無核密度測(cè)試技術(shù)在SMA-10磨耗層碾壓質(zhì)量控制中的應(yīng)用

陽經(jīng)培, 楊理想, 何仲強(qiáng)

(1.廣東茂湛高速公路有限公司擴(kuò)建工程管理處, 廣東 茂名 525022; 2.中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司, 西安 710000; 3.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司, 廣州 510641)

瀝青瑪蹄脂(stone mastic asphalt,SMA)路面是一種間斷級(jí)配組成的嵌擠性骨架結(jié)構(gòu),并由改性瀝青、礦粉、纖維穩(wěn)定劑和少量的細(xì)集料組成的瀝青瑪蹄脂填充于骨架空隙而形成的瀝青混合料[1-2],是20世紀(jì)60年代由德國發(fā)明的高性能新型路面材料。由于SMA具有良好的路用性能,因此自出現(xiàn)以來就被廣泛應(yīng)用于全世界的重交通荷載及高輪胎壓力的道路上。它的特性主要包括兩個(gè)方面:一是斷級(jí)配集料相互嵌鎖組成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)“骨架”;二是由少量細(xì)集料、瀝青結(jié)合料和穩(wěn)定添加劑組成瀝青瑪蹄脂,將“骨架”膠結(jié)在一起,使混合料有顯著的骨架結(jié)構(gòu)和密實(shí)程度[3-4]。因此,SMA具備優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性(抗車轍性能)、良好的水穩(wěn)定性(孔隙率維持3%～4%,密水不透水)、優(yōu)良的低溫抗裂和耐老化性能(富油膜和纖維加筋作用)等優(yōu)勢(shì)。近年來,不少項(xiàng)目在營(yíng)運(yùn)過程中也發(fā)現(xiàn),SMA路面的抗滑耐久性也比傳統(tǒng)瀝青混凝土(asphalt concrete,AC)路面更有優(yōu)勢(shì),其橫向力系數(shù)(SFC)可以維持在45以上至少5年,在全壽命使用周期的成本上更具有經(jīng)濟(jì)效益[5-7]。

廣東省位于我國華南地區(qū),屬熱帶和亞熱帶季風(fēng)氣候,夏季高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),臺(tái)風(fēng)頻發(fā),且伴隨著降雨量大而集中,因此對(duì)磨耗層抗水損害性能和耐久性能要求較高。壓實(shí)成型是瀝青路面施工過程中的關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié),直接關(guān)系到瀝青路面的使用性能和使用壽命[8-10]。一方面,需要充分的碾壓遍數(shù)來保證瀝青混合料的壓實(shí)度,提高混合料的力學(xué)性能;另一方面,在施工過程中難以控制碾壓遍數(shù),很容易因?yàn)槿斯ゑ{駛壓路機(jī)形成模糊碾壓,導(dǎo)致局部路段的碾壓遍數(shù)過多,路面的構(gòu)造深度衰減嚴(yán)重,碎石棱角甚至出現(xiàn)壓碎和油膜剝落問題,直接影響路面抗滑性能。此外,過度碾壓也將導(dǎo)致混合料體積參數(shù)發(fā)生變化,造成混合料空隙率、抗拉與抗剪強(qiáng)度等物理力學(xué)性能指標(biāo)的改變,是導(dǎo)致瀝青路面發(fā)生早期水損害和推移、擁包的重要原因。隨著橋隧比例的增加,以及路面養(yǎng)護(hù)市場(chǎng)需求的增大,小粒徑SMA-10混合料作為新型磨耗層應(yīng)用越來越多,而其對(duì)施工工藝尤其是碾壓環(huán)節(jié)的敏感性更高[11-12]。減少SMA-10對(duì)碾壓經(jīng)驗(yàn)的依賴,優(yōu)化壓實(shí)工藝控制,是保證SMA-10磨耗層混合料施工質(zhì)量品質(zhì)提升的關(guān)鍵[13]。

本研究依托廣東省粵西茂湛高速改擴(kuò)建項(xiàng)目,重點(diǎn)針對(duì)小粒徑SMA-10瀝青磨耗層的碾壓工藝環(huán)節(jié)進(jìn)行試驗(yàn)研究,采用無核密度儀檢測(cè)技術(shù)獲取不同碾壓遍數(shù)下的SMA-10路面壓實(shí)度數(shù)據(jù),并探索混合料溫度變化對(duì)壓實(shí)曲線的影響,最后對(duì)碾壓工藝優(yōu)化后的試驗(yàn)路段開展空隙率分布狀況評(píng)價(jià),總結(jié)歸納推薦的SMA-10磨耗層碾壓溫度控制和工藝組合。采用無損檢測(cè)法進(jìn)行碾壓環(huán)節(jié)監(jiān)控,可量化評(píng)價(jià)碾壓遍數(shù)、碾壓模式、溫度狀況等因素對(duì)壓實(shí)度的影響,為進(jìn)一步優(yōu)化碾壓方案提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

