AC-20C改性瀝青混合料路面常溫靜載變形原因分析

梁文峰，韋昌進(jìn)， 陳 寧

(1.廣西粵海高速公路有限公司，廣西 南寧 530023；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112)

0 引言

隨著高速公路對(duì)路面舒適性、養(yǎng)護(hù)便捷性要求的不斷提高，國內(nèi)大多數(shù)的水泥混凝土路面均進(jìn)行了相關(guān)加鋪罩面處理。某高速公路水泥混凝土加鋪采用2.5 cm AC-10應(yīng)力吸收層+8.5 cm/10.5 cm AC-20C改性瀝青混合料+4 cm SMA-13改性瀝青混合料的瀝青路面加鋪結(jié)構(gòu)，但在施工10.5 cm及8.5 cm層厚的AC-20C瀝青混合料前期試驗(yàn)段階段，3個(gè)路面標(biāo)段均出現(xiàn)了不同程度的常溫料車靜載60 t左右作用下AC-20C改性瀝青混合料路面(該路面成型已經(jīng)>10 d，平均高溫大約28 ℃，平均低溫大約22 ℃)輪跡處出現(xiàn)下凹變形，數(shù)天后混合料下凹變形量又出現(xiàn)一定量恢復(fù)，但總體仍然有3～5 mm的早期永久變形。為防止該現(xiàn)象影響路面的長(zhǎng)期抗車轍性能和耐久性能，避免出現(xiàn)早期車轍和路面破損，有必要對(duì)常溫下凹變形的原因進(jìn)行多角度分析和論證，以下從各標(biāo)段AC-20C試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)的靜載變形調(diào)查、原材料(瀝青作為重點(diǎn))、配合比設(shè)計(jì)、施工壓實(shí)均勻性、混合料高溫穩(wěn)定性能進(jìn)行相關(guān)分析。

1 AC-20C改性瀝青混合料常溫靜載變形原因分析

1.1 現(xiàn)場(chǎng)靜載變形量調(diào)查分析

為調(diào)查在靜載60 t左右下使用不同批次瀝青路面的變形量大小，選擇其中一個(gè)標(biāo)段進(jìn)行了相關(guān)對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如表1所示。

表1 不同批次瀝青AC-20C下面層靜載下路面變形量排查表

從表1排查結(jié)果可知，第一批次至第四批次瀝青所鋪筑的AC-20C改性瀝青混合料路段整體路面變形量大于其他批次瀝青路段。

根據(jù)相關(guān)研究[1]表明當(dāng)荷載作用力超過瀝青路面各層的強(qiáng)度，瀝青路面會(huì)出現(xiàn)一定的永久變形。這種變形與結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度特性有著密切的聯(lián)系。瀝青混合料結(jié)構(gòu)層內(nèi)部由于受到剪應(yīng)力的作用，產(chǎn)生剪切變形。而對(duì)于半剛性基層或者剛性基層(水泥路面加鋪項(xiàng)目)，一般產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性變形很小，因此永久變形主要集中在瀝青面層。本次靜壓采用60 t左右的車輛進(jìn)行(后軸總質(zhì)量也超過45 t，平均單軸重達(dá)到22.5 t左右)，10 cm的AC-20C瀝青混合料芯樣試件穩(wěn)定度一般在15 kN左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其能承受的壓力，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)一定的剪切變形。因此需要注意成品瀝青路面的保護(hù)，防止局部出現(xiàn)荷載集中導(dǎo)致出現(xiàn)碾壓變形。

1.2 瀝青檢測(cè)及混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果分析

1.2.1 不同批次瀝青指標(biāo)分析

不同批次瀝青檢測(cè)結(jié)果見表2、表3。

表2 不同批次進(jìn)場(chǎng)改性瀝青檢測(cè)指標(biāo)結(jié)果表

表3 不同批次留樣改性瀝青到場(chǎng)檢測(cè)指標(biāo)結(jié)果表

從外委檢測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)自檢結(jié)果看，除第一批次的留樣瀝青運(yùn)動(dòng)黏度(135 ℃)不合格外，其余指標(biāo)均符合規(guī)范相關(guān)要求。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)表明，改性瀝青的135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度與瀝青混合料具有較好相關(guān)度，瀝青黏度增加瀝青混合料內(nèi)部粘聚力增大，內(nèi)摩擦角也增大，混合料抗剪強(qiáng)度有所提高，高溫穩(wěn)定性能也會(huì)增加；但黏度過大會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料難以壓實(shí)，壓實(shí)度偏低會(huì)出現(xiàn)反作用，反而使得瀝青混合料抗剪強(qiáng)度不足，出現(xiàn)早期破壞。因此黏度較大的瀝青需要重視碾壓，保證碾壓均勻密實(shí)。

1.2.2 下面層生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果分析

表5 各合同段下面層AC-20C生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)級(jí)配表

表6 各合同段下面層AC-20C生產(chǎn)配合比最佳油石比馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表

