嵌入式抗滑表層施工工藝參數(shù)研究

周志剛，羅靖，曹長斌

(1. 長沙理工大學 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點試驗室，湖南 長沙 410114；2. 廣西交通投資集團有限公司，廣西 南寧 530000)

瀝青路面的主要材料包括瀝青和集料。隨著中國高等級公路的飛速發(fā)展，對優(yōu)質(zhì)石料的需求也越來越多。優(yōu)質(zhì)的石料不僅影響到路面的使用壽命，也可以提供較好的抗滑耐磨性能。嵌入式抗滑表層(Hot Rolled Asphalt，簡稱為HRA)不僅可以大量節(jié)約優(yōu)質(zhì)石料，也可以提供較好的抗滑性能。該路面是在攤鋪好的斷級配細粒式混凝土(嵌入層)上撒鋪一層單一粒徑且抗滑耐磨的預拌瀝青碎石(撒鋪層)，最后通過碾壓形成的路面結(jié)構(gòu)。

嵌入式抗滑表層路面在英國應用較多。近年來，中國的學者們也開始對嵌入式抗滑表層路面進行研究。邴桂斌[1]在英國 HRA修筑技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上，針對中國的氣候和交通條件進行了研究，提出了相應的改進措施。劉勇[2-3]等人以國道G318線康東段改建項目為依托，對嵌入式抗滑表層混合料的集料組成和配合比進行了研究。李楊[4]等人對HRA的抗車轍性能進行了研究。陸陽[5]等人對HRA的高溫粘彈塑性進行了研究。但人們對 HRA的研究集中在配合比和路用性能方面，而在施工工藝、工程實踐和質(zhì)量控制方面研究得較少。嵌入式抗滑表層的結(jié)構(gòu)和施工過程與中國其他普通瀝青路面的結(jié)構(gòu)和施工過程存在著明顯的差別。對 HRA的施工工藝進行系統(tǒng)全面的研究極為重要，關(guān)系到路面的使用性能和壽命，也是保證施工質(zhì)量的重要依據(jù)。因此，作者擬通過室內(nèi)模擬試驗，對施工工藝中涉及到的多個關(guān)鍵因素進行研究，以期推薦一種最優(yōu)的組合，為HRA路面的鋪筑提供參考。

1 試驗材料及配合比

1.1 瀝青

本試驗采用的瀝青為SBS I-D改性瀝青，其中，SBS的摻量為4.7%。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程(JTG E20-2011)》中的試驗方法進行了檢測，其性能指標(見表1)均滿足規(guī)范要求。

1.2 集料與級配

本試驗嵌入層所用粗、細集料均為石灰?guī)r，撒鋪層顆粒為玄武巖。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40—2004)》，集料的各項性能指標(見表2)均滿足規(guī)范要求。采用英國標準BS EN 13108-4[6]中給出的C型級配進行礦料級配，見表3。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)性能Table 1 Technical index of the SBS modified asphalt

表2 瀝青混合料集料技術(shù)特性Table 2 Technical index of aggregate in the asphalt mixture

表3 嵌入層瀝青混合料級配組成Table 3 Embedded layer aggregate grade of the asphalt mixture

2 正交試驗設(shè)計

2.1 正交試驗

正交試驗是一種能夠分析多個因素多個水平的實驗設(shè)計方法。通過正交試驗，選出具有代表性的試驗組，再對試驗結(jié)果進行處理，得出最優(yōu)的因素組合方案。正交試驗具有效率高、可減少大量實驗次數(shù)的優(yōu)點[7]。

2.2 因素和水平的選擇

影響嵌入式抗滑表層施工工藝參數(shù)的因素眾多，本次實驗選取了幾個關(guān)鍵性控制因素，包括：預拌碎石撒鋪量、預拌碎石粒徑、拌和溫度、攤鋪溫度、碾壓溫度及壓實功。英國規(guī)范BS 594987—2015[8]中推薦的撒鋪碎石量為9～17 kg/m2；撒鋪碎石粒徑為9.5～13.2 mm。根據(jù)中國《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40-2004)》，瀝青混合料最低施工拌和、攤鋪和碾壓溫度分別為170,160和150 ℃，且不同的拌合溫度對改性瀝青混合料的性能有一定影響[9]；試件高度為150 mm時的壓實功為80 kN，試件高度為63.5 mm時的壓實功為125 kN。為了簡化正交試驗，將拌和、攤鋪和碾壓溫度合并為施工溫度這一個因素。本次正交實驗在規(guī)范推薦值的范圍內(nèi)選取，或上、下浮動一定的值進行設(shè)計，見表4。

