(1.益陽市交通規(guī)劃勘測設(shè)計院， 湖南 益陽 413000; 2.瀏陽現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)建設(shè)投資開發(fā)有限公司， 湖南 瀏陽 410300;3.湖南省交通科學(xué)研究院有限公司， 湖南 長沙 410015)

0 引言

瀝青混合料攤鋪后的后續(xù)工作之一就是壓實，壓實度是評定壓實的關(guān)鍵指標(biāo)，受多種因素影響，如攤鋪厚度、碾壓溫度、機械設(shè)備、壓實工藝參數(shù)等，如若對這些因素控制不當(dāng)，很容易造成壓實度不足等問題，尤其是寒冷地區(qū)的壓實控制就更需要現(xiàn)場試驗來確定壓實施工參數(shù)[1-2]。一般來說，壓實機械設(shè)備的功率越大越有利于壓實，壓實時需要保持較高的壓實溫度[3]。已有研究表明，一定程度上提高攤鋪厚度會影響路面壓實度，碾壓溫度越高越利于壓實，但為防止瀝青老化碾壓溫度也不能過高。瀝青混合料攤鋪厚度與碾壓溫度對瀝青路面壓實度影響程度值得試驗分析，并且兩者影響程度的強弱也需要試驗確定，從而確定實現(xiàn)相同壓實度下攤鋪厚度與碾壓溫度的等效轉(zhuǎn)換關(guān)系。寒冷地區(qū)瀝青路面低溫壓實控制的效果決定了整個瀝青路面施工質(zhì)量的好壞及后期維護(hù)的頻次，科學(xué)地進(jìn)行施工過程中的規(guī)律性檢測和分析，對于確保寒冷地區(qū)瀝青路面施工過程中質(zhì)量控制具有較大的經(jīng)濟社會價值[4]。本文基于寒冷地區(qū)低溫特點，對瀝青路面低溫施工壓實度控制技術(shù)進(jìn)行試驗分析，并確定合適的壓實時間，從而指導(dǎo)寒冷地區(qū)瀝青路面施工實踐。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

在選擇瀝青時，應(yīng)根據(jù)道路所在地區(qū)的氣候條件，綜合道路等級、交通量、交通荷載、路面結(jié)構(gòu)等因素，選擇適用的瀝青種類和標(biāo)號。試驗公路所在地區(qū)為高寒氣候特征，極端最低氣溫為-39.2℃，且夏季同樣存在高溫時期，極端最高氣溫35.3 ℃，屬于夏熱冬嚴(yán)寒氣候區(qū)，因此在選擇瀝青標(biāo)號時需要著重考慮其低溫性能，同時兼顧高溫性能。

經(jīng)專家論證，本項目生產(chǎn)改性瀝青的基質(zhì)瀝青采用90號A級道路石油瀝青?？紤]到高寒氣候和太陽高輻射自然條件，以及瀝青老化迅速的特點，經(jīng)過認(rèn)真研究和性能對比，采用SBS改性劑改性90號石油瀝青。SBS改性瀝青各項指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示。

試驗所用粗集料及細(xì)集料均滿足技術(shù)要求，檢測結(jié)果見表2、表3。試驗選用的其他原材料經(jīng)相關(guān)試驗檢驗均合格。

1.2 試驗方法

基于馬歇爾擊實法制作相應(yīng)的成型試件，進(jìn)行馬歇爾試驗，來確定相同壓實功下試件的密度與攤鋪厚度和碾壓溫度之間的關(guān)系。采用與馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)厚度63.5 mm遞增的預(yù)定厚度(即63.5、68.5、73.5、78.5、83.5 mm)作為參數(shù)。馬歇爾擊實試件的密度用表干法測試獲得，其中表干法測試試件如圖1所示。制作試件時對試件正反兩面均擊實75次，擊實中穩(wěn)定溫度，預(yù)先設(shè)置擊實厚度，同時對成型試件進(jìn)行不同溫度下的成型密度和空隙率測試。

表1 SBS改性瀝青各項指標(biāo)檢測結(jié)果類別針入度(25 ℃)/(0.1 mm)軟化點/℃延度(5 ℃)/cm針入度指數(shù)PI閃點COC/℃質(zhì)量損失/%殘留針入度比(25 ℃)/%殘留延度(5 ℃)/cm密度(15 ℃)/(g·cm-3)設(shè)計要求60～80>65>20≥-0.4≥230-1～1.0≥60≥20實測值檢測結(jié)果74.473.544-0.3246-0.169.932.61.004

