離析模式對瀝青混合料密度和構(gòu)造深度的影響

張爭奇，黃碩磊，石偉，崔文社

(1. 長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；2. 陜西省高速公路建設(shè)集團公司，陜西 西安 710000)

質(zhì)量均勻與穩(wěn)定是對結(jié)構(gòu)與材料的基本要求，作為瀝青路面也是如此，離析既是一種瀝青路面質(zhì)量缺陷，也是導(dǎo)致路面破壞的原因，其表現(xiàn)就是路面局部位置的質(zhì)量發(fā)生變異，而質(zhì)量的不均勻會導(dǎo)致路面缺陷，并易引起路面損壞，離析是影響瀝青路面使用壽命的關(guān)鍵因素之一，細料聚集的地方，缺少骨架支撐，會出現(xiàn)車轍、網(wǎng)裂和擁包等現(xiàn)象；而粗料聚集的地方，缺少細料填充，會出現(xiàn)滲水，在重荷載作用下，形成水動力，使瀝青膜剝離而損壞。瀝青混合料的離析現(xiàn)象[1-5]導(dǎo)致瀝青路面早期病害現(xiàn)象較為嚴重。國內(nèi)外研究者一般將離析劃分成集料離析和溫度離析，但這種離析分類并不能準(zhǔn)確表達路面不均勻產(chǎn)生的原因。按照離析對路面質(zhì)量的影響，離析是指瀝青面層在經(jīng)攤鋪壓實后一定區(qū)域范圍內(nèi)材料組成與設(shè)計不符，并具有不同的性質(zhì)，因此，按照引起瀝青路面質(zhì)量不均勻的原因，離析可分為集料離析、溫度離析和壓實離析。其中集料離析是指礦料級配變異引起的粗細集料分布不均而引起的離析現(xiàn)象，溫度離析主要是指瀝青混合料從運輸?shù)侥雺和瓿蛇^程中所產(chǎn)生的局部溫度不均勻的現(xiàn)象，并最終引起瀝青路面質(zhì)量的不均勻；而壓實離析是由于壓實機具組合(或碾壓方法、碾壓遍數(shù)、碾壓速度等)不合理導(dǎo)致壓實功不足，引起區(qū)域性的低密度，即壓實離析。另外，國內(nèi)外研究者在研究瀝青路面離析時[6-10]，大多采用空隙率作為瀝青混合料離析程度的判別指標(biāo)，這是因為對瀝青路面進行鉆取芯樣，并通過抽提篩分后可以準(zhǔn)確獲得瀝青混合料的最大理論密度，以此可計算出混合料的真實空隙率。但是當(dāng)采用無損檢測技術(shù)來檢測路面密度時[11-15]，得不到測點的實際級配和瀝青含量等數(shù)據(jù)，因此無法獲得芯樣的混合料真實最大理論密度，也就無法算出混合料的真實空隙率，不利于瀝青路面施工質(zhì)量的控制?；谝陨戏治?，本文按照瀝青路面不均勻性的產(chǎn)生原因，及不同離析的特點，將路面離析劃分成集料離析、溫度離析和壓實離析，并在室內(nèi)分別設(shè)計了無離析、細集料、輕度、中度和重度離析瀝青混合料；通過室內(nèi)模擬，成型不同離析模式組合的馬歇爾試件和板式車轍試件，并分別測定與分析試件的密度、車轍板試件的密度和構(gòu)造深度，研究離析對瀝青路面的影響，確定瀝青路面質(zhì)量控制指標(biāo)。

1 室內(nèi)瀝青混合料設(shè)計

集料采用陜西臨潼生產(chǎn)的角閃巖和石灰?guī)r，13.2 mm以上各檔集料選用石灰?guī)r，其余各檔集料選用角閃巖，礦粉由石灰?guī)r磨制，瀝青采用埃索90#SBS改性瀝青，經(jīng)檢驗所選用的集料和瀝青的各項指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

1.1 無離析瀝青混合料設(shè)計

本試驗選用AC-13，AC-20和AC-25瀝青混合料進行室內(nèi)模擬試驗。采用馬歇爾法進行瀝青混合料配合比設(shè)計。AC-13，AC-20和AC-25瀝青混合料特性參數(shù)見表1。

