瀝青混合料離析程度對路面性能影響研究

王 鑫

（山西省公路局 太原分局，山西 太原 030012）

近年來我國公路事業(yè)不斷發(fā)展，瀝青路面因?yàn)槠鋬?yōu)異的平整度、吸振、噪聲小、無接縫、耐磨、施工養(yǎng)護(hù)簡便等特點(diǎn)成為我國高等級公路路面的主要結(jié)構(gòu)型式。隨著瀝青路面的迅速發(fā)展，其問題也不斷顯現(xiàn)，大部分瀝青路面在投入使用1～3年內(nèi)均會出現(xiàn)不同程度車轍、裂縫、坑槽、局部泛油等問題。瀝青路面在投入使用初期的破壞往往不是結(jié)構(gòu)性破壞，而是局部的功能性損壞，導(dǎo)致局部功能性損壞的主要原因之一就是瀝青混合料出現(xiàn)了離析[1]。

瀝青混合料離析是指瀝青混合料在熱拌施工過程中在路面上出現(xiàn)分布不均勻的現(xiàn)象，主要是粗細(xì)集料分布不均勻。瀝青混合料的離析會影響瀝青路面的路用性能，粗集料聚集的部位空隙率較大，瀝青含量少，容易造成水損害形成坑槽，同時降低混合料的抗拉強(qiáng)度和抗裂性能；細(xì)集料聚集區(qū)則空隙率較小，無法形成骨架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致瀝青路面高溫穩(wěn)定性差，容易出現(xiàn)泛油[2]。柳愛群[3]研究了瀝青路面產(chǎn)生離析的原因及防治措施，鄭曉光[4]研究了離析對瀝青路面高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性及抗疲勞性的影響。本文以我國某一級公路為研究對象，通過室內(nèi)試驗(yàn)研究不同程度瀝青混合料的離析對瀝青路面更多路用性能的影響。

1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)原材料采用我國某一級公路AC-20瀝青混合料面層，在該一級公路上切取試驗(yàn)所需的試件，試驗(yàn)所用材料符合相關(guān)規(guī)范[5]。美國在以往的研究項(xiàng)目中將瀝青混合料的離析分為無離析、輕度離析、中度離析及重度離析4類。該分類主要考慮粗集料離析而未考慮細(xì)集料聚集，在此基礎(chǔ)上本次試驗(yàn)研究以空隙率作為判別離析程度指標(biāo)將離析程度分為Ⅰ（細(xì)集料離析）、Ⅱ（無離析）、Ⅲ（輕度離析）、Ⅳ（重度離析）。用PQI無核密度儀測定試驗(yàn)材料的密度進(jìn)而換算成空隙率[6]，并將其分類得瀝青混合料離析程度與空隙率，見表1。

表1 瀝青混合料離析程度判別標(biāo)準(zhǔn)

2 路用性能試驗(yàn)

2.1 高溫穩(wěn)定性

我國采用動穩(wěn)定度來評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，現(xiàn)采用車轍試驗(yàn)測定不同離析程度瀝青混合料的動穩(wěn)定度。車轍試驗(yàn)試件在該一級公路上不同離析程度的部位進(jìn)行切取，試件尺寸為：長300 mm、寬300 mm、厚50 mm。首先測定試件的空隙率，按照離析程度判別標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，然后進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)過程符合有關(guān)規(guī)定[7]。試驗(yàn)結(jié)果整理為表2、圖1。

表2 不同離析程度的瀝青混合料動穩(wěn)定度

圖1 不同離析程度瀝青混合料的動穩(wěn)定度

由表2、圖1可以看出不同離析程度的瀝青混合料的動穩(wěn)定度相差較大。無離析的瀝青混合料的動穩(wěn)定度最大，為5 026次/mm；細(xì)集料離析的動穩(wěn)定度最小，為2 595次/mm，細(xì)集料離析瀝青混合料的動穩(wěn)定度約是無離析的51%。出現(xiàn)粗集料嚴(yán)重離析的動穩(wěn)定為2 637次/mm，僅比細(xì)集料離析的動穩(wěn)定度大。因此瀝青混合料出現(xiàn)離析問題后，動穩(wěn)定度下降約25%～50%。

