(1.阜陽師范學院 信息工程學院,安徽 阜陽 236041; 2.寧波市交通建設工程試驗檢測中心有限公司,浙江 寧波 315121; 3.長安大學 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室,陜西 西安 710064)
按照相應的評定標準及規(guī)范對瀝青路面的施工質量進行檢測和驗收是保證路面使用性能的重要手段,客觀、準確的檢測數據也是評價路面施工質量的重要依據。目前,我國瀝青路面施工質量檢測和驗收的相關規(guī)范中缺乏瀝青路面施工均勻性的評價指標。保證質量均勻與穩(wěn)定是瀝青路面結構與材料設計時最為重要的一個原則,瀝青路面上局部位置出現的質量不均勻和不穩(wěn)定現象即為非均勻性。我國瀝青路面施工質量評價體系中缺乏反映瀝青路面非均勻性的相關檢測指標,是目前瀝青路面各項檢測指標雖能順利通過驗收,但病害依然不斷出現的重要原因。同時,現行規(guī)范中與瀝青路面使用性能相關的指標多屬體積指標。實際工程中,一些瀝青路面雖能夠滿足壓實度和空隙率指標的要求,但仍然會出現嚴重的車轍和水損壞等早期病害。在瀝青路面的諸多性能中,抗車轍性能好的路面常常也具有良好的疲勞耐久性。在眾多早期病害中,車轍變形的危害性較大。因此,在瀝青路面施工質量驗收時,需要對瀝青路面的現場抗車轍性能進行檢測。
目前,相關研究多涉及級配離析等對瀝青混合料性能的影響[1-2]、改善混合料的抗離析性能[3-4]及評價施工過程中混合料的離析現象[5-6],涉及路面非均勻性檢測方面的研究并不多。均勻性作為施工質量定量評價指標方面的研究還非常欠缺,尚未形成體系,且缺乏合理的評價標準。而關于瀝青路面車轍方面的研究主要集中在車轍病害的成因分析[7-8]、改善瀝青混合料高溫性能的措施[9-10]、混合料抗車轍性能的評價方法[11-12]及車轍預估方面[13-14],很少涉及瀝青路面在施工結束后現場抗車轍性能檢測方面的研究。
施工質量不均勻、抗車轍性能不足是瀝青路面早期病害的根本原因,因此,在交(竣)工驗收時需要從施工均勻性和抗車轍性能方面綜合評價瀝青路面的施工質量。本文首先通過室內試驗分析非均勻性對瀝青混合料性能的影響,探討瀝青路面早期病害的成因及非均勻性檢測的必要性。然后,結合現場調研分析瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性同路面上車轍病害的關系,論證瀝青路面現場抗車轍性能檢測的必要性。最后,從施工均勻性和現場抗車轍性能方面出發(fā),提出基于非均勻性和抗車轍性能的瀝青路面施工質量檢測方法。
采用石灰?guī)r粗集料、角閃巖細集料、石灰?guī)r礦粉和埃索90#基質瀝青,文中粗、細集料和瀝青的各項指標均滿足我國現行標準的要求。設計無離析(N)、輕度(L)、中度(M)、重度(H)和細集料離析(F)共五種離析程度的瀝青混合料[1],利用燃燒爐法和篩分法檢測混合料中的瀝青用量及礦料級配,不同離析混合料中各檔集料的通過率見圖1,空隙率和瀝青用量見表1。
表1 不同離析混合料的瀝青用量及空隙率Table 1 Asphalt content and void ratio of different segregated mixtures
溫度離析和傳統(tǒng)的壓實離析均會降低混合料的壓實程度,進而導致路面上壓實不均勻現象的發(fā)生。分別從溫度離析和壓實離析角度出發(fā)分析壓實不均勻對瀝青混合料路用性能的影響。
2.1.1溫度離析 公路瀝青路面施工技術規(guī)范中規(guī)定采用90#基質瀝青的混合料運至施工現場的溫度不低于140℃,在現場開始碾壓時混合料的溫度不低于125℃。同時,參考NCHRP 411報告中溫度離析程度的分級標準,在實驗室內模擬瀝青混合料的溫度離析時,分別將AC-20混合料的成型溫度設定為155、140(參考值)、125和110℃。
