寒冷地區(qū)瀝青路面低溫施工壓實(shí)度控制試驗(yàn)分析

(1.益陽(yáng)市交通規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)院， 湖南 益陽(yáng) 413000; 2.瀏陽(yáng)現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)建設(shè)投資開(kāi)發(fā)有限公司， 湖南 瀏陽(yáng) 410300;3.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410015)

0 引言

瀝青混合料攤鋪后的后續(xù)工作之一就是壓實(shí)，壓實(shí)度是評(píng)定壓實(shí)的關(guān)鍵指標(biāo)，受多種因素影響，如攤鋪厚度、碾壓溫度、機(jī)械設(shè)備、壓實(shí)工藝參數(shù)等，如若對(duì)這些因素控制不當(dāng)，很容易造成壓實(shí)度不足等問(wèn)題，尤其是寒冷地區(qū)的壓實(shí)控制就更需要現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)來(lái)確定壓實(shí)施工參數(shù)[1-2]。一般來(lái)說(shuō)，壓實(shí)機(jī)械設(shè)備的功率越大越有利于壓實(shí)，壓實(shí)時(shí)需要保持較高的壓實(shí)溫度[3]。已有研究表明，一定程度上提高攤鋪厚度會(huì)影響路面壓實(shí)度，碾壓溫度越高越利于壓實(shí)，但為防止瀝青老化碾壓溫度也不能過(guò)高。瀝青混合料攤鋪厚度與碾壓溫度對(duì)瀝青路面壓實(shí)度影響程度值得試驗(yàn)分析，并且兩者影響程度的強(qiáng)弱也需要試驗(yàn)確定，從而確定實(shí)現(xiàn)相同壓實(shí)度下攤鋪厚度與碾壓溫度的等效轉(zhuǎn)換關(guān)系。寒冷地區(qū)瀝青路面低溫壓實(shí)控制的效果決定了整個(gè)瀝青路面施工質(zhì)量的好壞及后期維護(hù)的頻次，科學(xué)地進(jìn)行施工過(guò)程中的規(guī)律性檢測(cè)和分析，對(duì)于確保寒冷地區(qū)瀝青路面施工過(guò)程中質(zhì)量控制具有較大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)價(jià)值[4]。本文基于寒冷地區(qū)低溫特點(diǎn)，對(duì)瀝青路面低溫施工壓實(shí)度控制技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)分析，并確定合適的壓實(shí)時(shí)間，從而指導(dǎo)寒冷地區(qū)瀝青路面施工實(shí)踐。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

在選擇瀝青時(shí)，應(yīng)根據(jù)道路所在地區(qū)的氣候條件，綜合道路等級(jí)、交通量、交通荷載、路面結(jié)構(gòu)等因素，選擇適用的瀝青種類和標(biāo)號(hào)。試驗(yàn)公路所在地區(qū)為高寒氣候特征，極端最低氣溫為-39.2℃，且夏季同樣存在高溫時(shí)期，極端最高氣溫35.3 ℃，屬于夏熱冬嚴(yán)寒氣候區(qū)，因此在選擇瀝青標(biāo)號(hào)時(shí)需要著重考慮其低溫性能，同時(shí)兼顧高溫性能。

經(jīng)專家論證，本項(xiàng)目生產(chǎn)改性瀝青的基質(zhì)瀝青采用90號(hào)A級(jí)道路石油瀝青?？紤]到高寒氣候和太陽(yáng)高輻射自然條件，以及瀝青老化迅速的特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)認(rèn)真研究和性能對(duì)比，采用SBS改性劑改性90號(hào)石油瀝青。SBS改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

試驗(yàn)所用粗集料及細(xì)集料均滿足技術(shù)要求，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2、表3。試驗(yàn)選用的其他原材料經(jīng)相關(guān)試驗(yàn)檢驗(yàn)均合格。

