江陳龍 衛(wèi)君毅 張辰辰
坑槽作為瀝青路面最為常見和最難修復(fù)的病害之一,若得不到及時(shí)處理,將造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)社會(huì)損失。采用熱拌瀝青混合料開槽修補(bǔ)是常見的坑槽維修方式,但由于熱拌瀝青混合料在低溫季節(jié)施工困難,無法在較短時(shí)間內(nèi)開放交通,坑槽修復(fù)往往錯(cuò)過最佳預(yù)防性養(yǎng)護(hù)時(shí)機(jī)。因此,能夠在常溫或低溫下快速修復(fù)坑槽的冷補(bǔ)瀝青混合料(Cold Patch Asphalt Mixture,CAM,簡(jiǎn)稱冷補(bǔ)料),受到了各國(guó)道路養(yǎng)護(hù)工作者的重視。然而,在實(shí)際工程中,由于市場(chǎng)上的冷補(bǔ)料產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊,坑槽修復(fù)后路面二次破損頻發(fā),給道路使用者和養(yǎng)護(hù)單位造成了極大的困擾。
為了提高冷補(bǔ)料的質(zhì)量和坑槽修復(fù)的效果,國(guó)內(nèi)外對(duì)冷補(bǔ)料的評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了探索[1-3]。國(guó)外冷補(bǔ)料的評(píng)價(jià)方法通常都是針對(duì)各自企業(yè)標(biāo)準(zhǔn),難以推廣應(yīng)用。國(guó)內(nèi)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40 -2004)[4]給出了冷補(bǔ)料低溫操作性、耐水性等的試驗(yàn)檢測(cè)方法,但對(duì)于評(píng)價(jià)冷補(bǔ)料技術(shù)性能的指標(biāo)及試驗(yàn)方法仍不夠系統(tǒng)和完整。隨著冷補(bǔ)料被廣泛地應(yīng)用于高等級(jí)路面坑槽修復(fù)中,毛緯云[5]、張濤[6]、張爭(zhēng)奇[7]等人一步提出了以強(qiáng)度、黏聚性、施工和易性、水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性為主的冷補(bǔ)料性能評(píng)價(jià)方法。至2015年末,交通運(yùn)輸部相關(guān)工作組才提出并歸口《瀝青路面坑槽冷補(bǔ)成品料》(JT/T 972-2015)[8],總結(jié)了冷補(bǔ)料施工性能、成型馬歇爾強(qiáng)度和水穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法。這些研究一定程度上完善了國(guó)內(nèi)的冷補(bǔ)料評(píng)價(jià)體系,然而,國(guó)內(nèi)冷補(bǔ)料性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法普遍存在忽視冷補(bǔ)料實(shí)際使用條件,致使坑槽實(shí)際修復(fù)效果達(dá)不到預(yù)期。此外,目前國(guó)內(nèi)鮮有明確的冷補(bǔ)料性能技術(shù)要求,難以對(duì)冷補(bǔ)料進(jìn)行優(yōu)選。因此,坑槽冷補(bǔ)材料的評(píng)價(jià)體系仍有待進(jìn)一步完善。
現(xiàn)階段我國(guó)公路養(yǎng)護(hù)需求已進(jìn)入周期性的高峰,而瀝青路面快速修復(fù)作為公路預(yù)防性養(yǎng)護(hù)的重要組成部分,尚未形成統(tǒng)一的試驗(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)體系。本文的研究目的在于通過坑槽二次破損現(xiàn)狀調(diào)研分析,并結(jié)合實(shí)際工程案例,對(duì)瀝青路面坑槽冷補(bǔ)材料性能評(píng)價(jià)方法、評(píng)價(jià)指標(biāo)及其標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究,完善冷補(bǔ)料的評(píng)價(jià)體系,探索坑槽快速冷補(bǔ)材料評(píng)價(jià)技術(shù)的應(yīng)用,為養(yǎng)護(hù)單位進(jìn)行冷補(bǔ)材料優(yōu)選及坑槽修復(fù)決策提供參考。