2.1.2壓實離析 在室內通過控制輪碾成型和旋轉壓實成型的作用次數模擬瀝青混合料在路面上發(fā)生的壓實離析現象。采用無級配離析的AC-20混合料,在150℃的成型溫度下,輪碾法分別選擇碾壓12、18、24(參考值)、30和36次制備板式試件,旋轉壓實法分別選擇作用40、60、80、100(參考值)和120次制備SGC試件。
圖1 AC20離析混合料的級配曲線Fig.1 Composition of AC20 segregated mixture
分別從高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性能、水穩(wěn)定性和力學特性方面定量分析非均勻性對瀝青混合料性能的影響,具體試驗及方案設計如下:
高溫穩(wěn)定性:對發(fā)生離析程度的瀝青混合料進行常規(guī)國產車轍試驗,試件采用30×30×5cm的板式試件,試驗溫度設定為60℃,試驗輪的接地壓強為0.7MPa,評價指標為車轍深度和動穩(wěn)定度。
低溫抗裂性能:利用萬能材料試驗機作為加載設備,加載速率為1mm/min,試驗溫度-10℃,劈裂夾具的寬度為19.0mm,主要評價指標有間接抗拉強度、破壞拉伸應變和破壞勁度模量。
水穩(wěn)定性:在50℃的水浴環(huán)境下,開展浸水漢堡車轍試驗,選擇試件剝落時對應的碾壓次數(即剝落次數)、剝落點處對應的車轍深度和剝落速率作為評價指標分析級配離析對混合料水穩(wěn)定性的影響。
力學特性:采用單軸壓縮試驗、間接拉伸試驗評價不同離析程度瀝青混合料的力學特性,評價指標為粘聚力c、內摩擦角φ值和剪切強度τ。單軸壓縮試驗條件:采用SGC試件,尺寸為φ100 ×100mm,試驗條件25℃,加載速率為2mm/min;間接拉伸試驗條件:采用SGC試件,尺寸為φ150×40mm,試驗溫度為25℃,加載速率50mm/min。
采用級配離析(L、M、H、N、F)和溫度離析、壓實離析的瀝青混合料試件,在實驗室通過室內試驗分析混合料路用性能的變化。級配離析條件下瀝青混合料性能的變異情況如表2所示。從表2可以看出:
(1)同未發(fā)生級配離析的瀝青混合料相比,輕度離析瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有一定幅度的提高,增加了46.4%,而中度、重度和細集料離析混合料的動穩(wěn)定度分別下降了26.6%、40.1%和65.4%?;旌狭蟽炔康墓羌芙Y構對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響較顯著。密級配混合料屬于懸浮密實結構,粗集料之間無法形成有效的嵌擠作用,而發(fā)生輕度離析后,礦料間可以產生有效的嵌擠作用,混合料內礦料顆粒間的摩阻力增大,輕度離析瀝青混合料在高溫條件下不易發(fā)生變形,表現為動穩(wěn)定度略有提高。同時,由于細集料顆粒的比表面積大,在瀝青膜厚度相同的條件下,細集料離析混合料中的瀝青含量偏高,使得細集料離析區(qū)域成為路面上車轍病害高發(fā)的路段。
(2)在-10℃條件下,未發(fā)生離析的瀝青混合料間接抗拉強度最大,細集料離析混合料次之。細集料離析混合料的間接抗拉強度同無離析混合料相比下降11.3%。對于粗集料離析混合料而言,瀝青混合料的間接抗拉強度隨離析程度的增加逐漸減小,輕度、中度和重度離析混合料分別下降19.1%、30.9%和42.8%。
