剛性路面加鋪薄層瀝青設(shè)計(jì)空隙率和壓實(shí)特性

劉 克 楊德勝 張 昭 吳建良 楊錫武 張 鋒

(重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司1) 重慶 400067) (重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院2) 重慶 400074) (湖南理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院3) 岳陽(yáng) 414006) (招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司4) 重慶 400067)

隨著路面技術(shù)的進(jìn)步、環(huán)保理念的提升以及建設(shè)成本控制的需要，越來(lái)越多的工程開(kāi)始減小瀝青加鋪層的厚度[1-4].當(dāng)加鋪層厚度減薄至2 cm時(shí)稱(chēng)之為剛性路面的薄層加鋪，這種新型路面結(jié)構(gòu)符合“強(qiáng)基薄面”的設(shè)計(jì)理念，是適應(yīng)我國(guó)建材工業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的環(huán)境友好型路面養(yǎng)護(hù)方案[5].相較于常規(guī)厚度的加鋪或者瀝青路面薄層加鋪，剛性路面上的薄層瀝青混合料在性能要求上有如下特點(diǎn)：①更好的可壓實(shí)性，防止降溫過(guò)快導(dǎo)致較大的現(xiàn)場(chǎng)空隙率；②較強(qiáng)的變形能力，延緩裂縫形成；③高溫穩(wěn)定性要求有所降低；④更好的粘結(jié)力防止推移；⑤更好的防水性能，防止降水入滲破壞路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[6].

瀝青混合料馬歇爾設(shè)計(jì)方法是以體積指標(biāo)為主要參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)法，其思想是在標(biāo)準(zhǔn)方法下成型試件的體積參數(shù)滿(mǎn)足經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)后，在通常能夠?qū)崿F(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)條件下可以得到綜合性能優(yōu)良的路面.當(dāng)鋪筑厚度顯著減薄后，以上設(shè)計(jì)思想存在如下問(wèn)題：①比表面積增加后，料溫降低較快，有效壓實(shí)時(shí)間縮短；②路用性能與空隙率的關(guān)系發(fā)生變化，例如同一空隙率時(shí)薄層比厚層更容易滲水，即基于正常鋪筑厚度的體積指標(biāo)-路用性能經(jīng)驗(yàn)關(guān)系不再適用；③由于瀝青混合料的尺寸效應(yīng)，比表面積增加后，按原有試驗(yàn)規(guī)程得到的空隙率所代表的材料密實(shí)程度已經(jīng)發(fā)生變化.因此，需要重新調(diào)查薄層材料的壓實(shí)特點(diǎn)，建立薄層材料空隙率與路用性能的新關(guān)系.

文中擬通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)探討2個(gè)問(wèn)題：①瀝青混合料厚度減薄后，多大的空隙率可以滿(mǎn)足防滲的要求？②現(xiàn)場(chǎng)條件下能否得到、如何得到這個(gè)空隙率？另外，對(duì)薄層加鋪過(guò)程中料溫的變化、剛-柔界面的結(jié)合以及構(gòu)造深度的控制進(jìn)行分析.

1 薄層瀝青混合料空隙率與滲水系數(shù)的關(guān)系

用10 cm厚的車(chē)轍試模成型組合試件：①先在試模下層澆筑7.5 cm厚水泥混凝土，養(yǎng)生后刷除表面浮灰，用鋪砂法檢測(cè)表面的構(gòu)造深度；②在水泥混凝土表面涂刷溶劑型瀝青黏結(jié)劑GS.GS實(shí)干后，按2.5 cm厚度控制輪碾成型AC-10，級(jí)配見(jiàn)表1，輪碾成型溫度150 ℃(瀝青混合料插搗過(guò)程中用紅外測(cè)溫儀檢測(cè))，碾壓遍數(shù)分為8和14遍.

