(shí)標(biāo)準(zhǔn)建立于80年代初，當(dāng)時(shí)壓實(shí)機(jī)械普遍采用低于20t的膠輪壓路機(jī)、2～6t的振動壓路機(jī)、6～8t的雙輪鋼筒壓路機(jī)。表4中數(shù)據(jù)表明，隨著施工工藝和壓實(shí)機(jī)械水平的提高，尤其是普遍采用攤鋪機(jī)攤鋪、10～14t的振動壓路機(jī)、25～30t的膠輪壓路機(jī)后，在壓實(shí)性能上有質(zhì)的飛躍，如壓實(shí)度普遍在100.2%～103.5%，95%保證率下壓實(shí)度可達(dá)101.3%～101.8%。這為鋪筑出壓實(shí)度更高、質(zhì)量更好的瀝青面層提供了保證。

3 重載交通壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)及評價(jià)

3.1 重交通壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合表4數(shù)據(jù)和評定辦法K0.95≥K0（K0為壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)），表明在當(dāng)前施工機(jī)械壓實(shí)水平下，K0可由現(xiàn)行規(guī)范的97%提高到101.3%。鑒于規(guī)范中壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)以及壓實(shí)度評定辦法具有系統(tǒng)性，建議通過提高標(biāo)準(zhǔn)密度的措施予以實(shí)現(xiàn)，規(guī)范壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)值K0=97%～100%，則標(biāo)準(zhǔn)密度為現(xiàn)行規(guī)范的現(xiàn)場施工控制密度為馬歇爾密度×（1.013～1.044），這可確保在現(xiàn)有設(shè)備下充分碾壓瀝青混合料后壓實(shí)度達(dá)97%～100%?？紤]到新事物有逐漸被大家認(rèn)識、接受的過程，因此，作為過渡，建議重交通路面瀝青混合料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)為：施工控制標(biāo)準(zhǔn)密度取馬歇爾密度×1.02，K0=97%～100%。

3.2 重交通壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)

由表2最后1列數(shù)據(jù)可知，若采用現(xiàn)行規(guī)范的馬歇爾密度×1.02倍作為標(biāo)準(zhǔn)密度，則通車3～4年后路面密度均低于重交通路面壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)密度，即可緩解瀝青路面早期壓密型車轍。

前述研究表明：壓實(shí)度提高1%，力學(xué)性能至少可提高13%，動穩(wěn)定度提高25.4%、車轍變形量降低8.9%。因此，采用重交通壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，至少可使混合料力學(xué)性能提高26%，動穩(wěn)定度提高50%，車轍變形量降低18%。

因此，建議重交通路面混合料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)為：施工控制標(biāo)準(zhǔn)密度取馬歇爾密度×1.02，K0=97%～100%。

4 結(jié)論

（1）通過現(xiàn)場調(diào)查分析了路面早期損壞尤其是車轍與壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系，結(jié)果表明：通車3～4年后路面密度普遍高出馬歇爾試件密度的1.004～1.018倍，且輪跡帶處出現(xiàn)深度約1～3cm的車轍。

（2）通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了混合料力學(xué)性能及抗車轍性能與壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系，結(jié)果表明：壓實(shí)度在99%～102%，壓實(shí)度每增加1%，ATB—30瀝青混合料力學(xué)性能至少可提高13%，動穩(wěn)定度提高25.4%、車轍變形量降低8.9%。

（3）結(jié)合施工現(xiàn)場研究了當(dāng)前壓實(shí)機(jī)具下混合料所能達(dá)到的最大壓實(shí)水平，結(jié)果表明：當(dāng)前壓實(shí)機(jī)械水平下，瀝青路面所能達(dá)到的最大密度約為馬歇爾試件密度的1.02倍。

（4）結(jié)合路面車轍、混合料性能與壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)之間的關(guān)系及當(dāng)前壓實(shí)機(jī)械壓實(shí)水平，提出重交通瀝青混合料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)為：施工控制標(biāo)準(zhǔn)密度=馬歇爾密度×1.02、K0=97%～100%，評價(jià)結(jié)果表明：采用重交通混合料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，可提高混合料力學(xué)性能26%，動穩(wěn)定度50%，降低車轍變形量18%，顯著地緩解路面早期損壞現(xiàn)象。

限于篇幅，本文以ATB—30混合料為例論證提高壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的必要性和可行性。同理，也可對其他類型的瀝青混合料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行論證，結(jié)果證明重交通瀝青混合料壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)（施工控制標(biāo)準(zhǔn)密度=馬歇爾密度×1.02、K0=97%～100%）同樣適用于其他類型瀝青混合料。

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