茂湛高速是國高網(wǎng)粵西交通大動(dòng)脈的其中一段,隨著近年交通量的急劇增大,需對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)建改造。原路為雙向四車道,改擴(kuò)建完成后為雙向八車道,設(shè)計(jì)時(shí)速120 km/h,原路面改擴(kuò)建后面層結(jié)構(gòu)組合為3.5 cm SMA-10(上面層)+5 cm GAC-16C(中面層)+5 cm GAC-16(下面層)+原路面6 cm AC-16。

2 SMA-10配合比設(shè)計(jì)

2.1 原材料

集料采用廣西貴港的5～10 mm、3～5 mm碎石和0～3 mm機(jī)制砂。主要技術(shù)指標(biāo)見表1、表2;瀝青采用SBS(Ⅰ-D)PG76-22改性瀝青,主要技術(shù)指標(biāo)見表3;礦粉采用石灰?guī)r研磨加工的礦粉;水泥采用P.O42.5水泥;纖維采用顆粒狀木質(zhì)素纖維,摻量為混合料重的0.35%。

表1 粗集料性能指標(biāo)

表2 細(xì)集料性能指標(biāo)

表3 改性瀝青性能指標(biāo)

2.2 生產(chǎn)配合比與混合料性能介紹

經(jīng)過三階段試驗(yàn),確定SMA-10瀝青混合料生產(chǎn)配合比為:6～11 mm∶4～6 mm∶0～4 mm∶礦粉∶水泥=68∶5∶17∶9∶1;合成級(jí)配見表4。油石比為6.4%,纖維摻量為0.35%。

表4 礦料合成級(jí)配

根據(jù)最佳油石比及設(shè)計(jì)級(jí)配分別進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)、滲水系數(shù)試驗(yàn)等來檢驗(yàn)設(shè)計(jì)瀝青混合料的路用性能,試驗(yàn)結(jié)果見表5。從混合料性能試驗(yàn)的各項(xiàng)指標(biāo)來看,均能較好達(dá)到設(shè)計(jì)要求,SMA-10混合料水穩(wěn)定性和高溫性能良好。

表5 瀝青混合料的路用性能檢測(cè)結(jié)果

3 施工基本情況

施工前,需要開展一系列的準(zhǔn)備工作:組織灑水車清理下承層,確保下承層潔凈干燥。對(duì)工作面外構(gòu)造物采用塑料薄膜防護(hù),避免黏層施工時(shí)被污染。黏層油瀝青噴灑設(shè)備順道路縱向噴灑,每道搭接0～5 cm。對(duì)噴灑區(qū)域,查缺補(bǔ)漏,漏灑及邊角位置安排補(bǔ)灑。壓路機(jī)組起點(diǎn)前30 m內(nèi)鋪設(shè)土工布,碾壓前仔細(xì)清洗壓路設(shè)備,直至無鋼銹,無黃土黏附。

采用1座瑪連尼H5500型瀝青拌和樓(圖1)進(jìn)行混合料拌和;攤鋪設(shè)備為2臺(tái)福格勒2100-3L攤鋪機(jī)并機(jī)鋪筑,攤鋪機(jī)拼寬為8.75 m+10.5 m;碾壓設(shè)備為9臺(tái)寶馬格203SL雙鋼輪壓路機(jī)(圖2),激振力為12.8 t,鋼輪寬度為2 135 mm,頻率為0～40 Hz,振幅為0～0.69 mm。初定采用兩種不同碾壓方案,碾壓方案組合見表6。

圖1 瑪連尼5500型瀝青拌和樓

圖2 寶馬格203SL雙鋼輪壓路機(jī)

表6 碾壓方案

4 基于無核密度儀設(shè)備的碾壓工藝

4.1 無核密度儀測(cè)試壓實(shí)度的基本原理

無核密度儀(PQI) 是通過對(duì)材料基體電阻抗變化作出反應(yīng)的電傳感場(chǎng),來測(cè)試瀝青混合料的毛體積密度或壓實(shí)情況,而電傳感場(chǎng)又是材料的復(fù)合電阻率和介電常數(shù)的復(fù)合函數(shù)。當(dāng)對(duì)導(dǎo)體施加電荷時(shí),會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng),如在這個(gè)電場(chǎng)內(nèi)引入了一個(gè)被稱為介電體的非導(dǎo)體,則電場(chǎng)的強(qiáng)度就會(huì)降低。介電體減少電場(chǎng)的量可通過介電常數(shù)來表征。該型號(hào)無核密度儀應(yīng)用此項(xiàng)技術(shù),并進(jìn)行了技術(shù)創(chuàng)新,通過使用恒定電壓、射頻和電阻抗的方法,在被測(cè)試的瀝青混合料表面建立了一個(gè)新的環(huán)形電傳感場(chǎng),因此能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)路面密度的瞬時(shí)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。因此,本項(xiàng)目實(shí)施過程中采用Trans Tech公司生產(chǎn)的PQI380無核密度儀進(jìn)行壓實(shí)度測(cè)試。無核密度儀工作原理如圖3所示。