1.2 試驗(yàn)方法

基于馬歇爾擊實(shí)法制作相應(yīng)的成型試件，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，來(lái)確定相同壓實(shí)功下試件的密度與攤鋪厚度和碾壓溫度之間的關(guān)系。采用與馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)厚度63.5 mm遞增的預(yù)定厚度(即63.5、68.5、73.5、78.5、83.5 mm)作為參數(shù)。馬歇爾擊實(shí)試件的密度用表干法測(cè)試獲得，其中表干法測(cè)試試件如圖1所示。制作試件時(shí)對(duì)試件正反兩面均擊實(shí)75次，擊實(shí)中穩(wěn)定溫度，預(yù)先設(shè)置擊實(shí)厚度，同時(shí)對(duì)成型試件進(jìn)行不同溫度下的成型密度和空隙率測(cè)試。

表1 SBS改性瀝青各項(xiàng)指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果類別針入度(25 ℃)/(0.1 mm)軟化點(diǎn)/℃延度(5 ℃)/cm針入度指數(shù)PI閃點(diǎn)COC/℃質(zhì)量損失/%殘留針入度比(25 ℃)/%殘留延度(5 ℃)/cm密度(15 ℃)/(g·cm-3)設(shè)計(jì)要求60～80>65>20≥-0.4≥230-1～1.0≥60≥20實(shí)測(cè)值檢測(cè)結(jié)果74.473.544-0.3246-0.169.932.61.004

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果類別壓碎值/%表觀密度/(t·m-3)針片狀含量/%0.075 mm以下顆粒/%軟石含量/%堅(jiān)固性/%與瀝青粘附性/級(jí)洛彬機(jī)磨耗損/%規(guī)范要求≤20≥2.65≤18≤1≤3≤12≥4≤25檢測(cè)結(jié)果19～26.5 mm—2.7405.60.31.21.4—14.99.5～19 mm13.52.7396.90.61.3—413.54.75～9.5 mm—2.7428.80.61.1——14.22.36～4.75 mm—2.750—0.8———17.0

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果類別表觀密度/(t·m-3)含泥量/%亞甲藍(lán)值/(g·kg-1)0.075 mm通過(guò)率/%砂當(dāng)量/%棱角性/s堅(jiān)固性/%規(guī)范要求≥2.6≤3≤3<10≥75≥30≤10檢測(cè)結(jié)果2.7251.41.26.48040.84.0

圖1 表干法測(cè)試試件

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 溫度-擊實(shí)高度對(duì)試件影響分析

設(shè)置5組溫度值為:100、110、120、130、150 ℃，設(shè)置預(yù)擊實(shí)高度為：63.5、68.5、73.5、78.5、83.5 mm。各組試件擊實(shí)后的高度值如圖2所示，不同壓實(shí)溫度下的最終成型密度見(jiàn)表4，不同預(yù)擊實(shí)高度及不同壓實(shí)溫度下的試件成型密度值如圖3所示。

圖2 不同成型溫度-不同預(yù)擊實(shí)高度下的實(shí)際擊實(shí)高度曲線

表4 不同壓實(shí)溫度下的最終成型密度預(yù)計(jì)擊實(shí)高度/mm不同溫度(℃)下的成型密度/(g·cm-3)100110120130150均值63.52.3652.4232.4492.4682.5132.44468.52.3762.3982.4242.4382.4802.42373.52.3782.3792.3982.4242.4392.40478.52.3122.3902.4222.4792.4012.40183.52.3002.4132.4212.3982.4132.389

圖3 不同預(yù)擊實(shí)高度-壓實(shí)溫度下的成型密度

圖2為不同溫度對(duì)試件的擊實(shí)高度影響結(jié)果，當(dāng)擊實(shí)溫度達(dá)到100 ℃后，隨著擊實(shí)溫度的增大，擊實(shí)高度變化不大，與預(yù)計(jì)擊實(shí)高度值較為接近，可見(jiàn)，壓實(shí)溫度對(duì)擊實(shí)高度影響可忽略不計(jì)。

