瀝青路面壓實(shí)過程均勻性評價與影響因素分析

林錦騰， 祝軒

(1.廣東省南粵交通河惠莞高速公路管理中心， 廣東 廣州 510000； 2.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院)

長期以來，離析一直是熱拌瀝青生產(chǎn)和施工中的主要問題。離析的混合料不符合目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)中的級配或?yàn)r青含量的要求，造成混合料的毛體積密度和空隙率與設(shè)計(jì)值存在一定的差異。研究表明：當(dāng)這種情況發(fā)生時，由于剛度、抗拉強(qiáng)度和疲勞壽命的降低，路面的使用壽命會降低。在某些地區(qū)，由于施工中產(chǎn)生的離析問題，導(dǎo)致路面早期損壞，對此管養(yǎng)單位每年必須設(shè)立專項(xiàng)支出用于路面養(yǎng)護(hù)與維修，造成了一定的經(jīng)濟(jì)壓力。

目前,防止路面離析的研究主要集中在采用試驗(yàn)室模擬離析對瀝青混合料性能的影響、離析的原因和改善方法、評估檢測路面離析等熱點(diǎn)上。從當(dāng)前的研究手段出發(fā)，普遍存在的問題有：① 瀝青路面均勻性評價缺乏真實(shí)性。其原因有檢測評價方法主觀因素太強(qiáng)，這種主觀意識太強(qiáng)烈的判別方法顯然缺乏說服力以及評價的數(shù)據(jù)太少，太單一。對于均勻性檢測的評價方法，當(dāng)前普遍使用的是視覺識別法、鋪砂法、取樣法。前兩種方法過于依賴檢測員的主觀意識，而取樣這種有損檢測的方法對原路面的影響太大，可用數(shù)據(jù)太少；② 研究手段大部分都禁錮在室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M。室內(nèi)試驗(yàn)固然簡單快捷、操作性強(qiáng)，但與實(shí)際生產(chǎn)中瀝青路面施工的差距較大，并不能反映瀝青路面施工過程的真實(shí)情況，同時對于某些施工工藝的控制性因素(例如攤鋪碾壓)無法較好地模擬，而這類施工工藝又恰巧是引起瀝青路面離析的主要原因。

針對以上問題，該文以某全幅攤鋪工藝條件下300 m的試驗(yàn)路段為依托，首先利用激光斷面構(gòu)造儀和無核密度儀兩種無損檢測方法評價路面施工的均勻性，建立多指標(biāo)路面均勻性評價體系，再研究攤鋪碾壓工藝(初壓速度、初壓溫度、攤鋪速度與熨平板的振動頻率)對路面均勻性的影響規(guī)律，使之能及時調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)瀝青路面施工的動態(tài)控制，減小全幅攤鋪路面的離析概率，提高路面施工質(zhì)量。

1 項(xiàng)目概況

河(源)惠(州)(東)莞高速公路龍川至紫金段位于廣東省河源市境內(nèi)，是廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃廣龍高速(S6)的重要組成部分，為東莞、惠州、河源地區(qū)通往江西的主要出省通道之一。施工時在主線K98+400～K98+700 段(左幅)進(jìn)行了上面層試驗(yàn)段鋪筑，試驗(yàn)段為GAC-16C 型瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)油石比為4.7 %，空隙率為4.5 %，設(shè)計(jì)總厚度為4.5 cm，全長300 m，寬約11.25 m。攤鋪采用福格勒2100-3L全幅攤鋪機(jī)作業(yè)，作業(yè)寬度11.5 m；采用3臺13 t雙鋼輪振動壓路機(jī)及3臺30 t膠輪壓路機(jī)相結(jié)合的碾壓組合方式，其中初壓終壓采用雙鋼輪悍馬HD0128V壓路機(jī)，復(fù)壓采用徐工XP303K膠輪壓路機(jī)，碾壓遍數(shù)為初壓終壓2遍，復(fù)壓4遍。

抽取瀝青混合料進(jìn)行燃燒篩分試驗(yàn)，用以檢驗(yàn)混合料的礦料級配與瀝青含量。用于試驗(yàn)的瀝青混合料均在拌和樓處的運(yùn)料車上均勻取樣，且在試驗(yàn)室內(nèi)采用四分法均勻取樣進(jìn)行燃燒篩分試驗(yàn)。試驗(yàn)級配檢測結(jié)果如圖1所示，與配合比設(shè)計(jì)時的級配比較，抽檢的混合料級配變異不大；混合料瀝青用量控制較好，檢測的油石比為4.72%，與設(shè)計(jì)油石比4.7%相差較小。以上檢測結(jié)果表明路面材料符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，故由此造成路面離析的概率較小。