從表4～6中AC-20C改性瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果來看，整體合成級(jí)配、體積指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。但是變形較大的路段粗集料粒徑整體偏小，用量偏少，合成級(jí)配整體4.75 mm篩孔以上粗集料占比66%左右，骨架結(jié)構(gòu)不明顯，集料之間的粘聚力偏小，易導(dǎo)致瀝青混合料抗變形能力減弱。研究表明增加4.75 mm粗集料用量對(duì)于提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能具有顯著效果，因此可以進(jìn)一步優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)范圍，同時(shí)優(yōu)化混合料相關(guān)級(jí)配組成，減少4～6 mm和0～4 mm材料用量，增加6～11 mm熱料和11～22 mm熱料用量，可以進(jìn)一步增加4.75 mm篩孔以上粗集料用量至70%～72%，進(jìn)一步減少由于混合料合成級(jí)配中粗集料用量占比不足導(dǎo)致大厚度瀝青層易變形的現(xiàn)象。

表4 各合同段下面層AC-20C生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果表

1.3 大厚度施工壓實(shí)均勻性分析

為驗(yàn)證大厚度壓實(shí)是否均勻，輔助判斷是否由于壓實(shí)度的變化，導(dǎo)致路面在靜載作用下出現(xiàn)二次擠密壓實(shí)，對(duì)出現(xiàn)變形的位置進(jìn)行取芯，并把8.5 cm和10.5 cm左右的AC-20C混合料芯樣分為上半部分和下半部分分別檢測(cè)壓實(shí)度，同時(shí)檢測(cè)常規(guī)6 cm厚度的AC-20C混合料芯樣，分為上半部分和下半部分，也分別檢測(cè)壓實(shí)度，壓實(shí)度數(shù)據(jù)對(duì)比見表7。

表7 不同設(shè)計(jì)厚度路面芯樣厚度及壓實(shí)度對(duì)比分析表

從不同設(shè)計(jì)厚度的AC-20C芯樣壓實(shí)度以及上、下部分壓實(shí)度的結(jié)果可知，設(shè)計(jì)厚度越大上下部分的壓實(shí)度偏差越大，其中變形較大位置的10.5 cm芯樣上、下部分偏差達(dá)到1.7%～1.9%左右。偏差2%左右的可壓縮空隙會(huì)導(dǎo)致路面在靜載作用下進(jìn)一步壓密出現(xiàn)下凹變形達(dá)到2 mm左右偏差；因此大厚度瀝青混合料上、下部分壓實(shí)度不均勻性會(huì)導(dǎo)致路面在集中大荷載作用下出現(xiàn)壓密變形，而這種車轍一般兩側(cè)沒有隆起，只有下凹。所以一定要重視大厚度瀝青層碾壓環(huán)節(jié)，30 t以上膠輪揉搓碾壓≥3～4遍，同時(shí)注重復(fù)壓階段的雙鋼輪強(qiáng)振碾壓≥2～3遍，減小上、下部分壓實(shí)度的偏差性，防止出現(xiàn)底部壓實(shí)度偏小，后續(xù)出現(xiàn)壓密變形。

1.4 現(xiàn)場(chǎng)混合料高溫穩(wěn)定性分析

為驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)混合料高溫穩(wěn)定性能，對(duì)變形較為嚴(yán)重部位的下面層AC-20C路面，切板(35 cm×35 cm)加工成標(biāo)準(zhǔn)車轍試件進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)，同步室內(nèi)成型8 cm的車轍試件進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)(試驗(yàn)條件：試驗(yàn)溫度60 ℃，輪壓0.7 MPa)；現(xiàn)場(chǎng)鉆取直徑150 mm的芯樣制成標(biāo)準(zhǔn)的漢堡車轍試件，進(jìn)行50 ℃浸水漢堡車轍試驗(yàn)。具體結(jié)果見表8。

表8 車轍試驗(yàn)結(jié)果表

從檢測(cè)結(jié)果可知，各檢測(cè)方法下，混合料高溫穩(wěn)定性能均滿足設(shè)計(jì)文件要求。但是5 cm的車轍板動(dòng)穩(wěn)定度明顯大于8 cm的車轍板的動(dòng)穩(wěn)定度，說明AC-20C瀝青混合料在原材料一致、集料粒徑及級(jí)配一致、壓實(shí)度相近的前提下，越厚的AC-20C瀝青混合料抗車轍性能有一定的降低(相關(guān)研究也表明車轍試件厚度在一定的范圍內(nèi)時(shí)，車轍深度隨著厚度的增加而線性增長(zhǎng))，一定程度上說明規(guī)范對(duì)于最佳的瀝青層厚度一般為集料最大公稱粒徑的2.5～3倍的推薦值，AC-20C瀝青混合料一般厚度為5～6 cm。研究表明，瀝青面層的增厚可以有效改善荷載作用下瀝青路面的受力狀況，并降低面層所受的最大剪應(yīng)力，但同時(shí)顯著增加了瀝青路面的變形與累積變形，最終同樣容易導(dǎo)致在長(zhǎng)期的道路交通狀態(tài)下產(chǎn)生較大的路面車轍(AASHTO試驗(yàn)路的測(cè)定結(jié)果也同樣表明，車轍量隨瀝青層厚度的增加而增加，到25 cm時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，瀝青層厚度增加而車轍深度不再增加)。