表4 正交試驗的因素和水平Table 4 Factors and levels of orthogonal test

2.3 評價指標

嵌入式抗滑表層不僅要求具有良好的高溫穩(wěn)定性，還需具有抗滑耐磨以及撒鋪層嵌入效果較好的性能。因此，通過進行SPT靜態(tài)蠕變試驗、肯塔堡飛散試驗、手工鋪砂試驗及壓實度試驗，測定試件的流變時間、穩(wěn)定階段斜率、飛散損失、構(gòu)造深度及壓實度等，評價并得出最佳施工工藝參數(shù)。試件采用靜壓成型方式，其中，SPT靜態(tài)蠕變試驗試件高度為 150 mm，其他試驗試件高度均為63.5 mm。

2.4 正交試驗方案

根據(jù)本試驗選取L9(34)正交試驗表開展試驗，正交試驗方案見表5。

表5 正交試驗方案Table 5 Scheme of orthogonal test

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 正交試驗結(jié)果

9組試驗的SPT靜態(tài)蠕變試驗、飛散試驗、手工鋪砂試驗及壓實度試驗的結(jié)果見表6。

表6 正交試驗結(jié)果Table 6 Results of orthogonal test

3.2 不同因素對高溫性能影響的分析

采用直觀分析方法，計算某一因素在同一水平試驗組下的平均值，對其在不同水平下的變化趨勢進行了分析，通過比較每個因子在不同水平均值的大小來判斷該水平的好壞，用同一因素在不同水平的極差來判斷該因素對指標的影響程度。

在SPT靜態(tài)蠕變試驗中，根據(jù)流變時間的大小來判別高溫性能的好壞，流變時間越大，越不容易發(fā)生剪切破壞，高溫性能越好，穩(wěn)定階段斜率越小(穩(wěn)定階段斜率與車轍試驗結(jié)果具有很好的相關(guān)性)。表明：試件在高溫條件下的變形越慢，耐高溫性越好。根據(jù)這2個指標來綜合判斷高溫性能[10]。

不同因素對高溫性能影響的直觀分析結(jié)果見表 7。高溫性能各指標隨因素和水平的變化規(guī)律如圖1所示。從流變時間和穩(wěn)定階段斜率這2個控制指標的極差大小看出，壓實功對高溫性能的影響明顯大于其他3種影響因素。隨著壓實功的增大，流變時間變長且穩(wěn)定階段斜率也降低。這是因為增大壓實功使得撒鋪層的嵌入效果更好，使得嵌入層與撒鋪層能更好地結(jié)合。對高溫性能影響程度由大到小的順序為：壓實功、撒鋪碎石粒徑、施工溫度和撒鋪量。

表7 高溫性能各指標極差分析Table 7 Range analysis of high-temperatureperformance index

圖1 高溫性能各指標隨因素和水平的變化規(guī)律Fig. 1 Variation of high-temperature performance index with factor level

3.3 不同因素對粘結(jié)性影響的分析

通過開展肯塔堡飛散試驗，測定瀝青混合料試件質(zhì)量損失率來評價粘結(jié)性能。試驗的目的是得出撒鋪層碎石的質(zhì)量損失率，但飛散試驗的結(jié)果為全部顆粒的質(zhì)量損失率。為了區(qū)分嵌入層和撒鋪層顆粒的散落情況，撒鋪層的實際損失率采用2種方法：①按照同樣制備工藝分別成型加撒鋪碎石的試件和不加撒鋪碎石的試件，通過計算單位面積的飛散損失來得出撒鋪層損失比例[11-12]；②在試件成型后，利用防水高黏的環(huán)氧地坪漆，對試件表面的撒鋪層碎石進行染色。飛散試驗后，取染色顆粒來計算撒鋪層碎石的損失率。為了檢驗試件在高溫、濕熱狀態(tài)下瀝青老化對粘結(jié)性能的影響，分別開展普通標準飛散和浸水飛散，其中：普通標準飛散試驗試件在20±0.5 ℃的恒溫水槽中養(yǎng)生20 h，浸水飛散試驗試件現(xiàn)在60±0.5 ℃恒溫水槽中養(yǎng)生48 h。

