多雨環(huán)境下道路多孔瀝青混合料的壓實次數(shù)設(shè)計分析

收稿日期：2024-03-14

作者簡介：陳桂娜（1982—），女，本科，工程師，研究方向：公路道路與橋梁工程。

摘要 為探究多孔瀝青混合料應(yīng)用于道路工程路面施工中的碾壓效果，文章通過旋轉(zhuǎn)壓實法探究各組瀝青混合料耐久性、骨架結(jié)構(gòu)狀態(tài)及空隙率。結(jié)果顯示：瀝青混合料空隙率隨旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)增加而逐漸下降，早期降幅較大，后期降幅減小。瀝青混合料壓實次數(shù)在45次以上時能形成良好骨架結(jié)構(gòu)。不同壓實次數(shù)下試件的飛散損失均能控制在20%內(nèi)，隨壓實次數(shù)增加表現(xiàn)為近似凹曲線，最小值為壓實77次。制備瀝青混合料時，建議壓實次數(shù)取45～77次。

關(guān)鍵詞 瀝青混合料；多孔瀝青；瀝青級配；壓實次數(shù)；肯塔堡飛散試驗

中圖分類號 U414文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）11-0117-03

0 引言

多孔瀝青混合料通常用于降雨量較大地區(qū)，該類材料含有較多粗集料，結(jié)構(gòu)空隙率較高，應(yīng)用于路面工程中能夠表現(xiàn)出良好的排水、透水功能，同時具有降噪和防滑等效果[1-2]，而多孔瀝青混合料應(yīng)用時其集料性能、所用瀝青黏附效果都會直接對多孔瀝青混合料應(yīng)用功能效果產(chǎn)生直觀影響，工程實踐中如果所用瀝青材料黏附性能不足則很容易導(dǎo)致路面工程投入應(yīng)用后快速出現(xiàn)松散問題[3]。

當前學界針對多孔瀝青混合料應(yīng)用已經(jīng)開展大量研究[4-5]，但針對多孔瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實性能研究數(shù)量不多，而工程規(guī)范設(shè)計方法中要求瀝青混合料設(shè)計時需要以空隙率為依據(jù)確定材料最大壓實次數(shù)、設(shè)計壓實次數(shù)和初始壓實次數(shù)，這一設(shè)計方式并不能充分滿足多孔瀝青混合料應(yīng)用需求?；诖?，該文結(jié)合多孔瀝青混合料具有旋轉(zhuǎn)壓實的特點，從混合料耐久性、骨架特點、功能特點等角度出發(fā)，分析不同交通量條件下多孔混合料的壓實次數(shù)、壓實程度設(shè)計，以期推動多孔瀝青混合料的應(yīng)用。

1 級配設(shè)計

多孔瀝青混合料級配設(shè)計應(yīng)當能夠使瀝青混合料形成良好且穩(wěn)定的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，同時確保結(jié)構(gòu)具有良好的排水性能，因而開展級配設(shè)計時需要考慮粗細集料之間的組成配比，確定混合料空隙率能夠達到規(guī)范要求，還應(yīng)采取措施在保障瀝青混合料應(yīng)用性能的基礎(chǔ)上盡量強化耐久性，提高使用壽命。

1.1 空隙率

某地區(qū)路面工程需鋪設(shè)瀝青路面，單側(cè)斷面寬度為8 m且厚度均為4 cm，道路坡度為1.5%，該地區(qū)年均降雨量較高，結(jié)合該區(qū)域路面排水空隙率要求（見表1），此處設(shè)定工程瀝青路面空隙率在20%左右。

表1 案例工程路面排水空隙率要求

等級 小雨 中雨 大雨 暴雨

空隙率/% — 14.1～18.5 18.7～21.7 ≥22

降雨量/（mm/h） ≤2.4 8.1～17 2.6～9 ≥16

1.2 初始級配

不同區(qū)域、不同工程中制備瀝青混合料時的性能要求、材料性能之間存在區(qū)別，設(shè)計混凝土材料空隙率的方式也存在差異，因而瀝青混合料級配的具體范圍也存在一定差異，此處結(jié)合工程需求，分別設(shè)計細、中、粗級配，具體情況如表2所示。

以上述3種級配為基準，依托工程經(jīng)驗確定初始級配中瀝青用量并分別成型馬歇爾試件，使用玄武巖纖維作為集料，瀝青材料則選用SK高黏度改性瀝青，而后分別測量各組試件馬歇爾物理體積指標，所得結(jié)果如表3所示。