圖3為不同壓實(shí)溫度下的成型密度，同一擊實(shí)高度下，溫度越高，成型密度越大，如63.5 mm擊實(shí)高度下100 ℃和150 ℃的成型密度差值達(dá)到了0.16 g/cm3左右，但同一溫度下，不同擊實(shí)高度下的成型密度變化規(guī)律不明顯，受擊實(shí)高度影響較小。同一溫度下，如溫度為100 ℃時(shí)，隨著預(yù)擊實(shí)高度的增加，成型密度呈現(xiàn)出波動(dòng)變化，最大、最小成型密度差值為0.007 8 g/cm3；而當(dāng)擊實(shí)高度保持63.5 mm不變時(shí)，最大溫度與最小溫度下的成型密度差值達(dá)到0.148 g/cm3?？梢?jiàn)，瀝青混合料擊實(shí)溫度變化對(duì)密度產(chǎn)生的影響大于擊實(shí)高度變化所產(chǎn)生的影響，即溫度比厚度更影響瀝青混合料壓實(shí)度。寒冷地區(qū)瀝青路面低溫施工時(shí)，瀝青結(jié)構(gòu)層較厚時(shí)碾壓形成的壓實(shí)度好于瀝青結(jié)構(gòu)層較薄時(shí)的碾壓密實(shí)度，主要原因是較厚瀝青層的散熱量較較薄瀝青層的散熱量小，能夠持續(xù)保持一定溫度時(shí)間長(zhǎng)，因而更利于混合料成型。

2.2 壓實(shí)度-擊實(shí)次數(shù)相關(guān)性試驗(yàn)分析

為綜合分析瀝青混合料成型溫度與密實(shí)度間的關(guān)系，進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn)，以成型溫度為變量，一共設(shè)置5組溫度值：150、130、120、110、100 ℃，試驗(yàn)過(guò)程中技術(shù)內(nèi)容有：變換正反擊打次數(shù)，對(duì)擊實(shí)功率進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行密度測(cè)量，進(jìn)而獲得不同擊實(shí)功下的混合料最終成型密度，將最終成型密度除以混合料理論密度，進(jìn)而換算為理論密實(shí)度，具體的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同試件成型溫度下壓實(shí)度與正反擊打次數(shù)關(guān)系

由圖4可知，馬歇爾擊實(shí)次數(shù)與馬歇爾密度曲線可以分為3個(gè)階段：快速增長(zhǎng)階段、增長(zhǎng)放慢階段、穩(wěn)定不變階段。3個(gè)階段對(duì)應(yīng)的馬歇爾擊實(shí)次數(shù)不同，如快速增長(zhǎng)階段的擊實(shí)次數(shù)范圍為0～35次，增長(zhǎng)放慢階段的擊實(shí)次數(shù)范圍為35～80次。隨著馬歇爾擊實(shí)次數(shù)的增加，馬歇爾密度值呈現(xiàn)了先快速增加，后保持不變的趨勢(shì)。同一馬歇爾密度下，對(duì)應(yīng)不同成型溫度下的壓實(shí)次數(shù)，如100 ℃時(shí)的80次馬歇爾密度值對(duì)應(yīng)于120 ℃時(shí)的15次馬歇爾密度值，顯然120 ℃時(shí)的擊實(shí)效率顯著高于100 ℃成型溫度時(shí)的壓實(shí)效率。

100 ℃時(shí)的理論壓實(shí)度最高可達(dá)96%，對(duì)于高速公路而言，壓實(shí)度要求不低于98%，因而采用100 ℃的成型溫度是難以獲得規(guī)定的壓實(shí)度值的。當(dāng)溫度達(dá)到110 ℃時(shí)可以獲得98.6%的壓實(shí)度，滿足高速公路壓實(shí)度規(guī)定要求，因而可以確定110 ℃能夠作為高速公路的最低壓實(shí)溫度。

2.3 成型溫度-空隙率相關(guān)性分析

檢測(cè)不同成型溫度(90～170 ℃，以10 ℃為增量)時(shí)成型試件的空隙率，具體檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同成型溫度下的空隙率變化趨勢(shì)