圖1 級配曲線

2 路面均勻性評價

2.1 激光紋理儀評價法

2.1.1 檢測原理與方案

歐美大地TM2路面激光紋理儀主要用于測量道路表面的宏觀紋理和微觀紋理，通過表面紋理的指標(biāo)來評價路面的抗滑性能、吸收噪音的性能以及抵抗車輪輪胎阻力的能力。其測試原理是使用線掃描激光器對路面進(jìn)行掃描，通過測量的高程來計(jì)算平均斷面構(gòu)造深度MPD指標(biāo)用于評價路面的粗糙程度。

采用激光紋理儀對樁號 K98+400～K98+700 段進(jìn)行表面構(gòu)造深度測試。為了減少其他因素對研究的干擾和更好地控制研究樣本，按每60 m分段，將300 m的試驗(yàn)路分為5段區(qū)域取樣，各不影響，編號分別為A、B、C、D、E。選取的測試位置為：按照距中央分隔帶1.75、3.75、5.75、7.75、9.75 m縱向連續(xù)測試5個斷面，如圖2所示，輸出每10 m的激光斷面構(gòu)造深度MPD(mm)的平均值，以構(gòu)造深度越大顏色越深為原則繪制瀝青層構(gòu)造深度分布云圖，結(jié)果如圖3所示。

圖2 紋理儀檢測位置方案(單位:m)

圖3 激光紋理儀檢測結(jié)果云圖

2.1.2 檢測結(jié)果分析

由圖3可知：靠路邊緣的兩條測線顏色偏深，說明構(gòu)造深度較深，此時粗集料較多細(xì)集料較少。分析其原因：由于下承層的橫斷面高程差引起，當(dāng)采用全幅攤鋪時，由于攤鋪寬度較大,螺旋布料器向兩端輸送混合料的距離過長，在高程差的影響下，會使得一側(cè)的粗集料相對另一側(cè)減少，而高程較低的一側(cè)會有更多的粗集料，因此攤鋪成型的路面在高程較低的一側(cè)粗顆粒熱料集中，細(xì)集料及瀝青含量少，表面構(gòu)造較深。

利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對試驗(yàn)路檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定試驗(yàn)段測評區(qū)域表面構(gòu)造深度數(shù)學(xué)期望值及判定離析程度的區(qū)間。參考張肖寧、王端宜提出的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將離析劃分為4個等級：細(xì)離析、無離析、粗離析、重度離析。判定標(biāo)準(zhǔn)及分布情況如表1、2所示。

表1 構(gòu)造深度判別標(biāo)準(zhǔn)

表2 造深度檢測結(jié)果

由表1可看出：總試驗(yàn)路段無離析占94.67%，粗離析占5.33%，無區(qū)域細(xì)離析與重度離析。以離析率和變異系數(shù)為評價指標(biāo)，其中離析率為檢測數(shù)據(jù)中離析數(shù)據(jù)個數(shù)(包括細(xì)離析、粗離析和重離析)與總數(shù)據(jù)個數(shù)的比值；變異系數(shù)為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值。由表2可知：各路段變異系數(shù)和離析率較小，路表面顆粒分布均勻性較好。

2.2 無核密度儀評價法

2.2.1 檢測原理與方案

無核密度儀的工作原理是根據(jù)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，通過感應(yīng)板產(chǎn)生探測磁場來測試壓實(shí)瀝青混合料的介電常數(shù)，然后利用電子部件將場信號轉(zhuǎn)換成密度。根據(jù)測試區(qū)域的測試密度計(jì)算相應(yīng)的壓實(shí)度及空隙率，評價路面壓實(shí)情況。

檢測方案如圖4所示，以激光斷面構(gòu)造深度檢測方案為基礎(chǔ)，橫斷面上距離中央分隔帶0.75 m開始，每隔1 m測試1次，測試11個斷面；縱斷面每隔5 m測試1次，總長300 m，測試61個斷面，共測試671個點(diǎn)?？紤]到數(shù)據(jù)較多，同時也為與激光斷面儀所測數(shù)據(jù)統(tǒng)一，將9個無核密度儀的測點(diǎn)數(shù)據(jù)均值與一段激光斷面儀的數(shù)據(jù)等價，同樣也將300 m的試驗(yàn)段按每60 m一段分為 5 段，根據(jù)芯樣的密度標(biāo)定無核密度儀之后進(jìn)行現(xiàn)場密度測定，根據(jù)計(jì)算法得到的試驗(yàn)路理論最大相對密度(2.700)計(jì)算各測試點(diǎn)的現(xiàn)場空隙率，以空隙率越大顏色越深為原則繪制瀝青層空隙率分布云圖，如圖5所示。