繪制篩孔2.36 mm通過率不同條件下瀝青混合料試件的空隙率曲線，具體如圖1所示。案例工程中要求路面空隙率為20%左右，而2.36 mm篩孔通過率為13.7%條件下空隙率剛好達到20%，對照表2和表3具體信息可見級配2能夠達到這一要求，因而后續(xù)實驗中均采用級配2制備PAC-13多孔瀝青混合料。

圖1 篩孔2.36 mm通過率與空隙率關(guān)系圖

2 壓實特性

2.1 壓實曲線

多孔混合料對于材料空隙率有著較高要求，因而制備瀝青混合料試件時需要保持較高壓實度，此處采用旋轉(zhuǎn)壓實法進行壓實。分析壓實溫度在155 ℃，旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)在120次條件下PAC-13的壓實曲線，所得結(jié)果如圖2所示。

圖2 溫度155 ℃下瀝青混合料壓實曲線圖

結(jié)合初期壓實次數(shù)、設(shè)計壓實次數(shù)和最高壓實次數(shù)等，可將圖2曲線具體劃分為三個階段：第一階段瀝青混合料密實度比快速提升，密實度比的提升說明瀝青混合料施工和易性提升，工作性能提升；第二階段密實度比雖然依舊保持提升，但增速逐漸下降，這一階段瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)逐漸成形，這也是工程實踐中的壓實施工環(huán)節(jié)；第三階段瀝青混合料密實度比的增長速度大概維持在穩(wěn)定水平，增長不明顯，其原因在于瀝青混合料中骨架結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本完全成形，結(jié)構(gòu)整體空隙率降低過程受到抑制，這一過程大約對應(yīng)工程竣工后投入運營期間的二次壓實。

2.2 空隙率變化

以“目標空隙率為20%，目標空隙率浮動允許范圍在上下2%之間”為依據(jù)，即可獲取不同旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)下瀝青混合料的空隙率發(fā)展曲線。分析壓實溫度155 ℃時不同壓實次數(shù)下PAC-13的空隙率曲線，所得結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度155 ℃下瀝青混合料空隙率變化曲線圖

結(jié)合圖3信息可知，壓實次數(shù)增加過程中瀝青混合料空隙率有所降低，其中壓實次數(shù)在31次時空隙率達到22%，而壓實次數(shù)提升至114次時瀝青混合料空隙率達到18%，可見壓實次數(shù)取值在31～114次之間時空隙率可以達到工程規(guī)范要求。

2.3 骨架結(jié)構(gòu)

多孔瀝青骨架結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)壓實過程中隨壓實次數(shù)增加而逐漸成形，分析155 ℃條件下瀝青混合料VCA比發(fā)展曲線，所得結(jié)果如圖4所示。

結(jié)合圖4信息可知，瀝青混合料VCA比隨旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)增加而逐漸降低，其中旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)處于較低水平時VCA降低速率較快，但這一速率逐漸放緩，其原因在于這一階段瀝青混合料空隙受壓縮作用而快速減少。隨旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)進一步增加，VCA下降速率逐漸降低，其原因在于瀝青混合料中已經(jīng)形成了相對穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，最終VCA逐漸趨于穩(wěn)定，瀝青混合料骨架穩(wěn)定性良好并已經(jīng)開始發(fā)揮嵌擠作用。

圖4 溫度155 ℃條件下瀝青混合料VCA比發(fā)展曲線圖

結(jié)合相關(guān)工程規(guī)范可知，瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)是否形成可通過VCA取值進行判斷，其中該數(shù)值取值在1以下時認為骨架穩(wěn)定性良好，結(jié)合圖4信息可知壓實次數(shù)為45次時骨架穩(wěn)定性達到1，且壓實次數(shù)在45次以上時混合料VCA始終小于1，因此認為瀝青混合料壓實次數(shù)在45次以上時瀝青混合料能夠形成良好骨架結(jié)構(gòu)，最小設(shè)計壓實次數(shù)取45次。

2.4 耐久性

壓實次數(shù)增加過程中多孔瀝青混合料耐久性能也會逐漸發(fā)生變化，此處通過設(shè)置不同壓實次數(shù)并分別制備多孔瀝青混合料，設(shè)計肯塔堡飛散試驗探究各組瀝青混合料耐久性能之間差異，所得結(jié)果如表4所示。

