碾壓組合工藝對(duì)瀝青面層壓實(shí)度與抗滑性能的綜合影響

咸紅偉，陳富達(dá)

(1.廣東省公路建設(shè)有限公司，廣州 510623；2.華南理工大學(xué)，廣州 510641；3.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司，廣州 510640)

0 引言

工程實(shí)踐表明，瀝青路面的壓實(shí)度是影響瀝青路面早期損害及其使用壽命的關(guān)鍵因素[1]。若壓實(shí)度偏低，瀝青路面將更容易產(chǎn)生坑槽、車轍與松散等病害。早期建設(shè)的高速公路路面施工過程中一般通過簡(jiǎn)單的增加鋼輪、膠輪壓路機(jī)的碾壓次數(shù)來提高壓實(shí)度。然而，此類做法雖大多數(shù)情況下能滿足瀝青路面堅(jiān)實(shí)、耐久的結(jié)構(gòu)性能需求，但同時(shí)也較大地削弱了瀝青路面安全抗滑的功能屬性要求。壓實(shí)度過高，往往以犧牲瀝青路面早期抗滑性能為代價(jià)，具體表現(xiàn)為過度碾壓造成瀝青路面表面構(gòu)造深度變小，集料“臥倒”比例過高、集料表面被壓碎等。因此，如何科學(xué)確定碾壓組合工藝與不同碾壓工藝的實(shí)施時(shí)機(jī)，在確保瀝青路面壓實(shí)度的同時(shí)，維持道路表面具有足夠的粗糙度，是瀝青路面表面層施工的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。

近年來，國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者在瀝青面層碾壓工藝方面開展了大量的研究，但大多集中于碾壓工藝與壓實(shí)度的關(guān)聯(lián)性研究，對(duì)于碾壓與路面結(jié)構(gòu)性和路表功能屬性的綜合關(guān)系研究較少。廖宏、Crispino M等人通過碾壓設(shè)備選型、改善碾壓組合工藝的方式，提高了瀝青路面的壓實(shí)度質(zhì)量[2-3]；Hanguang L等人從能量等效角度分析了瀝青混合料壓實(shí)特性與碾壓遍數(shù)的相關(guān)性[4]；石鑫、楊曉光、Plati等人分別通過采用建立碾壓溫度場(chǎng)數(shù)值分析模型與紅外熱成像的方式探究了碾壓溫度對(duì)瀝青混合料壓實(shí)特性的影響[5-7]。有的學(xué)者如劉志華和肖常青等人分別探究了不同碾壓工藝對(duì)新建SMA路面和抗滑表層AK-13的初始抗滑性能的影響程度[8-9]，但對(duì)碾壓與結(jié)構(gòu)性要求的關(guān)系未做充分論證。

鑒于目前針對(duì)碾壓工藝與成型路面的壓實(shí)度、初始抗滑性能的綜合研究較少，本文通過依托廣東省某高速公路建設(shè)項(xiàng)目的瀝青上面層，采用路面激光抗滑儀和無核密度儀等對(duì)不同碾壓組合工藝與瀝青路面壓實(shí)度與抗滑性能的相關(guān)性開展了研究。

1 試驗(yàn)段鋪筑

1.1 原材料

瀝青材料采用廣東南粵物流實(shí)業(yè)有限公司供應(yīng)的SBS改性瀝青(PG76-22)，粗集料采用貴港市石牛嶺石場(chǎng)生產(chǎn)的10～18mm、5～10mm和3～5mm輝綠巖碎石，細(xì)集料采用自加工的0～3mm石灰?guī)r機(jī)制砂，填料采用興安縣鴻翔礦石粉廠生產(chǎn)的石灰?guī)r礦粉。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，原材料的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足規(guī)范與設(shè)計(jì)要求。

1.2 混合料級(jí)配組成

結(jié)合廣東地區(qū)長(zhǎng)期炎熱多雨的氣候特點(diǎn)，瀝青上面層采用GAC-16C改進(jìn)型骨架密實(shí)型級(jí)配。以4.75mm篩孔作為關(guān)鍵控制點(diǎn)調(diào)整礦料組成，適當(dāng)增加粗集料用量，搭建混合料的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，以提高瀝青上面層的高溫抗車轍能力以及抗滑耐久性。根據(jù)不同粒徑規(guī)格礦料的篩分結(jié)果，試驗(yàn)合成目標(biāo)配合比后，調(diào)整各檔規(guī)格料熱料篩分及試拌試鋪效果，調(diào)整得到試驗(yàn)段施工采用的生產(chǎn)配合比，如圖1所示。

