高性能瀝青路面空隙率對(duì)路面耐用性的影響研究與應(yīng)用

遲福橋，韓玉成

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

瀝青路面的空隙率是瀝青路面設(shè)計(jì)與施工驗(yàn)收的關(guān)鍵性指標(biāo)之一，這是因?yàn)闉r青路面使用性能很大程度上取決于瀝青混合料的體積特性，主要以瀝青混合料的空隙率、瀝青飽和度和礦料間隙率等來表征。

1 背景

哥斯達(dá)黎加32 號(hào)公路修復(fù)與擴(kuò)建項(xiàng)目是中美洲洲際公路中大西洋走廊的主要干線，運(yùn)輸非常繁忙。全年日照變化相差不到1 小時(shí)，這就意味著在哥斯達(dá)黎加全年的溫度都非常穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)依據(jù)AASHTO 1993 路面設(shè)計(jì)指南和哥斯達(dá)黎加當(dāng)?shù)匾?，確定本項(xiàng)目主線、互通和PSV 采用高性能瀝青混合料面層，上面層為5cm 的SUP-13 高性能瀝青混合料，公稱最大粒徑為12.5mm。

2 瀝青路面上面層配合比簡述

2.1 基質(zhì)瀝青及改性

基質(zhì)瀝青采用哥斯達(dá)黎加當(dāng)?shù)毓荆ˋC-30）的瀝青，改性劑采用墨西哥廠家的Elvaloy? 5170 丁苯橡膠SBR 改性劑（摻量為1.5%）和PPA 多聚磷酸穩(wěn)定劑（摻量為0.2%）。

根據(jù)當(dāng)?shù)赜?jì)算分析系統(tǒng)哥斯達(dá)黎加國家試驗(yàn)室對(duì)區(qū)域性能等級(jí)定為PG76-22，如圖1 所示。

圖1 瀝青混合料性能等級(jí)劃分圖

2.2 瀝青骨料及填料

SUP-13 瀝青混合料配合比集料采用河料通過顎破+反擊破生產(chǎn)。通過瀝青拌合站熱料振動(dòng)篩分為0～3mm、3～6mm、6～11mm、11～16mm 四檔熱料進(jìn)行拌合，填料使用當(dāng)?shù)厥規(guī)r質(zhì)礦山開采的碎石進(jìn)行加工磨細(xì)作為填料。

2.3 瀝青混合級(jí)配

瀝青上面層混合級(jí)配如圖2 所示。

圖2 上面層混合料級(jí)配曲線圖

3 壓實(shí)瀝青混合料漢堡車轍試驗(yàn)方法

壓實(shí)瀝青混合料漢堡車轍試驗(yàn)方法是美國國家公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)為了測(cè)試瀝青混合料車轍和受潮等原因引起的過早破壞的敏感性程序。由于浸水條件并且輪轍次數(shù)高為20000 次，可以間接地反映出現(xiàn)場瀝青路面由于空隙率原因所導(dǎo)致的路面耐用性指標(biāo)。計(jì)算總變形量、剝落斜率和剝落變形拐點(diǎn)來評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗水損壞性能，使用蠕變斜率來評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫抗車轍性能。

漢堡車轍儀器是直徑203.2±2.0mm，寬47±0.5mm的鋼輪放在試樣的中心點(diǎn)上方，鋼輪的負(fù)載為703±4.5N，鋼輪在試樣上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，鋼輪每分鐘通過試樣52±2 次，在試樣上鋼輪的速度為0.305±0.02m/s；保存數(shù)據(jù)。如圖3 所示。

圖3 漢堡車轍根據(jù)曲線斜率確定車轍次數(shù)圖

4 瀝青路面上面層空隙率選擇及影響

瀝青路面的空隙率是影響其路用性能的一個(gè)重要指標(biāo)，一般來說瀝青路面使用壽命的減少是由于現(xiàn)場壓實(shí)的壓實(shí)密度過低（由漏壓或壓實(shí)遍數(shù)過少）而使空隙率變大。對(duì)于層厚比較薄的上面層，NCAT（美國國家瀝青技術(shù)中心）強(qiáng)調(diào)了保持?jǐn)備仚C(jī)熨平板高度一致的重要性，并且需要在混合料冷卻前碾壓完成，首先要控制好現(xiàn)場熱拌瀝青混合料的空隙率，其次是粗骨料的比例和瀝青混合料的礦料間隙率（VMA）。隨著粗骨料比例的增加，滲透率增加，但在空隙率一定的情況下，隨著瀝青混合料的礦料間隙率（VMA）的增加而降低。所以Brown 等人2004 在NCHRP（美國國家公路合作研究計(jì)劃）報(bào)告的531 中提到，隨著高性能瀝青方法在1994年美國公路機(jī)構(gòu)報(bào)告中增加了關(guān)于生產(chǎn)不透水瀝青路面所需的現(xiàn)場空隙率，表明現(xiàn)場的空隙率范圍必須介于3%～8%之間。

在對(duì)碾壓完成后的施工路段用鉆機(jī)進(jìn)行取樣，進(jìn)行空隙率檢測(cè)時(shí)選用直徑不小于101mm 鉆頭，檢測(cè)瀝青路面永久變形時(shí)選用直徑150mm 鉆頭。

通過對(duì)哥斯達(dá)黎加32 公路施工工藝相同的路面取芯檢測(cè)永久變形按照AASHTO T324 壓實(shí)瀝青混合料漢堡車轍試驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖4 所示：