然后，在室溫中放置24 h。

不同影響因素對粘結(jié)性能的結(jié)果見表 8。通過計算得出的撒鋪層飛散損失隨因素和水平的變化規(guī)律如圖2所示。通過染色得出的撒鋪層顆粒損失隨因素和水平的變化規(guī)律如圖3所示。從圖2,3中可以看出，撒鋪量對粘結(jié)性的影響最大，撒鋪碎石損失率隨著撒鋪量的增大而增加，其原因是：隨著撒鋪顆粒變多，嵌入層的細集料不足以被擠上來包裹住撒鋪層顆粒，嵌入層和撒鋪層的粘結(jié)主要通過瀝青之間的粘結(jié)作用，其次是施工溫度對粘結(jié)性的影響較大。隨著施工溫度升高，損失率逐漸變小。這是因為溫度過低時，嵌入層瀝青混凝土變硬，而導致嵌入效果不好。施工時，應注意溫度的控制，避免溫度過低而導致壓實嵌入效果不好[13]。飛散損失率受撒鋪碎石粒徑和壓實功的影響不大。因此，對嵌入式抗滑表層粘結(jié)性影響程度由大到小的順序為：撒鋪量、施工溫度、壓實功和撒鋪碎石粒徑。

3.4 不同因素對抗滑性能影響的分析

對構(gòu)造深度的影響結(jié)果見表 9。構(gòu)造深度隨因素和水平的變化規(guī)律如圖4所示。碎石的撒鋪量和粒徑對構(gòu)造深度的影響較大。隨著撒鋪量的增加，構(gòu)造深度變大。這是因為撒鋪量增加時，試件單位面積內(nèi)撒鋪碎石露在外面的體積增大。施工溫度和壓實功的變化對構(gòu)造深度的影響不明顯。對試件表面抗滑性能影響程度由大到小的順序為：撒鋪量、撒鋪碎石粒徑、壓實功和施工溫度。隨著構(gòu)造深度的增加，該試件的表面抗滑性能變好。當構(gòu)造深度過大時，撒鋪碎石與嵌入層的粘結(jié)性能變差，嵌入效果不好，撒鋪碎石容易脫落，抗滑性能會變得更差。因此，在滿足粘結(jié)性的基礎(chǔ)上，選擇較大構(gòu)造深度所對應的施工參數(shù)。

表8 粘結(jié)性能各指標極差分析Table 8 Range analysis of bonding performance index

圖2 計算得飛散損失隨因素和水平的變化規(guī)律Fig. 2 Variation of cantabro test wastage indicators with factor level

圖3 染色顆粒損失隨因素水平變化規(guī)律Fig. 3 Variation of grain wastage indicators with factor level

表9 構(gòu)造深度極差分析Table 9 Range analysis of tectonic depth

圖4 構(gòu)造深度隨因素和水平的變化規(guī)律Fig. 4 Variation of tectonic depth with factor level

3.5 不同因素對密實性影響的分析

開展密實性試驗時，不需要撒鋪碎石，影響因素只有施工溫度和壓實功。其極差分析見表10。壓實度隨因素和水平的變化規(guī)律如圖5所示。從表10和圖5中可以看出，壓實功對密實性的影響程度比施工溫度的大。壓實度越大，表明密實效果越好。