1.2 離析混合料設(shè)計

美國NCHRP 9-11提出了基于瀝青混合料特性指標(biāo)的離析程度劃分標(biāo)準(zhǔn)，即采用關(guān)鍵篩孔通過率和瀝青含量來進行離析程度的劃分，見表2。

本文采用關(guān)鍵篩孔通過率、瀝青含量將瀝青混合料的離析程度分為細集料離析、無離析、輕度離析、中度離析和重度離析5個等級。

國內(nèi)外相關(guān)研究認為，瀝青混合料發(fā)生離析的程度主要與9.5，4.75和2.36 mm這3個篩孔的通過率有關(guān)。本文在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上，同時參考了貝雷法中粗細集料的粒徑劃分思想，通過控制4.75 mm和9.5 mm 2個關(guān)鍵性篩孔的通過率，并基于表2的級配離析劃分標(biāo)準(zhǔn)來模擬不同集料離析程度的瀝青混合料。

采用4.75 mm和9.5 mm 2個篩孔將松散的無離析混合料篩分成A，B，C 3檔料。本研究所設(shè)計的AC-13，AC-20和AC-25松散的無離析瀝青混合料中，A，B，C 3檔混合料的篩分比例分別為：A:B:C=24.7:39.5:35.8，A:B:C=20.3:36.5:43.2 和 A:B:C= 15.1:30.7:54.2。其中：A為4.75 mm篩孔以下部分混合料；B為4.75~9.5 mm篩孔部分混合料；C為9.5 mm篩孔以上部分混合料。

表2 瀝青路面離析等級判別界限Table 2 Distinguish boundary of segregation grade in asphalt pavement

通過燃燒法，采用HYRS-6型瀝青含量測試儀測得AC-13，AC-20和AC-25中A，B和C 3檔混合料瀝青含量(見表3)，同時得到每一檔料的燃燒后篩分級配(見表4)，由此建立離析混合料級配變化與瀝青含量變化的關(guān)系式(如表5所示)。

根據(jù)表2中不同離析程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)確定的3種混合料在不同離析程度下A，B和C 3檔料的組成比例如表6所示。

由此分別得到AC-13，AC-20和AC-25在不同離析程度下瀝青混合料的瀝青含量，如表7所示。注：A為4.75 mm篩孔以下部分混合料的質(zhì)量；B為4.75~9.5 mm篩孔部分混合料的質(zhì)量；C為9.5 mm篩孔以上部分混合料的質(zhì)量

表3 無離析混合料各部分瀝青含量Table 3 Asphalt content of each part of no segregation mixture

表4 各類混合料中A，B和C部分燃燒后篩分通過率Table 4 Passing rate of A, B and C parts of all kinds of mixture after burning

表5 離析混合料級配變化與瀝青含量變化之間的關(guān)系Table 5 Relationship between the change of segregation mixture gradation and asphalt content

表6 不同級配離析程度下A，B和C 3檔料的組成比例Table 6 Proportion of A, B, C in different gradation segregation degree

表7 各類型離析混合料的瀝青含量Table 7 Asphalt content of each type segregation mixture

2 離析混合料成型方案

2.1 各種離析模式因子取值的確定

集料離析程度的確定，參照表2。

有研究表明當(dāng)混合料的初始溫度大于 140 ℃時，溫度離析對混合料的壓實度不會造成太大影響。在進行混合料溫度離析室內(nèi)模擬試驗時，將混合料成型溫度分別設(shè)定為：160，145，130和115 ℃。

本試驗采用的車轍板成型儀在正常情況下來回碾壓 32次能達到與標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件相當(dāng)?shù)拿軐嵍?。在進行壓實離析模擬試驗時，將成型儀的碾壓次數(shù)分別控制為：44，38，32，26和20次。

2.2 成型方案

為了研究不同離析模式因子組合作用下瀝青混合料密度和構(gòu)造深度的變化規(guī)律，根據(jù)各離析因子不同離析程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)提出以下2種離析瀝青混合料的成型方案：

第 1種方案：集料離析+溫度離析的組合，測密度。將不同程度集料離析的混合料在不同的擊實溫度下成型馬歇爾試件，用表干法測馬歇爾試件的毛體積密度，采用計算法獲得試件的最大理論密度。該方案主要用于研究溫度離析對混合料密度的影響。