2 結(jié)語

2.1 結(jié)論

(1)早期變形較大路段瀝青黏度偏大，壓實(shí)均勻性較差；瀝青混合料4.75 mm以上骨料用量偏少，且10～20 mm碎石粒徑偏小，各項(xiàng)因素疊加加劇了局部位置的常溫重靜載下的累計(jì)變形。

(2)大厚度10.5 cm AC-20C改性瀝青混合料路面現(xiàn)場(chǎng)的靜壓變形與大厚度AC-20C壓實(shí)的均勻性有一定的關(guān)系，上、下部壓實(shí)度偏差越大，大噸位或者重荷載作用下越易出現(xiàn)擠密變形。

(3)10.5 cm AC-20C改性瀝青混合料路面厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般5～6 cm AC-20C瀝青混合料厚度，在最大公稱粒徑不變的情況下，層厚的增加更容易出現(xiàn)瀝青路面的累積變形；同時(shí)高溫穩(wěn)定性能在原材料一致、集料粒徑及級(jí)配一致、壓實(shí)度相近的前提下，越厚的AC-20C瀝青混合料抗車轍性能有一定的降低。

(4)AC-20C改性瀝青混合料與合成級(jí)配中4.75 mm篩孔通過率息息相關(guān)，增加4.75 mm以上粗集料用量對(duì)高溫穩(wěn)定性能的提高具有良好作用，也能減少混合料初期變形。

(5)瀝青作為瀝青路面的重要膠結(jié)材料，黏度指標(biāo)的穩(wěn)定性也關(guān)系到瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，但是黏度越大越容易導(dǎo)致混合料壓實(shí)困難，需要提高碾壓溫度和增加壓實(shí)功能才能保證瀝青路面壓實(shí)的均勻性。

2.2 建議

(1)要重視大厚度瀝青層碾壓環(huán)節(jié)，30 t以上膠輪揉搓碾壓≥3～4遍，同時(shí)注重復(fù)壓階段的雙鋼輪強(qiáng)振碾壓≥2～3遍，減小上、下部分壓實(shí)度的偏差性，防止出現(xiàn)底部壓實(shí)度偏小，后續(xù)出現(xiàn)壓密變形的情況。

(2)瀝青層厚選擇盡量與瀝青混合料的最大公稱粒徑2.5～3倍相匹配，對(duì)于大厚度瀝青層混合料，在原材料備料階段選擇合適的篩網(wǎng)尺寸，特別對(duì)于最大檔1#料篩網(wǎng)尺寸的選擇，防止出現(xiàn)20型混合料變成16型的混合料，導(dǎo)致出現(xiàn)粗骨料粒徑偏小的現(xiàn)象?；旌狭瞎羌芷?，則抗變形能力不足以支撐如此大的結(jié)構(gòu)層厚度。

(3)混合料的性能數(shù)據(jù)應(yīng)作為瀝青材料選擇的重要依據(jù)，一些瀝青生產(chǎn)廠商為了達(dá)到較高的材料指標(biāo)要求通過不法手段進(jìn)行調(diào)配，使得瀝青檢測(cè)指標(biāo)能夠符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求，但其材料的穩(wěn)定性和混合料路用性能存在嚴(yán)重不足，嚴(yán)重影響了瀝青路面的施工質(zhì)量。施工中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)瀝青材料及混合料性能的抽檢，例如：現(xiàn)場(chǎng)切板進(jìn)行車轍試驗(yàn)、漢堡車轍試驗(yàn)等。

(4)進(jìn)一步優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)范圍，同時(shí)優(yōu)化混合料相關(guān)級(jí)配組成，減少4～6 mm和0～4 mm材料用量，增加6～11 mm熱料和11～22 mm熱料用量，可以進(jìn)一步增加4.75 mm篩孔以上粗集料用量至70%～72%，使得混合料4.75 mm合成級(jí)配通過率在30%左右，進(jìn)一步減少由于混合料合成級(jí)配中粗集料用量占比不足而導(dǎo)致大厚度瀝青層易變形的現(xiàn)象。

(5)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)到場(chǎng)改性瀝青老化后指標(biāo)的檢測(cè)(老化后延度、老化后針入度比)，并統(tǒng)一采用旋轉(zhuǎn)薄膜老化方式；各施工方、監(jiān)理方對(duì)進(jìn)場(chǎng)的改性瀝青儲(chǔ)存后指標(biāo)衰減規(guī)律進(jìn)行收集，主要監(jiān)管到場(chǎng)后指標(biāo)情況、3 d后指標(biāo)情況、7 d后的指標(biāo)情況，為現(xiàn)場(chǎng)改性瀝青使用提供依據(jù)；同時(shí)后續(xù)進(jìn)場(chǎng)瀝青未能及時(shí)使用的，使用前必須檢測(cè)合格方能用于施工拌和。