表2 粗集料技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果類別壓碎值/%表觀密度/(t·m-3)針片狀含量/%0.075 mm以下顆粒/%軟石含量/%堅固性/%與瀝青粘附性/級洛彬機磨耗損/%規(guī)范要求≤20≥2.65≤18≤1≤3≤12≥4≤25檢測結(jié)果19～26.5 mm—2.7405.60.31.21.4—14.99.5～19 mm13.52.7396.90.61.3—413.54.75～9.5 mm—2.7428.80.61.1——14.22.36～4.75 mm—2.750—0.8———17.0

表3 細(xì)集料技術(shù)指標(biāo)試驗結(jié)果類別表觀密度/(t·m-3)含泥量/%亞甲藍(lán)值/(g·kg-1)0.075 mm通過率/%砂當(dāng)量/%棱角性/s堅固性/%規(guī)范要求≥2.6≤3≤3<10≥75≥30≤10檢測結(jié)果2.7251.41.26.48040.84.0

圖1 表干法測試試件

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 溫度-擊實高度對試件影響分析

設(shè)置5組溫度值為:100、110、120、130、150 ℃，設(shè)置預(yù)擊實高度為：63.5、68.5、73.5、78.5、83.5 mm。各組試件擊實后的高度值如圖2所示，不同壓實溫度下的最終成型密度見表4，不同預(yù)擊實高度及不同壓實溫度下的試件成型密度值如圖3所示。

圖2 不同成型溫度-不同預(yù)擊實高度下的實際擊實高度曲線

表4 不同壓實溫度下的最終成型密度預(yù)計擊實高度/mm不同溫度(℃)下的成型密度/(g·cm-3)100110120130150均值63.52.3652.4232.4492.4682.5132.44468.52.3762.3982.4242.4382.4802.42373.52.3782.3792.3982.4242.4392.40478.52.3122.3902.4222.4792.4012.40183.52.3002.4132.4212.3982.4132.389

圖3 不同預(yù)擊實高度-壓實溫度下的成型密度

圖2為不同溫度對試件的擊實高度影響結(jié)果，當(dāng)擊實溫度達(dá)到100 ℃后，隨著擊實溫度的增大，擊實高度變化不大，與預(yù)計擊實高度值較為接近，可見，壓實溫度對擊實高度影響可忽略不計。

圖3為不同壓實溫度下的成型密度，同一擊實高度下，溫度越高，成型密度越大，如63.5 mm擊實高度下100 ℃和150 ℃的成型密度差值達(dá)到了0.16 g/cm3左右，但同一溫度下，不同擊實高度下的成型密度變化規(guī)律不明顯，受擊實高度影響較小。同一溫度下，如溫度為100 ℃時，隨著預(yù)擊實高度的增加，成型密度呈現(xiàn)出波動變化，最大、最小成型密度差值為0.007 8 g/cm3；而當(dāng)擊實高度保持63.5 mm不變時，最大溫度與最小溫度下的成型密度差值達(dá)到0.148 g/cm3?？梢姡瑸r青混合料擊實溫度變化對密度產(chǎn)生的影響大于擊實高度變化所產(chǎn)生的影響，即溫度比厚度更影響瀝青混合料壓實度。寒冷地區(qū)瀝青路面低溫施工時，瀝青結(jié)構(gòu)層較厚時碾壓形成的壓實度好于瀝青結(jié)構(gòu)層較薄時的碾壓密實度，主要原因是較厚瀝青層的散熱量較較薄瀝青層的散熱量小，能夠持續(xù)保持一定溫度時間長，因而更利于混合料成型。

2.2 壓實度-擊實次數(shù)相關(guān)性試驗分析

為綜合分析瀝青混合料成型溫度與密實度間的關(guān)系，進(jìn)行馬歇爾試驗，以成型溫度為變量，一共設(shè)置5組溫度值：150、130、120、110、100 ℃，試驗過程中技術(shù)內(nèi)容有：變換正反擊打次數(shù)，對擊實功率進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)行密度測量，進(jìn)而獲得不同擊實功下的混合料最終成型密度，將最終成型密度除以混合料理論密度，進(jìn)而換算為理論密實度，具體的計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同試件成型溫度下壓實度與正反擊打次數(shù)關(guān)系