根據(jù)車轍試驗(yàn)結(jié)果分析其原因?yàn)椋寒?dāng)瀝青混合料粗集料聚集時，雖然其空隙率較大但依舊可以形成骨架結(jié)構(gòu)，能夠提高其抗車轍性，但是當(dāng)重度離析時，其壓實(shí)度較低，容易出現(xiàn)壓實(shí)型車轍；當(dāng)細(xì)集料聚集時，由于粗集料含量少，并且瀝青含量增多，不能形成骨架結(jié)構(gòu)，其混合料容易出現(xiàn)永久變形，抗車轍能力也大幅降低。

2.2 低溫抗裂性

瀝青路面在低溫時依舊能夠保持較好的強(qiáng)度與剛度，但是其抗變形能力有所下降。當(dāng)氣溫下降較快時，路面面層首先會產(chǎn)生收縮的趨勢，而下部結(jié)構(gòu)層受溫度影響較慢，會約束這種趨勢進(jìn)而產(chǎn)生拉應(yīng)力[8]。本次低溫抗裂性試驗(yàn)通過測定不同離析程度瀝青混合料的彎曲應(yīng)變來評價離析程度對低溫抗裂性能的影響。

在實(shí)驗(yàn)室制作離析程度不同的試驗(yàn)試件，尺寸為長250 mm、寬 30 mm、高 35 mm，用 PQI無核密度儀測定其密度并計(jì)算空隙率，將其分為不同程度離析的組別，然后進(jìn)行低溫彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)滿足有關(guān)規(guī)范要求[9]。試驗(yàn)結(jié)果見表3、圖2。

表3 不同離析程度的瀝青混合料彎曲應(yīng)變

圖2 不同離析程度瀝青混合料的平均彎曲應(yīng)變

由表3及圖2可以看出瀝青混合料離析程度不同，對其低溫抗裂性影響較大。細(xì)集料聚集部位空隙率較低，平均彎曲應(yīng)變最大，為8 345 με，為無離析瀝青混合料的187.66%。粗集料離析部位的平均彎曲應(yīng)變均小于無離析瀝青混合料，在重度離析時達(dá)到最小，為2 158 με。由此可以得知細(xì)集料聚集時其低溫抗裂性能較好，而隨著粗集料的離析，低溫抗裂性能不斷降低，較無離析瀝青混合料降低了14%～51%。

2.3 水穩(wěn)定性

水損害是瀝青路面的主要病害之一。在車輪與其他動荷載作用下，路面的水會不斷滲入混合料縫隙，產(chǎn)生動水壓力和真空抽吸力，降低瀝青黏附性，使瀝青容易從集料表面剝落，逐漸發(fā)展成坑槽等破壞現(xiàn)象。我國要求二級以上公路的瀝青混凝土應(yīng)具有良好的水穩(wěn)定性。我國通常采用浸水馬歇爾試驗(yàn)來測出瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度，以殘留穩(wěn)定度來評價瀝青混合料的水穩(wěn)定性，試件浸水殘留穩(wěn)定度按式×100計(jì)算。

對取自現(xiàn)場的瀝青混合料測定其密度并算出空隙率后按離析程度進(jìn)行分類，然后制成φ63.5的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表4、圖3、圖4。

表4 不同離析程度的瀝青混合料殘留穩(wěn)定度

圖3 離析程度對MS、MS1的影響

圖4 離析程度對殘留穩(wěn)定度的影響

由圖3可以看出瀝青混合料的離析程度對穩(wěn)定度影響較大，尤其是對浸水后的穩(wěn)定度。當(dāng)細(xì)集料聚集時，其穩(wěn)定度相對最大，為13.98 kN，并且大于浸水48 h后的穩(wěn)定度。當(dāng)粗集料聚集時，隨著離析程度的加劇，其穩(wěn)定度不斷降低。在嚴(yán)重離析時，其穩(wěn)定度為7.83 kN，浸水穩(wěn)定度為4.02 kN，浸水穩(wěn)定度下降速度較快。

由圖4可以看出隨著離析程度的加劇，試件殘留穩(wěn)定度不斷下降。細(xì)集料聚集時，殘留穩(wěn)定度為91.92%，滿足瀝青混合料水穩(wěn)性指標(biāo)。當(dāng)離析程度為重度時，試件殘留穩(wěn)定度僅為51.34%，遠(yuǎn)不能滿足水穩(wěn)性要求。