圖4 漢堡車轍數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

通過上表可以看出瀝青路面的空隙率對(duì)路面的使用性能非常重要，此試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明在瀝青路面空隙率高于7%后，瀝青路面的使用壽命開始呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，而瀝青路面空隙率高于10%，瀝青路面的使用壽命將出非常明顯的下降，降低了瀝青路面的耐用性，隨之而來的就會(huì)使路面出現(xiàn)松散、坑洞等病害。

當(dāng)瀝青路面空隙率低于2%時(shí)，由于瀝青路面內(nèi)部的自由瀝青在較高的氣溫受熱膨脹，會(huì)導(dǎo)致瀝青路面出現(xiàn)泛油狀態(tài)，這會(huì)造成路面摩擦系數(shù)較小，對(duì)行車安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，而且面層的瀝青含量越來越少，最后導(dǎo)致路面損壞。

考慮到項(xiàng)目所在區(qū)域?qū)儆诟邷貧夂?，在空隙率達(dá)到2%時(shí)路面容易出現(xiàn)路面損壞，為保證常年高溫下自由瀝青在瀝青路面內(nèi)部的膨脹空間，應(yīng)使空隙率控制在2.5%以上。另從空隙率與車轍變形關(guān)系圖（圖5）中可以看出在空隙率在10%時(shí)永久變形變化還在控制范圍內(nèi)，但是由于所在項(xiàng)目區(qū)域氣候條件是降雨比較多的路段所以應(yīng)嚴(yán)格控制，控制空隙率最大為9%。而CR2010中表示現(xiàn)場空隙率控制在3%～8%之間是可以接收。

圖5 空隙率與永久變形關(guān)系圖

5 瀝青路面空隙率對(duì)現(xiàn)場的應(yīng)用

根據(jù)上文試驗(yàn)結(jié)論可判斷出SUP-13 瀝青面層空隙率在3%～8%是可以接受的，而在空隙率2.5%～3%和8%～9%必須鉆取直徑為150mm 的芯樣用于漢堡車轍測(cè)試（AASHTO T324），如不合格必須銑刨。

而瀝青下面層SUP-19 中空隙率在2.5%～3%鉆取直徑為150mm 的芯樣進(jìn)行APA 永久變形測(cè)試（AASHTO T340）結(jié)果符合要求后，在鋪設(shè)SUP-13 瀝青之前，在該區(qū)域鋪設(shè)玻纖格柵，如果結(jié)果不符合，則必須進(jìn)行處理?？障堵试?%～9%之間直接在該區(qū)域鋪設(shè)玻纖格柵然后鋪設(shè)SUP-13 瀝青即可。一般選用彈性模量較小的玻纖格柵因其自身具有強(qiáng)度高、伸長率低、耐高溫、重量輕、韌性好、耐腐蝕、壽命長等特點(diǎn)。增大玻纖格柵的彈性模量會(huì)增大瀝青層底的應(yīng)力，模量越大，裂縫尖端的應(yīng)力會(huì)越小，一般不采用。作為強(qiáng)度高、韌性好的玻纖格柵，其作用是抑制應(yīng)力，釋放應(yīng)變，同時(shí)作為瀝青路面加筋材料，提高兩層結(jié)構(gòu)的抗拉和抗剪能力，從而達(dá)到減少裂縫的目的玻纖格柵在瀝青路面夾層中，能夠?qū)⑸鲜龅膲簯?yīng)力與拉應(yīng)力分散，在兩塊受力區(qū)域之間形成緩沖帶，在這里應(yīng)力逐步變化而不是突變，減少了應(yīng)力突變對(duì)瀝青面層的破壞。同時(shí)玻纖格柵的低延伸率減小了路面的彎沉量，保證了路面不會(huì)發(fā)生過渡變形。耐高溫車轍，在瀝青路面夾層中使用玻纖格柵，其在瀝青面層中起到骨架作用。瀝青混合料中集料貫穿于格柵間，形成復(fù)合力學(xué)嵌鎖體系，限制集料運(yùn)動(dòng)，增加了瀝青面層中的橫向約束力，瀝青面層中各部分彼此牽制，防止了瀝青面層的推移，從而起到抵抗車轍的作用。

此方法已得到哥斯達(dá)黎加當(dāng)?shù)乇O(jiān)理認(rèn)可，并開始實(shí)施。

6 結(jié)論

在國內(nèi)不管是上面層還是下面層都使用車轍試驗(yàn)機(jī)來檢測(cè)動(dòng)穩(wěn)定度，在我國南方地區(qū)夏季持續(xù)高溫，降雨量大，只是考慮到高溫車轍沒有考慮到路面浸水的條件，而漢堡車轍試驗(yàn)方法是在浸水條件下檢測(cè)，既能評(píng)價(jià)上面層的抗水損害性能，也可以評(píng)價(jià)高溫抗車轍性能，這是可以推廣應(yīng)用的。

瀝青混合料生產(chǎn)因骨料級(jí)配變化原因會(huì)導(dǎo)致空隙率有差異，若要將瀝青路面實(shí)現(xiàn)較小差異，前期應(yīng)考察瀝青的骨料級(jí)配必須進(jìn)行控制其穩(wěn)定單個(gè)級(jí)配不能相差太大，試驗(yàn)室需要特別關(guān)注瀝青混合料理論最大相對(duì)密度。

現(xiàn)場采用核子密度儀檢測(cè)壓實(shí)度并對(duì)其取芯檢測(cè)空隙率兩者進(jìn)行對(duì)比，嚴(yán)格控制瀝青路面空隙率，現(xiàn)場空隙率控制范圍宜在5%左右，現(xiàn)場確定碾壓遍數(shù)后不得隨意更改。