(3)礦料級配發(fā)生中度和重度離析后,其瀝青混合料抗水損壞的能力迅速下降。同無離析混合料相比,其剝落次數較無離析混合料分別下降32.4%和33.8%。而在細集料離析混合料內部,由于沒有形成穩(wěn)定的嵌擠結構,混合料在水與荷載的作用下很快發(fā)生破壞,剝落次數最小。無離析混合料出現剝落時對應的車轍深度最小,同無離析混合料相比,輕度離析混合料剝落時的車轍深度略有增加,增幅為10.2%。這與兩類混合料動穩(wěn)定度的大小排序并不一致,其原因主要是由于發(fā)生輕度離析后混合料的空隙率增大,而浸水漢堡車轍試驗是在荷載和水分的耦合作用下進行的,試驗環(huán)境同傳統(tǒng)車轍試驗差異較大,較大的空隙率為水分進入混合料內部提供了通道,加上荷載作用下的動水沖刷作用,使得輕度離析混合料的車轍深度略高于無離析混合料。而中度、重度離析瀝青混合料的增幅分別達到52.8%、51.8%。
表2 級配離析條件下瀝青混合料性能的變異情況Table 2 Performance variation of asphalt mixture with gradation segregation
(4)礦料級配離析后,瀝青混合料的力學特性存在很大差異,混合料的抗壓強度和25℃時的間接抗拉強度的變化趨勢基本一致。無離析混合料抗壓和抗拉強度最大,細集料離析混合料的抗壓和抗拉強度同輕度離析混合料相差不大。細集料離析混合料的抗剪強度和無離析基本相當,高于其他幾種離析混合料。隨著粗離析程度的增加,離析混合料的強度呈現逐漸減小的趨勢,中度和重度離析混合料的強度均下降40%以上。
發(fā)生溫度離析和壓實離析后,瀝青混合料路用性能的變異情況見表3和4。
表3 溫度離析條件下瀝青混合料性能的變異情況Table 3 Performance variation of asphalt mixture with temperature segregation
表4 壓實離析條件下瀝青混合料性能的變異情況Table 4 Performance variation of asphalt mixture with compaction segregation
從表3~4可以看出:
(1)當瀝青混合料的壓實溫度較低或壓實功較小時,混合料的抗車轍性能較正常壓實條件下大幅下降。當壓實條件不良時,瀝青混合料的密度較低,相對應的試件空隙率較大,試件內部混合料中粗集料顆粒間的接觸較差,未能形成良好的骨架結構,使得瀝青混合料在高溫和荷載作用下易產生較大的壓密變形,抗車轍性能較差。隨著壓實溫度或壓實次數的增加,在一定范圍內,試件空隙率較小,混合料內部粗集料接觸緊密,粗集料間的內摩擦阻力增大,高溫穩(wěn)定性相應地得到提高。
(2)在較低的壓實溫度或壓實功不足時,瀝青混合料的低溫性能下降明顯。當壓實溫度升高或壓實功增大后,瀝青混合料的低溫性能不斷增強,但增幅逐漸減小。溫度過高時瀝青的老化使得集料間的粘結力衰減,導致試件抵抗低溫破壞的能力出現衰減。在合理的壓實溫度或壓實功范圍內,無離析瀝青混合料的低溫性能可以得到保證。
(3)當成型溫度較低或未充分壓實時,瀝青混合料在荷載作用下的剝落次數和破壞次數顯著下降,有些瀝青混合料尚未來得及剝落即出現了破壞。成型溫度和壓實次數直接影響瀝青混合料的密實程度,在合理的成型溫度和壓實次數條件下試件的壓實度較高,此時的瀝青混合料具有良好的粘聚力,故試件不易出現松散和剝落現象。對于壓實不均勻的瀝青混合料,瀝青路面內部無法形成有效的嵌擠結構,空隙率較大,在水和行車荷載的作用下很快發(fā)生破壞。
(4)在一定的壓實溫度范圍內,瀝青混合料的強度先逐漸增大后略有下降。壓實溫度偏低、壓實功不足會造成混合料內部的粘聚力和嵌擠力減小,導致瀝青混合料的力學特性出現一定程度的衰減。但并不是壓實溫度越高,瀝青混合料的力學特性越好。在高溫條件下瀝青的老化導致瀝青與集料之間的粘結力和集料間的粘聚力下降,引起試件的抗壓強度和劈裂強度均出現一定幅度的下降,最終導致瀝青混合料的抗剪強度值較小。