由圖4可知，馬歇爾擊實次數(shù)與馬歇爾密度曲線可以分為3個階段：快速增長階段、增長放慢階段、穩(wěn)定不變階段。3個階段對應(yīng)的馬歇爾擊實次數(shù)不同，如快速增長階段的擊實次數(shù)范圍為0～35次，增長放慢階段的擊實次數(shù)范圍為35～80次。隨著馬歇爾擊實次數(shù)的增加，馬歇爾密度值呈現(xiàn)了先快速增加，后保持不變的趨勢。同一馬歇爾密度下，對應(yīng)不同成型溫度下的壓實次數(shù)，如100 ℃時的80次馬歇爾密度值對應(yīng)于120 ℃時的15次馬歇爾密度值，顯然120 ℃時的擊實效率顯著高于100 ℃成型溫度時的壓實效率。

100 ℃時的理論壓實度最高可達(dá)96%，對于高速公路而言，壓實度要求不低于98%，因而采用100 ℃的成型溫度是難以獲得規(guī)定的壓實度值的。當(dāng)溫度達(dá)到110 ℃時可以獲得98.6%的壓實度，滿足高速公路壓實度規(guī)定要求，因而可以確定110 ℃能夠作為高速公路的最低壓實溫度。

2.3 成型溫度-空隙率相關(guān)性分析

檢測不同成型溫度(90～170 ℃，以10 ℃為增量)時成型試件的空隙率，具體檢測結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同成型溫度下的空隙率變化趨勢

由圖5可知，隨著溫度的增加，試件的空隙率逐漸減小，但在溫度達(dá)到110 ℃后空隙率減少趨勢變緩，可將110 ℃認(rèn)定為瀝青混合料壓實的關(guān)鍵控制溫度，一旦壓實溫度低于該值時，隨著溫度降低，空隙率增加值顯著。一般地，對于指標(biāo)在其性能迅速下降階段的初始溫度所對應(yīng)的溫度稱之為臨界溫度，本次試驗中確定的臨界溫度值為110 ℃。

瀝青材料的空隙率決定了瀝青路面的密實性，瀝青路面必須具備一定的密實性，因此保持瀝青材料的空隙率不超過規(guī)定值很重要。

3 路面低溫施工碾壓時間控制分析

選擇110 ℃作為高速公路瀝青混合料施工的最低控制溫度，以外界氣溫為研究變量，設(shè)置多個外界施工氣溫值，考察150 ℃及170 ℃時瀝青混合料的有效碾壓時間，即瀝青混合料出場溫度降低到最低控制溫度時的時間。分析時認(rèn)為瀝青上面層厚4～5 cm，瀝青下面層厚6～8 cm，同時假定8 cm厚度為瀝青厚層與薄層分界厚度，具體的試驗結(jié)果如圖6所示。

由圖6可知，施工外界氣溫造成了瀝青混合料的有效碾壓時間不同，具體表現(xiàn)為：隨著外界施工氣溫的逐漸增大，瀝青混合料的有效碾壓時間逐漸增大，尤其是瀝青下面層的有效碾壓時間增長最為明顯。瀝青混合料的出場溫度不同，有效碾壓時間也有差異，170 ℃的碾壓時間較150 ℃的碾壓時間多。尤其是要注意-1 ℃施工時，170 ℃出場溫度的上面層的有效碾壓時間低于10 min，這是不利于現(xiàn)場施工的，可能造成后期瀝青路面質(zhì)量問題。因此，對于寒冷地區(qū)高速公路，為確保98%壓實度，需提高混合料有效碾壓時間，才能確保壓實度滿足要求。

圖6 不同出場溫度及不同面層的有效碾壓時間關(guān)系曲線

4 結(jié)語

本文主要結(jié)論如下：

1) 壓實溫度對擊實高度影響可忽略不計，同一擊實高度下，溫度越高，成型密度越大，但同一溫度下，不同擊實高度下的成型密度受擊實高度影響較小。

2) 溫度對成型密度的影響更甚于攤鋪厚度所產(chǎn)生的影響。低溫工況下進(jìn)行路面施工時，結(jié)構(gòu)層較厚的路面由于溫度衰減緩慢，碾壓過程中溫度大多高于薄層的，因此較厚的路面攤鋪厚度更有利于混合料的壓實。

3) 100 ℃時的理論壓實度最高可達(dá)96%，對于高速公路而言，壓實度要求不低于98%，因而采用100 ℃的成型溫度是難以獲得規(guī)定的壓實度的。當(dāng)溫度達(dá)到110 ℃時可以獲得98.6%的壓實度，滿足高速公路壓實度規(guī)定要求，因而可以確定110 ℃能夠作為高速公路的最低壓實溫度，110 ℃也是材料達(dá)到穩(wěn)定空隙率的臨界溫度。

4) 對于寒冷地區(qū)高速公路，為確保98%壓實度，需提高混合料有效碾壓時間，才能確保壓實度滿足要求。