結(jié)合表4、圖3及圖4可以得到：細(xì)集料的聚集會提高瀝青混合料的水穩(wěn)定性，粗集料聚集時混合料的水穩(wěn)定性隨離析程度的加劇而降低。細(xì)集料聚集時，其殘留穩(wěn)定度較無離析瀝青混合料提高了約9.93%；當(dāng)粗集料聚集時，殘留穩(wěn)定度下降了7.5%～38.6%，不能滿足瀝青混合料水穩(wěn)性指標(biāo)。

2.4 抗疲勞性能

本次試驗(yàn)采用劈裂疲勞試驗(yàn)來評價不同離析程度混合料的抗疲勞性，試件采用高度控制旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型，試件高為63.5 mm，直徑為100 mm。試驗(yàn)儀器為MTS810，試驗(yàn)溫度為15℃，加載模式為控制應(yīng)力，應(yīng)力比為0.3、0.5、0.7,對試件測算出其空隙率，分為4種離析程度后進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 疲勞試驗(yàn)結(jié)果

將表5整理為柱狀圖，見圖5、圖6。

圖5 離析程度對疲勞壽命的影響

由表5、圖5可以看出應(yīng)力比為0.3時，疲勞壽命較0.5、0.7時大，當(dāng)細(xì)集料聚集時，疲勞壽命為8 905次，是無離析的109.68%；當(dāng)粗集料離析時，疲勞壽命顯著降低，為無離析的63.49%和54.62%。應(yīng)力比為0.5時，細(xì)集料聚集時疲勞壽命為1 689次，為無離析瀝青混合料的122.75%；當(dāng)粗集料離析時，其疲勞壽命要小于無離析瀝青混合料，為無離析時的52.76%、43.75%。當(dāng)應(yīng)力比為0.7時，細(xì)集料疲勞壽命為607次，為無離析瀝青混合料的119.25%；當(dāng)離析程度為重度時，疲勞壽命最小僅為179次，為無離析的35.17%，輕度離析時為224次，為無離析的44.01%。因此可以得出：細(xì)集料聚集時，其抗疲勞性能提高約10%～23%，當(dāng)粗集料離析時，抗疲勞性能顯著降低，約為無離析瀝青混合料的35%～64%。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

山西省某一級公路為雙向四車道，是連接市區(qū)與該市高速公路入口的重要通道。該一級公路瀝青路面下面層采用7 cm的AC-20，上面層采用5 cm的SMA-16。在施工過程中，下面層攤鋪中局部出現(xiàn)了不同程度的離析現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了施工進(jìn)度與工程質(zhì)量。因此對瀝青路面施工過程中的質(zhì)量控制顯得極為重要。

3.2 施工質(zhì)量控制措施

a）混合料類型是離析的內(nèi)在因素，因此應(yīng)加強(qiáng)對原材料質(zhì)量的控制，盡量選取同一采石場的碎石，對來自不同采石場的碎石應(yīng)進(jìn)行重新篩分，采用粒徑相當(dāng)?shù)乃槭?/p>

b）嚴(yán)格控制拌和及運(yùn)輸過程。經(jīng)常檢查拌和機(jī)等設(shè)備，避免因機(jī)械故障造成的集料離析。混合料離析與集料表面的瀝青膜與拌和溫度有關(guān)，如果集料表面的瀝青膜比較薄，集料間黏附性相對會較差，易發(fā)生離析。影響集料表面瀝青膜厚度的因素主要有：（a）油石比過低會導(dǎo)致瀝青膜較??；（b）混合料中細(xì)集料較多會降低瀝青膜厚度；（c）混合料中粗集料空隙率過高，也會導(dǎo)致集料表面瀝青膜較薄。拌和過程中應(yīng)該嚴(yán)格控制拌和溫度，若溫度過高，瀝青黏性變差，更加容易產(chǎn)生離析現(xiàn)象。在混合料拌和中，也需要足夠的溫度使混合料拌和均勻，但溫度也不宜過高。在向運(yùn)輸車裝卸混合料時應(yīng)分層放料，否則會造成大骨料滾向兩側(cè)而造成離析。在卸完一斗料后，汽車應(yīng)挪動一個位置，在混合料均勻分布后再進(jìn)行二、三層放料，這樣可以使卸下的混合料再次均勻拌和。并且在卸料時，應(yīng)盡可能將料斗大角度垂直升起快速卸料，避免大骨料先從側(cè)面滾出造成堆積而引起離析。同時攪拌場與攤鋪現(xiàn)場距離不宜太遠(yuǎn)，并保證運(yùn)輸通道的平整，避免車輛行駛顛簸。