表1 室內(nèi)試驗(yàn)的級(jí)配

在試件表面正中測(cè)定滲水系數(shù)，然后仔細(xì)清除表面密封膠和下層水泥混凝土，最后檢測(cè)AC-10空隙率：①用表干法檢測(cè)整塊試件的毛體積相對(duì)密度γf，計(jì)算整塊試件空隙率；②在試件中部鉆取直徑10 cm芯樣三個(gè)，用表干法檢測(cè)γf，計(jì)算芯樣空隙率均值.試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 不同級(jí)配輪碾成型薄層組合試件的試驗(yàn)結(jié)果

瀝青混合料滲水系數(shù)隨空隙率遞增，隨層厚遞減[7].根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果，可以得到2.5 cm厚輪碾試件及其芯樣空隙率與滲水系數(shù)的關(guān)系：芯樣空隙率為1.8%或者輪碾試件空隙率3.2%時(shí)，對(duì)應(yīng)的滲水系數(shù)為100 mL·min-1；芯樣空隙率為2.2%或輪碾試件空隙率3.6%時(shí)，對(duì)應(yīng)的滲水系數(shù)為200 mL·min-1.因此，在某個(gè)滲水系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)下，從常規(guī)厚度減薄成2.5 cm后空隙率大致需要減小3.5%.

瀝青混合料的組成結(jié)構(gòu)受邊界條件影響，在原材料、配合比、均勻性和密實(shí)度完全相同的情況下，不同形狀、不同體積的試件會(huì)有不同的比表面積和開(kāi)口空隙數(shù)量，按照規(guī)范方法和成型溫度成型馬歇爾試件的空隙率才是瀝青混合料的基本特征.因此，需要將輪碾試件及其芯樣空隙率轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件空隙率.相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，輪碾試件由于比表面積較大，其γf較小，空隙率較大；芯樣由于周邊切割和切割面被瀝青膠漿堵塞，其γf較大，空隙率較小[8].表2中標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件擊實(shí)溫度150 ℃，擊實(shí)150次.在相同成型溫度條件下，5 cm試件輪碾14遍與標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件擊實(shí)150次的壓實(shí)作用是相當(dāng)?shù)?，并符合常?guī)的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)能力.表2中馬歇爾空隙率比輪碾14遍試件的芯樣空隙率僅僅大了0.2%.因此，若要使2.5 cm薄層AC-10的滲水系數(shù)小于100 mL·min-1，則其馬歇爾試驗(yàn)的空隙率需要小于2.0%，并且現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度應(yīng)大于100%.如果按常規(guī)目標(biāo)空隙率4%進(jìn)行設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度需要達(dá)到102%，這對(duì)于基面剛性大、料溫散失快、比表面積大的水泥路面加鋪薄層瀝青混合料非常困難.

2 剛性路面加鋪薄層瀝青混合料的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)

薄層加鋪壓實(shí)試驗(yàn)在水泥混凝土路面上進(jìn)行.先對(duì)混凝土表面進(jìn)行精銑刨，銑刨面構(gòu)造深度0.72～0.90 mm.銑刨面除塵后按0.40 kg·m-2灑布溶劑型瀝青黏結(jié)劑GS.薄層AC-10的生產(chǎn)油石比5.5%，雙機(jī)聯(lián)鋪寬度11m，松鋪厚度2.3 cm，壓實(shí)機(jī)具為13 t維特根悍馬HD128雙鋼輪壓路機(jī)和26t柳工CLG6526E輪胎壓路機(jī)；薄層AC-13的生產(chǎn)油石比4.9%，為隧道內(nèi)單車(chē)道攤鋪，攤鋪寬度4 m，松鋪厚度2.0 cm，壓實(shí)機(jī)具為13 t寶馬格BW203AD-4AM雙鋼輪壓路機(jī)和26 t徐工XP303KS輪胎壓路機(jī).

在攤鋪機(jī)攪籠內(nèi)取樣瀝青混合料，抽提篩分試驗(yàn)和馬歇爾試驗(yàn)的結(jié)果列于表3～4.表4中，馬歇爾試件擊實(shí)次數(shù)為150次；攤鋪溫度為攤鋪機(jī)攪籠內(nèi)的混合料溫度；壓實(shí)遍數(shù)為區(qū)段內(nèi)平均遍數(shù)，即根據(jù)壓路機(jī)在考察區(qū)段內(nèi)的碾壓時(shí)間、壓實(shí)寬度、區(qū)段面積和代表性碾壓速度計(jì)算得出.圖1為試驗(yàn)段芯樣照片.