綜上所述,非均勻性顯著降低瀝青混合料的各項性能,是導致瀝青路面早期損壞的主要原因之一。而我國瀝青路面在交(竣)工驗收時,并未將施工均勻性作為檢測指標,往往忽視了施工均勻性的重要性。為合理地評價瀝青路面的施工質量,需要在施工完成后對路面的施工均勻性進行檢測。
在路面的各種力學性能中,對瀝青路面影響最為顯著的是高溫抗車轍性能。高溫抗車轍性能反映瀝青路面在行車荷載作用下抵抗永久變形的能力,是瀝青路面使用性能最直觀的表現形式[15-16]。相較于低溫裂縫、坑槽等早期病害,車轍對路面的危害性更大,不僅影響行車舒適性,甚至還會帶來很大的安全隱患。
選擇陜西省西安~戶縣(西戶)高速公路和河北省遷安~曹妃甸(遷曹)公路作為調研的對象,通過比較試驗室內瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性和通車后實際瀝青路面上出現的車轍情況,探討二者之間的聯系。
在西戶高速公路施工過程中,工地實驗室均會從拌合樓取料進行車轍試驗。通過查閱工地實驗室相關資料,上面層SUP-19改性瀝青混合料、中面層AC-20基質瀝青混合料和下面層AC-25基質瀝青混合料的動穩(wěn)定度分別達到5817次/mm、1525次/mm和1899次/mm,均能滿足我國瀝青路面施工技術規(guī)范中關于瀝青混合料動穩(wěn)定度的相關要求??梢姡访娓鲗邮褂玫臑r青混合料的高溫穩(wěn)定性是合格的。
但是僅開放交通運營四年多之后,西戶高速公路全線范圍的瀝青路面就出現了不同程度的病害,其中以車轍變形最為嚴重,顯著影響路面的服務水平和司乘人員的生命安全[16]。西戶高速公路路面工程中使用的瀝青混合料的動穩(wěn)定度均能滿足規(guī)范要求,但最終施工結束形成的瀝青路面卻出現了嚴重的車轍病害。分析原因,瀝青路面的抗車轍性能不僅與混合料的高溫穩(wěn)定性有關,還與施工質量密切相關,是瀝青混合料設計和施工質量的綜合反映。僅通過依靠選用設計質量優(yōu)良的混合料,并不能保證實際瀝青路面不出現車轍變形破壞。施工結束后,還需要依靠合理的檢測方法對瀝青路面的現場抗車轍性能進行評價。通過對瀝青路面的抗車轍性能進行實時檢測,同混合料設計階段的動穩(wěn)定度技術要求相配合,進而可以控制瀝青路面的工程質量。
查閱遷曹公路相關設計及施工資料,發(fā)現同西戶高速公路的情況類似,遷曹公路工地實驗室內瀝青混合料的高溫性能也能滿足相關的規(guī)范要求,但瀝青路面上卻依然出現嚴重的車轍變形。這進一步說明,僅通過控制實驗室內瀝青混合料的高溫性能,并不能避免實際瀝青路面的車轍病害。
目前存在的現象表明,僅依靠質量優(yōu)良的原材料、外加劑或者優(yōu)化混合料配合比設計并不能保證瀝青路面優(yōu)良的抗車轍性能。瀝青路面的質量是設計和施工質量的有效組成,兩個方面都至關重要,任一方面出現問題都會導致路面早期損壞的發(fā)生。我國瀝青路面施工技術規(guī)范中規(guī)定了瀝青混合料動穩(wěn)定度應滿足的要求,通過瀝青混合料的車轍試驗可控制配合比設計階段瀝青混合料的高溫性能[17-18],但無法保證施工結束瀝青路面現場的抗車轍性能。
目前,新版《公路瀝青路面設計規(guī)范》(JTG D50-2017)已增加瀝青層的永久變形作為瀝青路面的設計指標。通過對瀝青路面進行分層,分別計算各層的永久變形量,驗算瀝青層的永久變形量是否滿足容許車轍深度要求,進而判斷瀝青路面的設計是否合理。瀝青路面設計新規(guī)范的修訂,表明道路界同仁已在設計層面上充分認識到車轍病害的嚴重性,嘗試通過設計階段的舉措來改善實際瀝青路面上的抗車轍性能。