采用冷補(bǔ)料進(jìn)行路面修復(fù)的主要目的,就是及時(shí)、快速地恢復(fù)由于坑槽而降低的路面使用性能。因此,為了延長(zhǎng)修復(fù)壽命,對(duì)冷補(bǔ)料修復(fù)坑槽后路面發(fā)生頻率較高的二次破損類型進(jìn)行了調(diào)研及成因分析,并以影響冷補(bǔ)料修復(fù)壽命的幾項(xiàng)關(guān)鍵性能作為評(píng)價(jià)內(nèi)容。
為進(jìn)一步了解國(guó)內(nèi)坑槽修復(fù)的二次破損情況,對(duì)江蘇省若干公路與城市道路坑槽修復(fù)后的二次破損狀況進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,共記錄了102 個(gè)冷補(bǔ)料修復(fù)后的路面坑槽二次破損情況,其中材料松散剝落、凹陷和裂縫是發(fā)生率最高的三種二次破損形式,分別高達(dá)48%、37.3%和30.4%。從病害情況來看,冷補(bǔ)材料本身的性能穩(wěn)定性不足是引起二次破損的主要原因。
綜合上述調(diào)研結(jié)果,根據(jù)二次破損特征和發(fā)生率將瀝青路面坑槽修復(fù)常見的二次破損分為變形類、松散類、裂縫類共3種類型。根據(jù)這3 類病害的成因調(diào)研,應(yīng)重點(diǎn)對(duì)冷補(bǔ)料的施工性能、初始強(qiáng)度、黏聚性、成型強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),如表1 所示。
通過對(duì)若干種典型冷補(bǔ)料的室內(nèi)試驗(yàn)研究,并參考現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范和研究成果,綜合提出冷補(bǔ)料各項(xiàng)性能的技術(shù)要求建議值,為養(yǎng)護(hù)單位進(jìn)行材料優(yōu)選提供參考。
目前國(guó)內(nèi)主流的坑槽冷補(bǔ)料主要以國(guó)產(chǎn)冷補(bǔ)料、美國(guó)冷補(bǔ)料及日本冷補(bǔ)料為代表。為使試驗(yàn)材料更具有代表性,選取表3所示4 種冷補(bǔ)料,對(duì)不同冷補(bǔ)料的施工性能、初始強(qiáng)度、黏聚性、成型強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià),為坑槽修復(fù)冷補(bǔ)料優(yōu)選提供依據(jù)。
2.2.1 施工性能
我國(guó)采用經(jīng)驗(yàn)法簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)冷補(bǔ)料施工性能,而國(guó)外一般使用坍落試驗(yàn)、貫入試驗(yàn)等量化評(píng)價(jià)方法,但普及率較低。試驗(yàn)條件允許下,建議采用貫入試驗(yàn)對(duì)冷補(bǔ)料施工性能進(jìn)行評(píng)價(jià),否則以經(jīng)驗(yàn)法代替,評(píng)價(jià)指標(biāo)為貫入強(qiáng)度W 或施工性能等級(jí)G。對(duì)4 種冷補(bǔ)料依次進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)法和貫入實(shí)驗(yàn),結(jié)果如表4 所示。
貫入強(qiáng)度越大或施工性能等級(jí)越低,冷補(bǔ)料的施工性能越差,拌和與壓實(shí)難度越大。根據(jù)表4,LD 的的貫入強(qiáng)度為4.6 kg/cm2,相較其他三種冷補(bǔ)料,施工性能最差。但實(shí)際上冷補(bǔ)料的耐久性和施工性能通常是負(fù)相關(guān)的[9],因此FHWA[1-10]認(rèn)為,當(dāng)貫入強(qiáng)度W≤3 kg/cm2時(shí)冷補(bǔ)料的施工性能是合格的,且貫入強(qiáng)度不宜超過4 kg/cm2。為平衡冷補(bǔ)料耐久性與施工和易性之間的矛盾,建議貫入強(qiáng)度1 kg/cm2≤W≤4 kg/cm2,采用經(jīng)驗(yàn)法評(píng)價(jià)時(shí)施工性能等級(jí)則不低于3 級(jí)。
2.2.2 初始強(qiáng)度