圖1 GAC-16C生產(chǎn)配合比級(jí)配曲線

1.3 碾壓組合方案

項(xiàng)目采用1臺(tái)中大DT1900型攤鋪機(jī)、3臺(tái)鋼輪壓路機(jī)與3臺(tái)膠輪壓路機(jī)進(jìn)行瀝青上面層試驗(yàn)段鋪筑碾壓，瀝青混合料生產(chǎn)油石比為4.6%。施工樁號(hào)為YK353+600～YK354+650，共攤鋪1.05km。試驗(yàn)段鋪筑當(dāng)天共采用4種不同的碾壓方案進(jìn)行比選，其中初壓均為雙鋼輪前靜后振1遍，終壓均為雙鋼輪收光1～2遍。復(fù)壓方案有所區(qū)別，分別為方案一：鋼輪7遍+膠輪2遍； 方案二：鋼輪5遍+膠輪2遍；方案三：鋼輪4遍+膠輪2遍；方案四：鋼輪3遍+膠輪2遍+鋼輪2遍。

2 級(jí)配驗(yàn)證與溫度控制

2.1 瀝青含量及礦料級(jí)配驗(yàn)證

對(duì)4個(gè)碾壓段落的GAC-16C瀝青混合料分別進(jìn)行取樣，采用燃燒法驗(yàn)證其瀝青用量與礦料級(jí)配的變異性，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，4個(gè)碾壓段落的GAC-16C瀝青混合料的礦料級(jí)配與瀝青含量基本一致，與生產(chǎn)配合比的偏差亦滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 四種碾壓方案的燃燒篩分結(jié)果比對(duì)

2.2 現(xiàn)場(chǎng)溫度控制

施工過程中的保溫措施完善，裝載混合料的運(yùn)輸車均用符合要求的篷布滿幅覆蓋，且嚴(yán)格控制在前一輛車開始卸料時(shí)方才掀開篷布，防止混合料溫度散失；另外，各施工工序?qū)嵤┹^為緊湊，按照及時(shí)卸料、不間斷攤鋪、緊跟碾壓的原則開展作業(yè)，確?；旌狭显诟魇┕るA段的溫度變異較小。各碾壓方案的卸料溫度與復(fù)壓溫度(初壓結(jié)束后)統(tǒng)計(jì)如圖3所示。

圖3 不同碾壓方案的卸料溫度與復(fù)壓溫度統(tǒng)計(jì)

綜上可知，不同碾壓路段的瀝青混合料無論在礦料級(jí)配、瀝青含量與施工溫度控制上均具有良好的一致性，不同方案段落的材料、攤鋪施工、溫度控制等較為均勻，為對(duì)比后續(xù)不同碾壓方案下的壓實(shí)度與抗滑性能提供了良好的前提條件。

3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

3.1 壓實(shí)度與滲水系數(shù)測(cè)試

瀝青路面材料的密度與介電常數(shù)之間存在一定的比例關(guān)系，通過無核密度儀的感應(yīng)板產(chǎn)生探測(cè)磁場(chǎng)可以測(cè)試獲得瀝青混合料的介電常數(shù)，并利用電子部件將場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終獲取瀝青路面的平均密度，據(jù)此能夠分析瀝青路面的壓實(shí)度與均勻性[10-11]。為了研究不同碾壓組合工藝對(duì)瀝青路面壓實(shí)度的影響，采用PQI380無核密度儀對(duì)4個(gè)段落進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)(本次測(cè)試以最大理論壓實(shí)度進(jìn)行對(duì)比)。此外，滲水系數(shù)同樣是檢驗(yàn)瀝青路面密實(shí)度的一個(gè)重要指標(biāo)，滲水系數(shù)越大，說明瀝青路面的剩余空隙率或內(nèi)部的連通孔隙較多，路面壓實(shí)度與密水性能無法得到充分保證。本次測(cè)試在待檢區(qū)域共采集1 189個(gè)無核密度數(shù)據(jù)，12個(gè)滲水系數(shù)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1，由無核密度儀測(cè)試所得的壓實(shí)度分布如圖4所示。