第 2種方案：集料離析+壓實離析，測密度和構(gòu)造深度。采用輪碾成型儀將不同程度集料離析的混合料在不同碾壓次數(shù)下制作車轍板(統(tǒng)一在 150℃溫度下成型)，采用鋪砂法測定車轍板表面的構(gòu)造深度，然后鉆取車轍板芯樣后用表干法檢測密度。該方案主要用于研究集料離析和壓實離析對混合料密度和構(gòu)造深度的影響。

3 各種離析因子對混合料密度的影響

3.1 集料離析和壓實離析對密度的影響規(guī)律

根據(jù)車轍板芯樣的檢測密度數(shù)據(jù)可以得到3種類型混合料產(chǎn)生不同程度集料離析時，在不同碾壓情況下的密度變化規(guī)律，如圖1所示。

由圖1可以發(fā)現(xiàn)，在相同壓實條件下，3種類型混合料的密度都是隨著集料離析程度變大出現(xiàn)先增大后減小的規(guī)律，在無集料離析時出現(xiàn)密度最大值，這主要是基于AC級配類型最大密度曲線理論的結(jié)果。

圖1 混合料密度隨集料和壓實離析的變化情況Fig. 1 Change of mixture density with aggregate segregation and compaction

同時發(fā)現(xiàn)，在同一集料離析程度時，3種類型混合料的密度都是隨著壓實次數(shù)的增多而增大。但粗集料離析混合料的密度增長幅度較小，分別為1.79%，2.17%和1.1%，將AC-20的H和M離析程度混合料壓實 44次的密度換算成空隙率分別為7.5%和8.9%，說明混合料發(fā)生粗集料離析后，即使在充分的壓實情況下，也無法達到要求的空隙率。

3.2 溫度離析對密度的影響規(guī)律

根據(jù)馬歇爾試件的毛體積密度數(shù)據(jù)可以得到 3種類型混合料產(chǎn)生不同程度集料離析時，在不同初始成型溫度下的密度變化規(guī)律，如圖2所示。

圖2 混合料密度隨溫度離析的變化情況Fig. 2 Change of mixture density with temperature segregation

從圖2可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)壓實條件下，3種類型混合料的密度隨著初始成型溫度的升高而增大，經(jīng)計算，當(dāng)混合料無集料離析(N)時，AC-13，AC-20和AC-25混合料在初始成型溫度為145 ℃時的空隙率分別為4.02%，4.07%和4.26%，可見當(dāng)混合料初始成型溫度大于145 ℃時，其空隙率可以達到設(shè)計要求。

由圖2可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)混合料成型溫度大于145 ℃后，混合料的密度增長幅度較小，而不同程度集料離析混合料的密度區(qū)別越來越明顯，可見，在相同壓實條件下，當(dāng)成型溫度大于145 ℃時，混合料的密度主要受集料離析程度的影響。

由以上分析可知，集料、成型溫度以及壓實次數(shù)這3種離析因子都會影響瀝青混合料的密度，而且這3種離析因子中的任何一種發(fā)生顯著變異時都會給混合料的密度造成很大影響。由此可見，密度指標(biāo)對瀝青路面施工變異性具有較高的敏感性，本文建議采用密度作為路面總體施工質(zhì)量穩(wěn)定性的檢測指標(biāo)。

4 各種離析模式對構(gòu)造深度的影響

4.1 壓實離析和溫度離析對構(gòu)造深度的影響

考慮到溫度離析與壓實離析都是通過影響混合料空隙率大小來影響構(gòu)造深度，對構(gòu)造深度的影響效果相類似，所以溫度離析對構(gòu)造深度的影響可參考壓實離析。根據(jù)車轍板表面的構(gòu)造深度數(shù)據(jù)可以得到3種類型混合料產(chǎn)生不同程度集料離析時，在不同壓實情況下的構(gòu)造深度變化規(guī)律，如圖 3所示。

由圖3可知，3種類型混合料車轍板隨著碾壓次數(shù)的增多，并沒有出現(xiàn)構(gòu)造深度明顯減小的變化規(guī)律，說明混合料空隙率的變化對構(gòu)造深度的影響程度有限。