圖4 無核密度儀檢測位置方案

2.2.2 檢測結(jié)果分析

由圖5可以看出：與激光紋理儀所反映的位置一致，主要出現(xiàn)在路邊緣的位置，路面空隙率較大，建議采取有效措施減少邊部離析，提升路面整體壓實(shí)質(zhì)量。其余區(qū)域空隙率基本為3.5%～5.5%，滿足路面使用對空隙率的要求，路面壓實(shí)程度較好。測試路段空隙率均值為5.00%，滿足設(shè)計(jì)要求，但路面空隙率存在一定的離散性，變異系數(shù)達(dá)18.96%，即有部分空隙率偏小或過大的位置存在。

圖5 無核密度儀檢測結(jié)果云圖

參考文獻(xiàn)[17]，并根據(jù)現(xiàn)場空隙率指標(biāo)控制要求劃分判定離析程度標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)間，判定標(biāo)準(zhǔn)及分布情況如表3、4所示。按照離析標(biāo)準(zhǔn)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖3結(jié)果表明：整個試驗(yàn)段中，無離析占81.52%，粗離析占16.39%，細(xì)離析占2.09%，路面的整體性一般。

表3 空隙率判別標(biāo)準(zhǔn)

表4 空隙率檢測結(jié)果

由表4可以看出：C段的變異系數(shù)與離析率較大，說明施工均勻性效果較差，而E段的變異系數(shù)和離析率較小，說明施工均勻性效果較好；變異系數(shù)與離析率具有一致性，變異系數(shù)大的路段離析率同樣偏大。而由激光斷面儀所測表2中數(shù)據(jù)可見，變異系數(shù)與離析率關(guān)聯(lián)性較差，這是由于樣本數(shù)據(jù)太少，導(dǎo)致評價結(jié)果不統(tǒng)一。因此，對于數(shù)據(jù)樣本較少的檢測方式，可以用變異系數(shù)量化評價路面均勻性，當(dāng)數(shù)據(jù)樣本較多時，用變異系數(shù)或離析率都能有效地評價路面的離析程度。

考慮到激光斷面儀評價指標(biāo)中離析率較小的緣故，無法有效區(qū)分路面的離析程度，故以變異系數(shù)為評價指標(biāo)，來比較5段試驗(yàn)路的均勻性，兩種不同的測試方法比較結(jié)果如圖6所示。

圖6 兩種檢測方法的變異系數(shù)

由圖6可知：無核密度儀所測數(shù)據(jù)的變異系數(shù)普遍要高于激光斷面儀，這是因?yàn)闊o核密度儀的檢測的是點(diǎn)，而激光斷面儀的檢測方式則是一段連續(xù)的路面，測試方法本身的差異造成了數(shù)據(jù)離散的差異；對兩種不同的檢測方法所檢測出的不同路段的結(jié)果加以定量分析，兩種檢測方法對于路面的均勻性評價具有一致性，均勻性從好到差依次為路段E、A、B、D、C，說明兩種測試方法都能反映出路面的離析程度。將兩種檢測方式所得的結(jié)果繪制成散點(diǎn)圖，經(jīng)線性擬合之后如圖7所示。

圖7 空隙率與構(gòu)造深度的關(guān)系

由圖7可知：兩種檢測方法所得指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)為0.82，表明相關(guān)性較強(qiáng)，隨著空隙率的增大，構(gòu)造深度線性增大，這在另一方面證明了兩種檢測方法的一致性。

3 瀝青路面均勻性影響因素分析

以兩種檢測結(jié)果的變異系數(shù)均值為評價依據(jù)，對5段路段的施工均勻性進(jìn)行量化，研究攤鋪碾壓工藝對路面均勻性的影響規(guī)律。

3.1 攤鋪工藝對均勻性的影響

選擇A、B兩段研究攤鋪工藝對均勻性的影響規(guī)律。對于A段，首先依據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制好熨平板振動頻率、初壓溫度與初壓速度。攤鋪速度按10 m分段設(shè)計(jì)，分別為2.3、2.6、2.9、3.2 m/min總計(jì)4個速度，以每10 m橫斷面檢測數(shù)據(jù)的變異系數(shù)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，研究攤鋪速度對路面均勻性的影響規(guī)律，結(jié)果如圖8所示。

圖8 攤鋪速度與變異系數(shù)的關(guān)系

由圖8可知：擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.85，說明攤鋪速度與變異系數(shù)有較強(qiáng)的相關(guān)性；隨攤鋪速度的增大，變異系數(shù)先減后增，當(dāng)攤鋪速度為2.8 m/min時，變異系數(shù)最小，說明此時的路面均勻性最好。當(dāng)攤鋪速度較小時，攤鋪至路面上的瀝青受熨平板的振動影響時間較長，在過度振動的影響下會出現(xiàn)粗細(xì)集料分開的離析狀況，而當(dāng)攤鋪速度較快時，混合料在螺旋布料器中二次攪拌的時間過短，也容易引起粗細(xì)集料的不均而引發(fā)離析，故攤鋪速度不宜過快或過慢。