由圖5可知，隨著溫度的增加，試件的空隙率逐漸減小，但在溫度達(dá)到110 ℃后空隙率減少趨勢(shì)變緩，可將110 ℃認(rèn)定為瀝青混合料壓實(shí)的關(guān)鍵控制溫度，一旦壓實(shí)溫度低于該值時(shí)，隨著溫度降低，空隙率增加值顯著。一般地，對(duì)于指標(biāo)在其性能迅速下降階段的初始溫度所對(duì)應(yīng)的溫度稱之為臨界溫度，本次試驗(yàn)中確定的臨界溫度值為110 ℃。

瀝青材料的空隙率決定了瀝青路面的密實(shí)性，瀝青路面必須具備一定的密實(shí)性，因此保持瀝青材料的空隙率不超過(guò)規(guī)定值很重要。

3 路面低溫施工碾壓時(shí)間控制分析

選擇110 ℃作為高速公路瀝青混合料施工的最低控制溫度，以外界氣溫為研究變量，設(shè)置多個(gè)外界施工氣溫值，考察150 ℃及170 ℃時(shí)瀝青混合料的有效碾壓時(shí)間，即瀝青混合料出場(chǎng)溫度降低到最低控制溫度時(shí)的時(shí)間。分析時(shí)認(rèn)為瀝青上面層厚4～5 cm，瀝青下面層厚6～8 cm，同時(shí)假定8 cm厚度為瀝青厚層與薄層分界厚度，具體的試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，施工外界氣溫造成了瀝青混合料的有效碾壓時(shí)間不同，具體表現(xiàn)為：隨著外界施工氣溫的逐漸增大，瀝青混合料的有效碾壓時(shí)間逐漸增大，尤其是瀝青下面層的有效碾壓時(shí)間增長(zhǎng)最為明顯。瀝青混合料的出場(chǎng)溫度不同，有效碾壓時(shí)間也有差異，170 ℃的碾壓時(shí)間較150 ℃的碾壓時(shí)間多。尤其是要注意-1 ℃施工時(shí)，170 ℃出場(chǎng)溫度的上面層的有效碾壓時(shí)間低于10 min，這是不利于現(xiàn)場(chǎng)施工的，可能造成后期瀝青路面質(zhì)量問(wèn)題。因此，對(duì)于寒冷地區(qū)高速公路，為確保98%壓實(shí)度，需提高混合料有效碾壓時(shí)間，才能確保壓實(shí)度滿足要求。

圖6 不同出場(chǎng)溫度及不同面層的有效碾壓時(shí)間關(guān)系曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要結(jié)論如下：

1) 壓實(shí)溫度對(duì)擊實(shí)高度影響可忽略不計(jì)，同一擊實(shí)高度下，溫度越高，成型密度越大，但同一溫度下，不同擊實(shí)高度下的成型密度受擊實(shí)高度影響較小。

2) 溫度對(duì)成型密度的影響更甚于攤鋪厚度所產(chǎn)生的影響。低溫工況下進(jìn)行路面施工時(shí)，結(jié)構(gòu)層較厚的路面由于溫度衰減緩慢，碾壓過(guò)程中溫度大多高于薄層的，因此較厚的路面攤鋪厚度更有利于混合料的壓實(shí)。

3) 100 ℃時(shí)的理論壓實(shí)度最高可達(dá)96%，對(duì)于高速公路而言，壓實(shí)度要求不低于98%，因而采用100 ℃的成型溫度是難以獲得規(guī)定的壓實(shí)度的。當(dāng)溫度達(dá)到110 ℃時(shí)可以獲得98.6%的壓實(shí)度，滿足高速公路壓實(shí)度規(guī)定要求，因而可以確定110 ℃能夠作為高速公路的最低壓實(shí)溫度，110 ℃也是材料達(dá)到穩(wěn)定空隙率的臨界溫度。

4) 對(duì)于寒冷地區(qū)高速公路，為確保98%壓實(shí)度，需提高混合料有效碾壓時(shí)間，才能確保壓實(shí)度滿足要求。