表3 現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)試驗(yàn)的級(jí)配

表4 現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)工況與試驗(yàn)結(jié)果

圖1 剛性路面加鋪薄層瀝青混合料的芯樣(φ=10cm)

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明：①因?yàn)r青層較薄且與剛性基面粘結(jié)牢固，撬動(dòng)取芯及切割會(huì)損壞芯樣，使芯樣空隙率大于實(shí)際空隙率；②在正常氣象和攤鋪溫度條件下，試驗(yàn)段A、B、C的壓實(shí)總遍數(shù)已高達(dá)19遍～21.5遍，形成的壓實(shí)作用遠(yuǎn)大于通常施工和標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)的壓實(shí)作用，但滲水系數(shù)仍然較大，證明壓實(shí)遍數(shù)增加并不能減少滲水，在剛性路面上加鋪薄層瀝青混合料壓實(shí)極為困難;③試驗(yàn)段B使用了兩種壓實(shí)工藝，攤鋪溫度和氣象條件接近，但采用膠輪初壓工藝時(shí)滲水系數(shù)明顯下降，說(shuō)明在料溫較高的初壓階段采用搓揉壓實(shí)可以取得較好防滲效果;④試驗(yàn)段A的壓實(shí)工藝和遍數(shù)都相同，說(shuō)明不同壓實(shí)溫度對(duì)滲水系數(shù)有顯著影響，提高攤鋪溫度對(duì)壓實(shí)有利;⑤試驗(yàn)段B、C都采用了膠輪初壓的工藝，但級(jí)配較細(xì)的試驗(yàn)段B的滲水系數(shù)和構(gòu)造深度都較小;⑥試驗(yàn)段D壓實(shí)遍數(shù)少、氣象條件惡劣，但滲水系數(shù)并非最大，說(shuō)明減小設(shè)計(jì)空隙率(馬歇爾試件空隙率)是減小現(xiàn)場(chǎng)空隙率和滲水系數(shù)的關(guān)鍵;⑦只有在設(shè)計(jì)空隙率較小、料溫較高、氣象條件正常并且采用膠輪初壓條件下，2 cm厚AC-10的滲水系數(shù)方才小于100 mL·min-1.

3 剛性路面加鋪薄層瀝青混合料的壓實(shí)溫度

采用手持式紅外測(cè)溫儀，在四種工況下定點(diǎn)測(cè)量了剛性路面上加鋪厚度1.8～2.1 cm熱拌瀝青混合料的降溫歷程，具體工況和測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖2.圖2中不同時(shí)刻的料溫取固定攤鋪橫斷面內(nèi)的最大值，0 min時(shí)刻為料籠內(nèi)料溫.

圖2 剛性路面加鋪薄層瀝青混合料的降溫過(guò)程

攤鋪3 min后，薄層AC-10溫度分別降低33 ℃、37 ℃，降幅達(dá)6 cm厚AC-20的3倍.攤鋪19 min后，薄層AC-10溫度分別降低100 ℃、112 ℃，降幅為6 cm厚AC-20的2倍.

薄層AC-10采用雙機(jī)聯(lián)鋪，攤鋪于前的一板瀝青混合料不能緊跟碾壓，初壓開(kāi)始時(shí)刻變化于3～6 min，復(fù)壓結(jié)束時(shí)刻變化于15～19 min，即薄層AC-10壓實(shí)溫度變化范圍分別為120～53、127～52 ℃，稍有異常，初壓溫度就會(huì)低于100 ℃.而6 cm厚AC-20壓實(shí)溫度變化范圍為150～106 ℃，范圍中值較薄層AC-10高48 ℃.如果使用溫拌瀝青，將薄層混合料有效壓實(shí)溫度下限降至70 ℃，其復(fù)壓也須在10 min內(nèi)完成，而6 cm厚AC-20壓實(shí)時(shí)間超過(guò)19 min.