與A段的研究方案類似，亦將B段按10 m每小段分為6段，在其他工藝相同的情況下研究熨平板振動頻率對路面均勻性的影響，考慮到攤鋪機(jī)行進(jìn)的穩(wěn)定性，在熨平板振搗器固定頻率為20 Hz時選擇振動器頻率為15、20、25、30 Hz，將檢測數(shù)據(jù)繪制成散點(diǎn)圖并擬合，結(jié)果如圖9所示。

圖9 振動頻率與變異系數(shù)的關(guān)系(振搗頻率：20 Hz)

由圖9可知:擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.72，說明振動頻率與變異系數(shù)存在一定的相關(guān)性；當(dāng)振動頻率為15～25 Hz時，變異系數(shù)較大，擬合曲線出現(xiàn)小幅拱形，在20 Hz時變異系數(shù)達(dá)到最大值，表明此時路面的均勻性較差；當(dāng)振動頻率大于25 Hz時，變異系數(shù)迅速下降，路面均勻性變好。這是因?yàn)楫?dāng)振動器的頻率為20 Hz時與振搗器的頻率相同，會發(fā)生共振效應(yīng)，在共振效應(yīng)的影響下，瀝青混合料的振動過度，從而引起了粗細(xì)集料和自由瀝青的分離，造成了路面的離析。為了避免這一情況的發(fā)生，振動器的頻率要盡量遠(yuǎn)離振搗器的頻率，同時振頻又不宜過小。當(dāng)振搗器頻率為20 Hz時，推薦振動器的頻率為30 Hz。

3.2 碾壓工藝對均勻性的影響

剩余C、D、E 3段用于研究碾壓工藝對均勻性的影響規(guī)律。在C段中研究初壓溫度對路面均勻性的影響，用溫度槍檢測初壓溫度的大小，以10 m的溫度均值為一個數(shù)據(jù)，分別為155、158、160、162、165 ℃總計(jì)5個溫度，檢測結(jié)果如圖10所示。

圖10 初壓溫度與變異系數(shù)的關(guān)系

由圖10可知：散點(diǎn)圖的數(shù)據(jù)離散性較大，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.53，說明初壓溫度與變異系數(shù)的相關(guān)性一般；當(dāng)初壓溫度超過158 ℃后，變異系數(shù)增幅較明顯，說明此時的路面均勻性較差。當(dāng)初壓溫度較大時，瀝青的黏度較小流動性較大，在攤鋪碾壓作用下會將自由瀝青壓至局部空隙率較大的位置引起離析，而當(dāng)初壓溫度較低時，瀝青黏度較大流動性較小，也容易引起分布不均而引發(fā)離析，故必須選擇適宜的初壓溫度。

考慮到碾壓組合為2臺鋼輪壓路機(jī)并行，為了排除交接位置的干擾，選擇D、E兩段中距中央分隔帶1.75、5.75、9.75 m的縱斷面數(shù)據(jù)的變異系數(shù)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，總計(jì)6個數(shù)據(jù)，分析初壓速度對變異系數(shù)的影響，結(jié)果如圖11所示。

圖11 初壓速度與變異系數(shù)的關(guān)系

由圖11可知：擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.71，表明初壓速度與變異系數(shù)之間存在一定的相關(guān)性；隨初壓速度的增加，變異系數(shù)先減后增，在初壓速度為3.7 m/min左右時變異系數(shù)最低，說明此時路面的均勻性最好。當(dāng)初壓速度較低時，溫度下降過快，難以在有效的時間內(nèi)達(dá)到理想的壓實(shí)效果，當(dāng)初壓速度較高時，又會引起壓實(shí)功不足，這兩種情況都會引起路面的離析。

4 結(jié)論

(1) 以變異系數(shù)為評價依據(jù)，激光紋理儀與無核密度儀的檢測結(jié)果具有一致性；無核密度儀采用測點(diǎn)的方法，所測數(shù)據(jù)較多，離析率與變異系數(shù)的相關(guān)性較好；而激光紋理儀采用一段連續(xù)路面的均值作為評價依據(jù)，數(shù)據(jù)樣本較少，離析率難以反映路面的均勻狀況，推薦采用變異系數(shù)來評價路面的均勻性。

(2) 隨攤鋪速度、初壓溫度與初壓速度的增大路面均勻性先變好后變差，而受熨平板振搗頻率的影響，振動頻率必須高出一定振搗頻率之后，才能使路面的均勻性變好。

(3) 此次試驗(yàn)路的檢測結(jié)果表明：攤鋪速度為2.8 m/min；當(dāng)振搗器頻率為20 Hz時，熨平板振動器的頻率為30 Hz；初壓溫度為158 ℃；初壓速度選擇3.7 m/min時，路面的均勻性較好。