由圖4可以看到，3種類型混合料車轍板的構(gòu)造深度隨碾壓次數(shù)的增長變化幅度較小，則認為當(dāng)車轍板碾壓次數(shù)超過 20后，碾壓次數(shù)的變化對其表面構(gòu)造深度的影響很小。說明在本試驗?zāi)M的離析條件下，壓實變異性對瀝青混合料車轍板構(gòu)造深度產(chǎn)生的影響并不顯著。因此可認為，在瀝青路面施工沒有發(fā)生極端壓實不均勻的情況下，壓實離析或溫度離析對瀝青路面構(gòu)造深度造成的影響可以忽略。

4.2 集料離析對構(gòu)造深度的影響

根據(jù)車轍板表面的構(gòu)造深度數(shù)據(jù)可以得到3種類型混合料的構(gòu)造深度隨不同程度集料離析的變化規(guī)律，如圖5所示。

圖3 混合料構(gòu)造深度隨壓實次數(shù)的變化情況Fig. 3 Change of mixture texture depth with rolling frequency

圖4 混合料在不同壓實次數(shù)下的平均構(gòu)造深度Fig. 4 Average texture depth of the mixture under different compaction times

圖5 混合料構(gòu)造深度隨集料離析程度的變化情況Fig. 5 Change of mixture texture depth with aggregate segregation degree

由圖5可知，當(dāng)混合料出現(xiàn)由細到粗的不同程度集料離析時，其表面構(gòu)造深度呈現(xiàn)出明顯的由小到大的規(guī)律變化，當(dāng)混合料級配偏粗時，構(gòu)造深度偏大，達到2.054 mm，當(dāng)混合料級配偏細時，構(gòu)造深度偏小，為0.73 mm。且3種不同類型混合料呈相似的變化規(guī)律，由此可以推斷，路表構(gòu)造深度與混合料的集料離析程度密切相關(guān)。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，不同程度集料離析的混合料構(gòu)造深度與無離析混合料的有著明顯的差異，且集料離析程度越嚴重差異性越大，構(gòu)造深度變化的大致規(guī)律為細集料離析＜無離析＜粗集料離析。相比AC-13型混合料，AC-20和AC-25型混合料的構(gòu)造深度隨著粗集料離析程度呈現(xiàn)出更顯著的變化規(guī)律。與無離析混合料相比，產(chǎn)生粗集料離析的混合料構(gòu)造深度的變化規(guī)律基本遵循N＜L＜M＜H，而產(chǎn)生不同程度細集料離析的混合料的構(gòu)造深度則區(qū)別較小。

圖6 混合料不同程度集料離析時的構(gòu)造深度平均值Fig. 6 Average texture depth of mixture indifferent segregation degrees

綜上所述，基于壓實離析與溫度離析所引起的空隙率變化對混合料構(gòu)造深度影響較小，而集料離析對混合料構(gòu)造深度的影響呈現(xiàn)出良好的規(guī)律性，因此，可以通過檢測路表構(gòu)造深度的變異情況來判別瀝青路面的集料離析情況，依此評價瀝青混合料的攤鋪均勻性。

5 結(jié)論

1) 集料、成型溫度和壓實次數(shù)均會顯著影響瀝青混合料的密度。基于密度指標(biāo)對瀝青路面施工變異性具有較高的敏感性，本文建議采用密度作為路面總體施工穩(wěn)定性的檢測指標(biāo)，可以采用無損檢測技術(shù)諸如無核密度儀快速檢測瀝青路面現(xiàn)場密度。

2) 混合料發(fā)生粗集料離析后，即使在充分壓實情況下，也無法達到要求的空隙率；當(dāng)成型溫度大于145 ℃時，混合料的密度主要受集料離析程度的影響。

3) 在本試驗?zāi)M的離析條件下，當(dāng)車轍板碾壓次數(shù)超過 20后，碾壓次數(shù)的變化對其表面構(gòu)造深度的影響很小。即瀝青路面施工沒有發(fā)生極端壓實不均勻的情況時，壓實離析或溫度離析對瀝青路面構(gòu)造深度的影響可以忽略。

4) 不同程度集料離析的混合料構(gòu)造深度與無離析混合料的有著明顯的差異，且離析程度越嚴重差異性越大，構(gòu)造深度變化的規(guī)律為細集料離析＜無離析＜粗集料離析。

5) 集料離析對混合料構(gòu)造深度的影響呈現(xiàn)出良好的規(guī)律性，因此，可以通過檢測路表構(gòu)造深度的變異情況來判別瀝青路面的集料離析情況，依此評價瀝青混合料攤鋪均勻性。

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