圖3 無核密度儀工作原理

4.2 不同碾壓遍數(shù)下的壓實(shí)度規(guī)律

所選取的路段SMA-10混合料的到場(chǎng)溫度為176 ℃,初壓溫度為167 ℃,施工當(dāng)天氣候正常,以此作為正常施工溫度環(huán)境。選擇局部溫度偏低的瀝青混合料,通過插入式溫度計(jì)和溫槍測(cè)試,內(nèi)部溫度偏低約5 ℃,表面溫度偏低8～10 ℃,作為偏低溫度路段。安排專人采用無核密度儀開展不同碾壓遍數(shù)下的瀝青路面壓實(shí)度變化(表7),逐遍(1個(gè)往返定義為碾壓1遍)對(duì)壓實(shí)度進(jìn)行測(cè)試,全過程記錄壓實(shí)度變化。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)如圖4所示。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

表7 不同碾壓遍數(shù)的壓實(shí)度

由表7可知,在正常溫度下,雙鋼輪碾壓6遍后,SMA-10的壓實(shí)度便可滿足設(shè)計(jì)的98%要求,后續(xù)繼續(xù)進(jìn)行振動(dòng)碾壓,壓實(shí)度增長(zhǎng)幅度不明顯,說明該階段的瀝青混合料可塑性良好,壓路機(jī)的鋼輪壓實(shí)功能夠很好地轉(zhuǎn)換為瀝青混合料的有效壓實(shí)度。后續(xù)隨著碾壓遍數(shù)的增加,混合料內(nèi)部的骨料嵌擠進(jìn)一步加強(qiáng),骨料間的內(nèi)部阻力隨之變大,導(dǎo)致壓實(shí)度的增長(zhǎng)幅度下降。對(duì)于偏低溫度下的SMA-10混合料,其初始?jí)簩?shí)度與正常溫度混合料差別不大,隨著壓路機(jī)碾壓遍數(shù)的增加,混合料壓實(shí)度也隨之增大,在碾壓8遍之后,可達(dá)到不小于98%規(guī)范要求。再繼續(xù)增加碾壓遍數(shù),混合料壓實(shí)度變化不大,甚至收光完成之后出現(xiàn)略微下降的趨勢(shì),說明此時(shí)瀝青混合料已經(jīng)接近壓實(shí)度峰值,過度碾壓反而會(huì)破壞混合料已成型的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步分析不同碾壓遍數(shù)下的壓實(shí)度增長(zhǎng)幅度(圖5)。由圖5可知,第1遍碾壓后,瀝青混合料的壓實(shí)度增長(zhǎng)幅度最大,隨著碾壓遍數(shù)的增加,增長(zhǎng)幅度減緩,直至終壓后基本無明顯增長(zhǎng)。說明壓路機(jī)的有效壓實(shí)功轉(zhuǎn)換隨著壓實(shí)遍數(shù)而出現(xiàn)減少,主要與混合料的骨料與膠漿逐漸穩(wěn)固而產(chǎn)生較大的抵抗力有關(guān)。相比正常的混合料溫度,偏低溫度的瀝青混合料壓實(shí)度增長(zhǎng)有所區(qū)別,主要體現(xiàn)在最開始的幾次壓實(shí)度增長(zhǎng)不明顯,而復(fù)壓過程持續(xù)增長(zhǎng),至終壓環(huán)節(jié)出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)波動(dòng)。說明除了碾壓遍數(shù)的影響之外,瀝青混合料的溫度和碾壓模式也是影響壓實(shí)功變化的主要因素。此外,從圖5中也可以看出,第4、第5遍的靜壓下混合料壓實(shí)度增長(zhǎng)幅度比第6、第7遍的振動(dòng)碾壓更小,說明雙鋼輪壓路機(jī)的振動(dòng)模式壓實(shí)功明顯高于靜態(tài)模式。而針對(duì)正常溫度的SMA-10混合料,推薦“靜壓2.5遍+振動(dòng)碾壓3.5遍”的組合,低溫狀態(tài)下的SMA-10混合料需增加振動(dòng)碾壓遍數(shù)。