隧道內(nèi)鋪筑薄層AC-13有2種工況：(工況1)氣溫19 ℃、風(fēng)力2級(jí)的氣象條件略差于前述薄層AC-10，但它們的降溫歷程幾乎是相同的，說(shuō)明氣象條件的小幅變化對(duì)降溫歷程影響甚微；(工況2)氣溫8 ℃、風(fēng)力4級(jí)時(shí)薄層AC-13降溫明顯較快，4.5 min后降至100 ℃左右，復(fù)壓溫度僅112～55 ℃.工況2在攤鋪0～2 min的大幅降溫主要受剛性基面溫度較低的影響；而攤鋪6 min后降溫速率并未像其余工況一樣減緩，是受較大風(fēng)力的影響.

4 剛-柔界面的結(jié)合情況

4.1 剛-柔界面結(jié)合不良的現(xiàn)象和原因

剛性水泥混凝土基面與柔性瀝青加鋪層的結(jié)合情況是影響現(xiàn)場(chǎng)滲水系數(shù)的重要因素.當(dāng)剛-柔界面結(jié)合不良時(shí)，層間會(huì)有聯(lián)通的空隙(或稱(chēng)之為加鋪層的底面構(gòu)造)[9]，成為平面滲水的通道，并且增加加鋪層的芯樣空隙率.柔-柔界面結(jié)合良好幾乎沒(méi)有間隙，有研究發(fā)現(xiàn)柔-柔結(jié)合甚至能增加基面的原有密度[10].在前述現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，采用膠輪初壓減小了滲水系數(shù)的原因是：在搓揉作用下，瀝青混合料顆粒位置得以調(diào)整，其底面形態(tài)在一定程度上匹配了剛性基面的構(gòu)造.

與柔-柔界面結(jié)合不同，剛性基面不會(huì)因施工時(shí)覆蓋熱拌瀝青混合料而升溫軟化，界面上下嵌合只能依靠瀝青混合料顆粒位置的調(diào)整.其次，水泥混凝土的熱傳導(dǎo)系數(shù)相對(duì)較大，取其導(dǎo)熱系數(shù)為1.28，瀝青混合料導(dǎo)熱系數(shù)1.05，可簡(jiǎn)單計(jì)算在剛性路面上罩面比在瀝青路面上罩面的導(dǎo)熱量大約多22%，對(duì)于層厚較薄的瀝青罩面而言，料溫降低速度會(huì)更快，瀝青混合料顆粒位置的調(diào)整更為困難.

4.2 剛性基面構(gòu)造對(duì)界面結(jié)合的影響

當(dāng)基面構(gòu)造深度較大時(shí)，凹陷處匯集較多的粘結(jié)劑，灑布總量較高，一定程度上填充了界面間隙；基面構(gòu)造深度較小或者未銑刨時(shí)，黏結(jié)劑用量雖然少但粒徑較大的骨料不會(huì)被凸起的基面構(gòu)造所阻礙.為確認(rèn)基面構(gòu)造深度(TD)對(duì)滲水系數(shù)的影響，在大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)中篩選配合比相同、壓實(shí)條件相近而基面構(gòu)造深度不同的路段進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)表5.基面TD-滲水系數(shù)-加鋪層TD之間并無(wú)明確關(guān)系，因此基面TD不是影響層間結(jié)合的關(guān)鍵因素.選擇銑刨工藝時(shí)應(yīng)主要考慮清除風(fēng)化層、增加層間剪切和作業(yè)效率，無(wú)須考慮對(duì)層間結(jié)合的影響.