表4 肯塔堡飛散試驗結(jié)果

編

號 壓實次

數(shù)/次 空隙率/% VCA

比 飛散前

質(zhì)量/g 飛散后質(zhì)量/g 飛散損

失/% 平均飛散

損失/%

1 20 24.4 1.083 1 044.0 863.9 17.1 15.7

2 20 24.5 10.86 1 050.4 900.7 14.0 15.7

3 30 23 1.023 1 044.5 825.1 11.2 11.3

4 30 22.1 1.020 1 051.9 834.6 11.1 11.3

5 40 21.2 1.004 1 051.3 846.6 9.7 9.3

6 40 21.4 1.005 1 053.9 964.3 8.3 9.3

7 50 20.5 0.989 1 050.7 976.4 7.1 7.3

8 50 20.4 0.990 1 049.2 969.5 7.4 7.3

9 60 19.7 0.971 1 048.1 986.6 5.7 5.9

10 60 19.4 0.977 1 050.6 989.5 4.9 5.9

11 80 19.2 0.965 1 053.1 1000.2 4.9 5.2

12 80 19.1 0.962 1 054.5 997.2 5.3 5.2

13 100 18.4 0.950 1 060.1 987.1 6.7 7.8

14 100 18.1 0.947 1 056.5 965.1 8.5 7.8

15 120 17.7 0.939 10 503.1 920.0 12.2 13.1

16 120 17.6 0.940 1 051.1 906.6 13.5 13.1

結(jié)合表4信息可知，不同壓實次數(shù)下瀝青混合料試件的飛散損失均能夠控制在20%以內(nèi)，這說明所制備的瀝青混合料能夠達到工程規(guī)范要求。而壓實次數(shù)增加過程中，瀝青混合料的飛散損失表現(xiàn)出前期降低、后期增加的發(fā)展趨勢，其中飛散損失最大值出現(xiàn)于壓實20次后，此時飛散損失具體數(shù)值為15.7%，飛散損失最小值出現(xiàn)于壓實80次后，此時飛散損失具體數(shù)值為5.2%。隨旋轉(zhuǎn)次數(shù)增加，瀝青混合料試件的飛散損失大致可表示為凹曲線，在曲線最小值左側(cè)，壓實次數(shù)增加過程中瀝青混合料試件飛散損失逐漸降低，表明這一過程中壓實次數(shù)增加會使得多孔瀝青混合料耐久性能逐漸增強；而在最小值右側(cè)，壓實次數(shù)增加過程中瀝青混合料試件飛散損失逐漸提升，表明壓實次數(shù)過多條件下，瀝青混合料試件耐久性能受到不利影響，究其原因在于骨架結(jié)構(gòu)受壓過度而產(chǎn)生一定破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性能出現(xiàn)衰退。而結(jié)合擬合所得曲線，飛散損失最小值出現(xiàn)在壓實77次時。

綜上所述，要保障多孔瀝青混合料的耐久性、骨架結(jié)構(gòu)性能及空隙率，制備瀝青混合料時壓實次數(shù)應(yīng)當取45～77次之間。

3 結(jié)語

（1）旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)增加過程中，瀝青混合料密實度先快速提升，而后增速放慢，最終趨于平穩(wěn)，三個階段分別對應(yīng)施工階段、瀝青混合料骨架成形階段和竣工二次壓實階段。

（2）瀝青混合料空隙率隨旋轉(zhuǎn)壓實次數(shù)增加而逐漸下降，其中壓實次數(shù)在31次時空隙率達到22%，而壓實次數(shù)提升至114次時瀝青混合料空隙率達到18%。

（3）瀝青混合料壓實次數(shù)在45次以上時瀝青混合料能夠形成良好骨架結(jié)構(gòu)，最小設(shè)計壓實次數(shù)取45次。

（4）不同壓實次數(shù)下瀝青混合料試件的飛散損失均能夠控制在20%以內(nèi)，隨壓實次數(shù)增加表現(xiàn)為近似凹曲線，曲線最小值為壓實77次。

（5）要保障多孔瀝青混合料的耐久性、骨架結(jié)構(gòu)性能及空隙率，制備瀝青混合料時壓實次數(shù)應(yīng)當取45～77次之間。

參考文獻

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