c）混合料攤鋪過程應(yīng)嚴(yán)格控制攤鋪機(jī)的選擇和攤鋪操作。攤鋪機(jī)的螺旋輸料器高度合適，使混合料能夠全埋螺旋輸料器；螺旋輸料器的擋料板與地面間隙要小，防止大骨料先從擋板下沿滾落造成下層大料較多而離析；攤鋪寬度不應(yīng)太寬，否則混合料由螺旋輸料器運(yùn)輸距離增大，從而導(dǎo)致離析的概率增大；同時攪拌葉片的數(shù)量與角度應(yīng)合適，使混合料得到充分?jǐn)嚢琛?/p>

在攤鋪過程中，若是攤鋪機(jī)一車料將攤鋪完后關(guān)閉送料器，倒入下車料后繼續(xù)均勻地送料與布料。攤鋪過程中，攤鋪機(jī)不必收料斗同時保持輸料器繼續(xù)轉(zhuǎn)動，此時車廂內(nèi)兩側(cè)會有粗集料，若關(guān)閉收料斗會導(dǎo)致最后攤鋪部位粗集料聚集。此時應(yīng)接著卸下一車混合料，使剩余的粗集料與下一車混合料繼續(xù)攪拌均勻后進(jìn)行攤鋪。

d）添加適量的酰胺類陽離子表面活性劑或胺類等高分子有機(jī)酸類抗剝離劑。在加入適量的抗剝離劑后能夠有效提高集料與瀝青的表面黏附性，減輕瀝青離析現(xiàn)象。

3.3 施工檢測與評價

在施工過程中對瀝青混合料首先通過觀察法判斷離析程度，在攤鋪完成后采用PQI無核密度儀對路面進(jìn)行密度測試，在換算為瀝青混合料空隙率后對離析程度進(jìn)行判斷。瀝青混合料離析評價標(biāo)準(zhǔn)見表6。

表6 瀝青混合料離析程度評價標(biāo)準(zhǔn)

在瀝青混合料施工過程中采用PQI無核密度儀能夠做到及時快速，同時PQI無核密度儀相比傳統(tǒng)鉆芯取樣方法可以做到對路面無損檢測[10]。

4 結(jié)語

a）瀝青混合料發(fā)生離析時，其高溫穩(wěn)定性會降低。細(xì)集料離析時其動穩(wěn)定度為無離析瀝青混合料的51%，瀝青混合料粗集料聚集為輕度、重度時，瀝青混合料動穩(wěn)定度為無離析的76.72%和52.46%。

b）細(xì)集料離析時，平均彎曲應(yīng)變?yōu)闊o離析瀝青混合料的187.66%。粗集料聚集時，輕度離析的平均彎曲應(yīng)變?yōu)闊o離析的86.71%，重度離析的平均彎曲應(yīng)變?yōu)闊o離析的48.70%。

c）細(xì)集料離析的水穩(wěn)定性高于無離析瀝青混合料，其殘留穩(wěn)定度為無離析的109.93%，而粗集料離析的水穩(wěn)性要低于無離析瀝青混合料，輕度離析的殘留穩(wěn)定度為無離析的92.54%，重度離析的殘留穩(wěn)定度為無離析的61.40%。

d）細(xì)集料聚集部位的抗疲勞性提高了約10%～23%，而輕度、重度離析瀝青混合料的抗疲勞性僅為無離析瀝青混合料的35%～64%。

e）通過對山西省某一級公路施工過程中采用空隙率對瀝青混合料離析程度進(jìn)行評價，及時采取一定的控制措施，可以有效提高工程進(jìn)度和工程質(zhì)量。