表1 4個(gè)碾壓段落壓實(shí)度對(duì)比統(tǒng)計(jì)分析

圖4 不同碾壓方案的壓實(shí)度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)壓實(shí)度測(cè)試結(jié)果(圖4)可知，方案一(鋼輪7遍+膠輪2遍)與方案二(鋼輪5遍+膠輪2遍)的壓實(shí)度均值分別為95.23%與95.72%，且整體路段壓實(shí)度不足(處于91%～93%)的比例分別為14.67%和9%，均低于其余兩種碾壓組合工藝。此現(xiàn)象說明鋼輪碾壓次數(shù)越多，瀝青路面的壓實(shí)度將略有下降。滲水測(cè)試結(jié)果(圖5)亦表明方案一與方案二的滲水系數(shù)(17ml/min和23ml/min)同樣遠(yuǎn)大于其余兩種碾壓組合工藝(9ml/min和4ml/min)。

圖5 不同碾壓方案的滲水系數(shù)測(cè)試結(jié)果

分析其原因，主要是由于隨著鋼輪碾壓作用次數(shù)增多，瀝青混合料的溫度在鋼輪碾壓階段有所下降，采用膠輪壓路機(jī)進(jìn)行碾壓的時(shí)機(jī)也相應(yīng)延后。在溫度較低的情況下，膠輪壓路機(jī)的搓揉提漿作用將有所降低，即無法再提高路面的壓實(shí)度，同時(shí)使得密水性能也出現(xiàn)一定程度的降低。

3.2 抗滑性能測(cè)試

構(gòu)造深度(TD)是瀝青路面抗滑性能驗(yàn)收的基本指標(biāo)之一，主要用于評(píng)價(jià)路面的宏觀粗糙度與排水性能，一般采用人工鋪砂法進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性受人為影響與試驗(yàn)熟練度影響較大。而平均斷面深度(MPD)是目前大面積檢測(cè)瀝青路面宏觀紋理的常用參數(shù)[12-13]，主要通過激光掃描技術(shù)(圖6)，獲取路表的輪廓曲線，以100mm為取樣長(zhǎng)度，將曲線平均分為兩段，將每一段的峰值取平均值后，與整段的平均值的差值，即可得到MPD。相比TD指標(biāo)，基于激光紋理掃描技術(shù)的MPD指標(biāo)克服了人工誤差，更能準(zhǔn)確反映路表輪廓深度的真實(shí)情況。此外，為了更全面地評(píng)價(jià)瀝青路面的抗滑性能，同時(shí)開展了擺式摩擦系數(shù)和橫向力系數(shù)的測(cè)試。各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)結(jié)果見表2，不同碾壓段落的三維輪廓構(gòu)造如圖7所示。

圖6 激光紋理掃描技術(shù)

表2 路面抗滑性能測(cè)試結(jié)果

圖7 不同碾壓段落的三維輪廓構(gòu)造

由表2可知，TD與MPD指標(biāo)的測(cè)試結(jié)果具有良好的一致性：方案一與方案二的構(gòu)造深度(TD)與平均斷面深度(MPD)明顯高于方案三與方案四。此外，從圖7同樣可以發(fā)現(xiàn)，方案三與方案四的碾壓路段路表存在較厚的瀝青膠漿，覆蓋了部分表面構(gòu)造，而方案一與方案四的路表形貌則相對(duì)存在更豐富的宏觀構(gòu)造。說明鋼輪作用次數(shù)增多，采用膠輪碾壓的時(shí)機(jī)越晚，同時(shí)隨著瀝青混合料溫度的下降，瀝青路面內(nèi)部的瀝青膠漿將愈難被搓揉擠壓至路表，有利于表面構(gòu)造深度指標(biāo)的提升。

另外，從表2可以發(fā)現(xiàn)，除方案四以外，其余三種碾壓組合工藝的橫向力系數(shù)與擺式摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果均較為接近，分別在66BPN和74BPN左右。方案四的橫向力系數(shù)和擺式摩擦系數(shù)分別為70.14BPN和77BPN，略高于其余三種碾壓組合方案。究其原因，可能是因?yàn)榉桨杆哪雺郝范蔚穆繁砟z漿較多，且尚未經(jīng)受過多的車輛荷載作用，膠漿與擺式摩擦系數(shù)測(cè)試儀的橡膠塊、橫向力系數(shù)車的測(cè)試輪之間的粘滯效應(yīng)較強(qiáng)，從而使該方案的測(cè)試結(jié)果偏大。