表5 不同基面構(gòu)造深度的薄層瀝青罩面現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果

5 滲水系數(shù)與構(gòu)造深度的矛盾關(guān)系

當(dāng)設(shè)計(jì)空隙率較小且壓實(shí)充分時(shí)，薄層瀝青表面還需要滿(mǎn)足構(gòu)造深度的要求.對(duì)于同一配合比，滲水系數(shù)和構(gòu)造深度是一對(duì)矛盾.現(xiàn)場(chǎng)空隙率越小時(shí)，構(gòu)造深度也變小.由于兩個(gè)指標(biāo)檢測(cè)所覆蓋的范圍面積都比較小，而小區(qū)域內(nèi)瀝青混合料的配合比組成具有較大變異性，因此通常難以在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)中統(tǒng)計(jì)出兩者的關(guān)系.圖3為薄層AC-10和薄層AC-13(分別對(duì)應(yīng)表2中的級(jí)配A、級(jí)配D，均采用先鋼后膠的碾壓方式)分別在同一攤鋪橫斷面上進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)(在滲水系數(shù)測(cè)量圓周外15 cm左右位置選擇與滲水系數(shù)測(cè)點(diǎn)外觀構(gòu)造一致的區(qū)域檢測(cè)構(gòu)造深度)的試驗(yàn)結(jié)果.

圖3 滲水系數(shù)與構(gòu)造深度的關(guān)系

試驗(yàn)表明：在同一攤鋪斷面上點(diǎn)對(duì)點(diǎn)檢測(cè)，滲水系數(shù)與構(gòu)造深度有相對(duì)較好的相關(guān)性，并且構(gòu)造深度較大時(shí)相關(guān)性更好；同一斷面上，雖然表面會(huì)看出一定的橫向離析，但瀝青混合料的配合比是相對(duì)一致的，其密實(shí)度差異主要來(lái)源于壓實(shí)條件的橫向差異，證明改變壓實(shí)條件只能讓兩個(gè)指標(biāo)此消彼長(zhǎng)，其矛盾只能由配合比設(shè)計(jì)解決；級(jí)配A和級(jí)配D的粗、細(xì)集料比例是相近的，AC-13相對(duì)具有較小的滲水系數(shù)和較大的構(gòu)造深度，因此公稱(chēng)粒徑較大的瀝青混合料對(duì)解決矛盾更具優(yōu)勢(shì).

6 結(jié) 束 語(yǔ)

剛性路面加鋪2.5 cm厚薄層瀝青混合料芯樣空隙率1.8%對(duì)應(yīng)滲水系數(shù)100 mL·min-1，芯樣空隙率2.2%對(duì)應(yīng)滲水系數(shù)200 mL·min-1.相比常規(guī)厚度的加鋪，薄層瀝青混合料的滲水閾值空隙率減小約3.5%.若以滲水系數(shù)100 mL·min-1為標(biāo)準(zhǔn)，薄層瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率需要減少至2.0%，現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度100%；設(shè)計(jì)空隙率為4%，則現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度應(yīng)達(dá)到102%.

鉆芯取樣時(shí)薄層芯樣易損壞，建議用滲水系數(shù)來(lái)判斷壓實(shí)情況.現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，在剛性路面上加鋪薄層瀝青混合料壓實(shí)較為困難，僅僅增加碾壓遍數(shù)不足以改善滲水系數(shù)，因此建議用2%作為設(shè)計(jì)空隙率.只有在設(shè)計(jì)空隙率較小、料溫較高、氣象條件正常且采用膠輪初壓條件下，2 cm厚AC-10的滲水系數(shù)方才小于100 mL·min-1.

剛性路面上加鋪薄層瀝青混合料降溫速率快，有效壓實(shí)時(shí)間短是導(dǎo)致壓實(shí)不足、現(xiàn)場(chǎng)滲水的重要原因之一.薄層瀝青混合料的在相同時(shí)間內(nèi)降溫幅度是普通厚度瀝青混合料的2～3倍，有時(shí)復(fù)壓前料溫甚至低于100 ℃.剛性基面溫度較低、風(fēng)速較大時(shí)，料溫降幅更明顯.其次，剛性基面?zhèn)鳠崴俣容^快且基面構(gòu)造受熱不變形，使得剛-柔界面結(jié)合較差，界面聯(lián)通空隙成為橫向滲水通道.改變剛性基面的構(gòu)造特征對(duì)改善界面結(jié)合情況沒(méi)有明顯作用.

在設(shè)計(jì)空隙率較小時(shí)應(yīng)避免構(gòu)造深度偏小，改變現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)條件只能讓滲水系數(shù)與構(gòu)造深度此消彼長(zhǎng)，采用較大公稱(chēng)粒徑的混合料可緩和其矛盾.