圖5 不同溫度、不同碾壓遍數(shù)下的壓實(shí)度

4.3 試驗(yàn)路段空隙率分布評(píng)價(jià)

按照推薦的碾壓組合方案“靜壓2.5遍+振動(dòng)碾壓3.5遍+1遍收光”進(jìn)行施工。為全面測(cè)試試驗(yàn)段壓實(shí)度的分布情況,評(píng)價(jià)其均勻性,采用PQI380無核密度儀對(duì)試驗(yàn)路段壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè),現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)如圖6所示。無核密度儀采用電磁法測(cè)量瀝青路面的均勻性和相對(duì)密度,并自動(dòng)計(jì)算平均密度和壓實(shí)度,具有測(cè)量速度快、結(jié)果準(zhǔn)確、可靠性好、標(biāo)定簡(jiǎn)單、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。以0.5 m為間隔繪制全斷面方格采集待檢區(qū)域共1 298個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù),按空隙率的范圍分為細(xì)離析(0%～3%)、非離析(3%～4.5%)、中度粗離析(4.5%～6%)、嚴(yán)重粗離析(>6%)4種離析程度。檢測(cè)結(jié)果(圖7)顯示,檢測(cè)區(qū)域非離析區(qū)域占比為82.5%,嚴(yán)重離析區(qū)域僅占比1.0%,表明該區(qū)域?yàn)r青上面層空隙較為均勻,離析程度較低。

圖6 無核密度儀測(cè)試壓實(shí)度現(xiàn)場(chǎng)

圖7 空隙率分布

因此,在后續(xù)施工中,將正常溫度下使用雙鋼輪碾壓6遍即進(jìn)行及時(shí)收光,很好地避免低溫收光導(dǎo)致棱角磨損問題。最終確定SMA-10混合料施工碾壓方案,見表8。

表8 SMA-10碾壓方案

4.4 其他路用性能指標(biāo)

(1)芯樣壓實(shí)度。現(xiàn)場(chǎng)鉆取6個(gè)芯樣,測(cè)試其壓實(shí)度和進(jìn)行無核密度儀標(biāo)定,結(jié)果表明壓實(shí)度均能滿足不小于98%的設(shè)計(jì)要求,其中壓實(shí)度最小為98.6%,最大為99.6%。

(2)滲水系數(shù)。對(duì)上面層進(jìn)行滲水系數(shù)檢測(cè),共檢測(cè)8個(gè)斷面,均值為4.0 mL/min,合格率為100%,滿足不大于80 mL/min的設(shè)計(jì)要求。

(3)平整度。采用連續(xù)式平整度儀對(duì)工后上面層進(jìn)行測(cè)試,共檢測(cè)16個(gè)區(qū)間,均值0.58 mm,合格率100%,滿足上面層平整度標(biāo)準(zhǔn)差小于1.0 mm的設(shè)計(jì)要求。

(4)抗滑性能。采用鋪砂法進(jìn)行構(gòu)造深度檢測(cè),共檢測(cè)15個(gè)斷面,每個(gè)斷面檢測(cè)3處,平均值為0.91 mm,合格率為100%。滿足構(gòu)造深度(0.8～1.2 mm)的規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

(1)在正常溫度下碾壓SMA-10混合料,雙鋼輪碾壓6遍即可達(dá)到壓實(shí)度的設(shè)計(jì)要求,隨著碾壓遍數(shù)的增加,路面壓實(shí)度增長(zhǎng)幅度逐漸平緩。

(2)當(dāng)溫度偏低(5～10 ℃)時(shí),需增加雙鋼輪碾壓遍數(shù)至8遍后方能達(dá)到設(shè)計(jì)的壓實(shí)度要求,再繼續(xù)增加碾壓遍數(shù),路面壓實(shí)度變化不大,甚至出現(xiàn)過振松散的壓實(shí)度下降趨勢(shì)。

(3)壓路機(jī)的振動(dòng)碾壓模式可以產(chǎn)生比靜壓模式更大的壓實(shí)功,針對(duì)正常溫度的SMA-10混合料,推薦“靜壓2.5遍+振動(dòng)碾壓3.5遍”的組合,低溫狀態(tài)下的SMA-10混合料需結(jié)合試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果增加振動(dòng)碾壓遍數(shù)。

(4)采用無核密度測(cè)試技術(shù)對(duì)實(shí)體路段開展全斷面空隙率分布測(cè)試,優(yōu)化碾壓路段的非離析比例達(dá)到82.5%以上,壓實(shí)均勻性優(yōu)良,各項(xiàng)路用性能指標(biāo)較好。