但現階段,我國瀝青路面施工質量的檢測及驗收環(huán)節(jié)與設計階段尚處于脫節(jié)狀態(tài),相關規(guī)范中的檢測項目缺乏直接與瀝青路面抗車轍性能相關的評價指標。而《公路工程竣(交)工驗收辦法實施細則》中雖然對瀝青路面抗車轍性能有所涉及,但僅規(guī)定竣工驗收過程中路面車轍深度的限值及檢測頻率,且主要檢測手段是通過對路面上已經產生的車轍進行測量,具有明顯的滯后性,無法在施工結束后及時對瀝青路面的抗車轍性能進行評價。
因此,針對瀝青路面的現場抗車轍性能評價指標開展研究,提出合理的瀝青路面現場抗車轍性能檢測方法具有重要意義。
本研究從瀝青路面施工均勻性和抗車轍性能著手,提出基于非均勻性和抗車轍性能的瀝青路面施工質量實時檢測方法,以期為合理評價瀝青路面的施工質量提供一定的參考依據。
第一步,在施工結束后,采用PQI無核密度儀和數字圖像處理(DIP)技術對施工結束后瀝青路面的均勻性進行檢測。
根據瀝青路面不同區(qū)域的密度分布及路面內部空隙的組成、分布情況,提出壓實均勻性檢測指標:密度分布均勻性指標(如式1~3)和空隙分布均勻性指標(如式4~5)[19]。根據瀝青路面內部集料的分布情況,提出集料分布均勻性的檢測指標(式6~7)[20]。從壓實均勻性和集料分布均勻性兩個方面出發(fā)評價瀝青路面的施工質量均勻性。
(1)檢測道內密度重復性標準偏差Sr:
(1)
式中:S為檢測道內密度標準偏差;P為檢測道數。
(2)檢測道間密度重復性標準偏差SR:
(2)
式中:Sxave為檢測道間密度標準偏差;Sr為檢測道內密度重復性標準偏差;n為檢測道內檢測點數。
其中,檢測道間密度標準偏差Sxave為:
(3)
Sr和SR可以直觀地對比不同檢測路段縱、橫向密度分布均勻性的優(yōu)劣。
(3)斷面空隙數量均勻系數UCN:
(4)
UCN表征沿著芯樣高度方向不同斷面上空隙數量的變異程度,UCN越大,表示芯樣內部不同斷面上空隙數量的分布越不均勻。
(4)斷面空隙率均勻系數UCR:
(5)
式中:VR頂為距芯樣頂部5cm斷面的空隙率;VR底為距芯樣底部5cm斷面的空隙率;VR中為 芯樣中部斷面的空隙率。
UCR反映芯樣內不同斷面的空隙率在空間分布上的均勻性。UCR的值越大,表示芯樣內部不同斷面上空隙率的分布越不均勻。
(5)粗集料水平不均勻系數DH:
(6)
水平不均勻系數DH越小,說明芯樣內部粗集料在水平方向上的分布越均勻。
(6)粗集料的豎向不均勻系數DV:
(7)
DV值的大小可以反映瀝青路面內部的粗集料在豎直方向的分布均勻性。若DV的值越小,則芯樣內部豎直方向上粗集料的分布均勻性越好。
第二步,根據施工均勻性的檢測結果,在瀝青路面密度分布的代表性點位上鉆取圓柱形芯樣,進行基于圓柱形芯樣的國產車轍試驗[21]。
根據試驗結果,采用代表性芯樣試件的動穩(wěn)定度代表值DS來表征檢測路段瀝青路面實際的抗車轍性能,即:
(8)
最后,在現有的施工質量驗收體系中增加施工均勻性和抗車轍性能評價指標,提出基于非均勻性和抗車轍性能的瀝青路面施工質量檢測方法,綜合評價瀝青路面的施工質量。
5.2 實例分析
在銅旬高速公路中面層施工現場,選擇兩段長度均為1000m的檢測路段,下文稱為路段A和路段B,分別從施工均勻性和抗車轍性能方面綜合評價瀝青路面的施工質量。
5.2.1施工均勻性檢測 在檢測路段A和B上,首先,設置1.5×50m的橫、縱向間距,采用無核密度儀PQI分別采集兩個路段不同區(qū)域的密度值,統(tǒng)計分析兩個檢測路段各測點的密度數據,如表5所示。
表5 檢測路段A和B的密度數據統(tǒng)計量Table 5 Density statistics for section A and B
從表5中可以看出,路段A的檢測道內密度重復性標準偏差Sr小于路段B,表明路段A的縱向壓實均勻性優(yōu)于路段B;但路段A的檢測道間密度重復性標準偏差SR大于路段B,路段A的橫向壓實均勻性比路段B要差。