表10 壓實度極差分析Table 10 Range analysis of compaction

圖5 壓實度隨因素和水平的變化規(guī)律Fig. 5 Variation of compaction with factor level

4 工藝參數(shù)確定

不同控制指標下各因素的最優(yōu)水平見表11。撒鋪量在4種控制指標下分別得出了不同的結(jié)果。從影響程度判斷，撒鋪量對粘結(jié)性能和抗滑性能的影響最大，對高溫性能的影響較小。當撒鋪量為 9 kg/m2時的粘結(jié)性能最好；當撒鋪量為15 kg/m2時的抗滑性能最好，出現(xiàn)了2種極端情況。若考慮粘結(jié)性勢必會影響抗滑性能。若抗滑性能好時，顆粒間粘結(jié)嵌入效果較差，容易導致碎石脫落。經(jīng)綜合考慮，選取撒鋪量為12 kg/m2。施工時，建議撒鋪量范圍為 10～12 kg/m2。

撒鋪碎石粒徑對高溫性能和抗滑性能的影響較大，而對粘結(jié)性的影響較小。當碎石粒徑為9.5～13.2 mm時，其抗滑性能最好；當碎石粒徑為4.75～9.5 mm時，其高溫性能最好；且這2種粒徑對抗滑性能和高溫性能的影響波動均不大?？紤]到后期的長期磨耗，選取撒鋪碎石粒徑為9.5～13.2 mm。

根據(jù)流變時間，確定最佳拌合-攤鋪-碾壓溫度為170-160-150 ℃；根據(jù)穩(wěn)定階段斜率，確定施工溫度為180-170-160 ℃；且采用這2種施工溫度時，流變時間的變化僅為2.5%。施工溫度越高尤其是碾壓溫度越高，撒鋪層與嵌入層之間的粘結(jié)性越好。當施工溫度大于170-160-150 ℃時，飛散損傷的變化趨于緩慢。隨溫度的升高，壓實度的升高也變緩。因此，從能源消耗和瀝青高溫老化這2個方面考慮，選定拌合-攤鋪-碾壓溫度為170-160-150 ℃。施工中拌和溫度的建議范圍為170～180 ℃，攤鋪溫度的建議范圍為 160～170 ℃，初壓溫度的建議范圍為150～160 ℃，終壓結(jié)束時溫度不宜低于90 ℃。

壓實功對高溫性能和密實性的影響最大，而對粘結(jié)性和抗滑性能的影響最小。當壓實功為90(135)kN時，混合料的高溫性能和密實性都最好。因此，選定壓實功為90(135) kN。施工中，初壓應在混合料攤鋪后較高溫度時進行，可采用10～12 t雙鋼輪壓路機靜壓1～2遍；復壓可采用6～10 t振動碾壓3～4次；終壓時，使用8～15 t膠輪壓路機碾壓2～3次；最后，再用雙輪壓路機靜壓收面壓實2次。

表11 各控制指標下各因素最優(yōu)水平表Table 11 Optimal level of each factor under each control index

5 結(jié)論

1) 正交試驗結(jié)果表明，在選定的4種關(guān)鍵因素中，壓實功對嵌入式抗滑表層高溫性能的影響最大，撒鋪碎石粒徑和施工溫度的影響次之，撒鋪量的影響最小。高溫性能隨著壓實功的增大而變好。

2) 撒鋪層和嵌入層的粘結(jié)性受撒鋪量的影響最大。撒鋪量越多，粘結(jié)性越差，撒鋪碎石越容易脫落。其次受施工溫度的影響較大。施工溫度降低時，粘結(jié)性將變差。粘結(jié)性隨撒鋪碎石粒徑和壓實功的變化最小。

3) 撒鋪碎石粒徑和撒鋪量對嵌入式抗滑表層抗滑性能的影響較大。當粒徑和撒鋪量增大時，表面構(gòu)造深度變大，但此時粘結(jié)性又變小，應選用合適的撒鋪粒徑和撒鋪量。

4) 嵌入式抗滑表層施工工藝各關(guān)鍵因素的最佳組合為：撒鋪量12 kg/m2、撒鋪碎石粒徑9.5～13.2 mm、拌合-攤鋪-碾壓溫度為170-160-150 ℃、壓實功90(135) kN。施工時，各參數(shù)宜在推薦范圍內(nèi)。