3.3 輪廓峰頂夾角分析

級(jí)配設(shè)計(jì)、施工工藝的不同將影響粗顆粒之間的嵌擠狀態(tài)，導(dǎo)致路表顆粒呈現(xiàn)不同直立狀態(tài)(與水平呈直角、銳角、鈍角等)和構(gòu)造形式(圖8)，從而影響輪胎的抗滑效果[14-15]。尤其是降雨造成路面潮濕的狀態(tài)下，路表微觀紋理的抗滑效應(yīng)將大幅下降，此時(shí)宏觀構(gòu)造與輪胎間的抗滑將成為關(guān)鍵。其中，與路面形成銳角或處于直立狀態(tài)的顆粒能夠提高與輪胎的機(jī)械咬合力，增大輪胎的剪切形變，從而提高瀝青路面與輪胎直接的摩擦力與粘滯效應(yīng)。因此，研究不同碾壓組合工藝與路表顆粒的宏觀輪廓峰頂夾角之間的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)并分析各種狀態(tài)下的集料顆粒分布概率，對(duì)提高瀝青路面抗滑性能具有一定意義。本文通過激光紋理掃描并重構(gòu)路面輪廓構(gòu)造圖的方式，利用計(jì)算機(jī)編程對(duì)顆粒與路面之間的宏觀輪廓峰頂夾角進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表3。

圖8 顆粒與路面之間的宏觀輪廓峰頂夾角

表3 顆粒宏觀輪廓峰頂夾角分布概率 (單位：%)

由表3可知，四個(gè)碾壓路段各狀態(tài)下的顆粒宏觀輪廓峰頂夾角分布概率基本一致：小于45°的分布概率基本為6%，處于45°～90°的分布概率基本為6.5%，處于90°～135°的分布概率基本為17%，處于135°～180°的分布概率基本為70.5%。說明在同一級(jí)配下，瀝青路面表面顆粒與路面的輪廓峰頂夾角與碾壓組合作用方式、膠輪壓路機(jī)的碾壓時(shí)機(jī)并不存在密切的關(guān)聯(lián)性。究其原因，可能是在初壓階段或復(fù)壓的初始階段，混合料溫度較高的情況下，路表集料顆粒在鋼輪壓路機(jī)的振動(dòng)碾壓作用下發(fā)生一定的空間轉(zhuǎn)動(dòng)與重新排列，并達(dá)到穩(wěn)定嵌擠的狀態(tài)。因此，復(fù)壓后半階段鋼輪壓路機(jī)作用次數(shù)的增多與膠輪壓路機(jī)的搓揉作用，均未對(duì)顆粒與路面之間的宏觀輪廓峰頂夾角造成影響。

另外，在對(duì)四個(gè)碾壓路段進(jìn)行巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)，方案一的碾壓路段出現(xiàn)較多表面集料被壓碎磨光的現(xiàn)象。結(jié)合以上分析可知，集料在復(fù)壓后半階段已經(jīng)基本達(dá)到骨架嵌擠的狀態(tài)。在此狀態(tài)下，若仍然增加采用鋼輪振動(dòng)碾壓的次數(shù)，很大程度上會(huì)對(duì)集料的表面棱角甚至集料本身造成破壞，導(dǎo)致表面集料被壓碎、磨光，因此，最終綜合考慮選擇方案三。

4 結(jié)語

本文通過借助無核密度儀、激光掃描技術(shù)、常規(guī)抗滑測(cè)試與滲水試驗(yàn)對(duì)四類不同碾壓組合工藝下的瀝青路面進(jìn)行了壓實(shí)度與抗滑性能的綜合評(píng)價(jià)，并就碾壓組合工藝對(duì)瀝青路面壓實(shí)度與抗滑性能的影響進(jìn)行了研究分析，得出如下結(jié)論：

(1)瀝青路面施工過程中碾壓組合工藝的不同，對(duì)瀝青路面的壓實(shí)度與構(gòu)造深度具有一定的影響。鋼輪壓路機(jī)作用次數(shù)越多，膠輪碾壓實(shí)施的時(shí)間越晚，瀝青路面的壓實(shí)度會(huì)相對(duì)越小，表面構(gòu)造深度相對(duì)越大。

(2)相同實(shí)施條件下，不同碾壓組合工藝對(duì)瀝青路面的擺式摩擦系數(shù)、橫向力系數(shù)與集料宏觀輪廓峰頂夾角的影響不明顯。

(3)激光掃描技術(shù)檢測(cè)得到的構(gòu)造深度結(jié)果與傳統(tǒng)鋪砂法試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，能有效區(qū)分不同碾壓方案的抗滑性能差異。