在1km長的檢測路段內,根據高、中、低密度點位的統(tǒng)計結果,按比例隨機選擇10個密度代表性點位。在代表性點位處鉆取芯樣,進行工業(yè)CT斷層掃描,兩個路段代表性芯樣的空隙分布均勻性如表6所示。
從表6可以看出,高、中和低密度區(qū)芯樣的UCN和UCR之間無明顯的界限。瀝青路面結構內部空隙分布的均勻程度同路面空隙率的大小無直接聯系,這進一步說明根據路面結構內部空隙分布情況的差異,
表6 檢測路段代表性芯樣的空隙分布均勻性指標Table 6 Void distribution uniformity index of representative core for section A
采用斷面空隙數量均勻系數和斷面空隙率均勻系數從細觀結構評價瀝青路面壓實均勻性是合理的。根據表6中的數據,分別計算兩個路段上代表性芯樣UCN和UCR指標的統(tǒng)計量,見表7。
表7 檢測路段空隙分布均勻性的統(tǒng)計量Table 7 Statistics of Void distribution uniformity for sections
從表7中可以看出,路段A和B不同代表性芯樣間UCN和UCR指標均存在一定的變異性。與路段A相比,路段B各代表性芯樣斷面空隙數量均勻系數、斷面空隙率均勻系數的平均值和變異系數均較小。因此,從路面結構內部的空隙分布情況來看,路段B的壓實均勻性較好。
表8 代表性芯樣內部粗集料分布均勻性指標Table 8 Coarse aggregate distribution uniformity index of representative cores
因此,從壓實均勻性和集料分布均勻性來看,檢測路段B的施工均勻性優(yōu)于路段A。
5.2.2抗車轍性能檢測 按照芯樣車轍試驗模具的平面尺寸,切割檢測路段的代表性芯樣,切割后芯樣的厚度為5cm。將位于同一點位附近的兩個芯樣拼成一組車轍試件,每個檢測路段各10組車轍試件,在70℃的試驗條件下開展基于芯樣試件的車轍試驗,結果如表9所示。
表9 檢測路段芯樣的動穩(wěn)定度Table 9 dynamic stability of core for sections
根據表9中的數據,計算得到檢測路段A和B上各代表性芯樣的動穩(wěn)定度代表值分別為2918.8和3225.9次/mm,大于相關規(guī)范中改性瀝青路面動穩(wěn)定度標準值2400次/mm的要求[16]。進一步地,在路段A的10個代表性芯樣中,3號和9號兩組芯樣的動穩(wěn)定度無法滿足要求,檢測路段B上10號芯樣動穩(wěn)定度不合格??梢姡瑑蓹z測路段瀝青路面局部區(qū)域的抗車轍性能不佳,同檢測路段A相比,路段B的整體抗車轍性能更好。
綜合施工均勻性和抗車轍性能兩方面的檢測結果,同檢測路段A相比,路段B的施工質量較好。
1. 級配離析、溫度離析和壓實離析均會對瀝青混合料的路用性能產生顯著影響。非均勻瀝青混合料內部無法形成骨架密實結構,空隙率通常過大或過小,且瀝青混合料的強度往往不足,導致混合料的高、低溫及水穩(wěn)定性等均有不同程度的下降,非均勻性是引起瀝青路面早期病害的重要原因之一。
2. 采用動穩(wěn)定度合格的混合料鋪筑的瀝青路面,仍有可能出現嚴重的車轍病害。通過實驗室內控制瀝青混合料的高溫性能,并不能保證瀝青路面的現場抗車轍性能,需要利用合理的方法現場檢測施工結束后瀝青路面的抗車轍性能。
3. 從瀝青路面施工均勻性和抗車轍性能著手,提出了基于非均勻性和抗車轍性能的瀝青路面施工質量檢測方法,并依托銅旬高速公路對檢測方法進行驗證,檢測結果可作為交(竣)工驗收階段評價瀝青路面施工質量的依據。