冷補(bǔ)料定位于應(yīng)急修復(fù),需在攤鋪、碾壓之后迅速形成一定的初始強(qiáng)度抵抗交通荷載下的推擠變形。冷補(bǔ)料初始強(qiáng)度主要由骨架嵌擠力構(gòu)成,不宜采用測(cè)試瀝青粘結(jié)性能與骨架嵌擠共同作用的馬歇爾試驗(yàn)。此外,在實(shí)際開槽修復(fù)中,冷補(bǔ)料在5個(gè)面上都有圍壓,這與馬歇爾試驗(yàn)?zāi)M的條件是不同的。因此本文從試件結(jié)構(gòu)和加載方式兩方面考慮,設(shè)計(jì)了初始抗變形試驗(yàn)來代替馬歇爾試驗(yàn),以車轍深度評(píng)價(jià)冷補(bǔ)料的初始強(qiáng)度。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下:1)將成型的車轍板割成4 等分,每一等分尺寸為300 mm×75 mm×50 mm;2)重新組合切割好的“1/4 車轍板”,形成尺寸為 300 mm×150 mm×50 mm 坑槽;3)將 20℃保溫后的冷補(bǔ)料填入坑槽,再次碾壓形成新的車轍板復(fù)合試件,以此模擬坑槽修復(fù)過程,如圖1 所示。
表1 冷補(bǔ)材料性能評(píng)價(jià)內(nèi)容
表2 試驗(yàn)用成品冷補(bǔ)料基本信息
表3 施工性能試驗(yàn)結(jié)果
圖1 坑槽室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M
根據(jù)上述試驗(yàn)步驟對(duì)LD、RPT、DR 和RH 分別進(jìn)行初始抗變形試驗(yàn),所得結(jié)果見圖2。由圖2 可知,DR 的初始強(qiáng)度最低,車轍深度達(dá)到了6.7 mm,而RPT、DR 和RH 車轍深度均小于5.5 mm。考慮到冷補(bǔ)料受到的車輛荷載碾壓作用低于新建路面,可適當(dāng)放寬技術(shù)要求,建議初始抗變形試驗(yàn)技術(shù)要求為車轍深度d≤7 mm。
2.2.3 黏聚性
按AASHTO 中的滾動(dòng)篩試驗(yàn)方法[1],對(duì)4 種冷補(bǔ)料進(jìn)行滾動(dòng)篩試驗(yàn),以殘留率mr 評(píng)價(jià)冷補(bǔ)料的黏聚性,試驗(yàn)結(jié)果圖3 所示??梢钥闯觯篖D 在試驗(yàn)過程中脫落明顯,殘留率不足20%,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其余三種冷補(bǔ)料,黏聚性最差。RPT、DR、RH 的殘留率均超過了75%,黏聚性較好。根據(jù)實(shí)際工程需求,推薦殘留率不小于70%。
2.2.4 成型強(qiáng)度
本文選取馬歇爾穩(wěn)定度MS 評(píng)價(jià)冷補(bǔ)料的成型強(qiáng)度。冷補(bǔ)料試件在室溫下的強(qiáng)度增長(zhǎng)很慢,須通過加速養(yǎng)生使其快速達(dá)到成型強(qiáng)度,故將冷補(bǔ)料試件置于110℃烘箱中養(yǎng)生24 h,來模擬冷補(bǔ)料試件成型。此外,考慮到60℃水浴30 min 條件下,冷補(bǔ)料易發(fā)生松散,本文將水浴溫度降至25℃,延長(zhǎng)水浴時(shí)間至1 h。按照上述試驗(yàn)要求分別測(cè)試LD、RPT、DR 和RH 的成型強(qiáng)度。結(jié)果表明,LD 的成型馬歇爾強(qiáng)度最低,僅為2.3 kN,而DR的成型馬歇爾強(qiáng)度最高,接近LD 的3 倍。此外,RPT、RH 的成型馬歇爾強(qiáng)度均超過4 kN?!豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求冷補(bǔ)料馬歇爾穩(wěn)定度不低于3 kN,對(duì)各級(jí)公路密級(jí)配熱拌瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度最低要求為5 kN,考慮到冷補(bǔ)料馬歇爾試件在110℃烘箱內(nèi)加速養(yǎng)生24 h 后,其穩(wěn)定度仍能繼續(xù)增長(zhǎng),本文建議冷補(bǔ)料成型強(qiáng)度仍可以3 kN 為最低要求,則4 種冷補(bǔ)料中僅LD 不滿足這一標(biāo)準(zhǔn)。
2.2.5 水穩(wěn)定性
考慮冷補(bǔ)料水損害發(fā)生成因和實(shí)際工程應(yīng)用的可行性,選取修正后的凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)冷補(bǔ)料的水穩(wěn)定性,評(píng)價(jià)指標(biāo)為凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比TSR。其中將凍融劈裂試驗(yàn)水浴條件由60℃水浴30 min 調(diào)整為25℃水浴1 h。分別對(duì)4 種冷補(bǔ)料進(jìn)行修正的凍融劈裂試驗(yàn),并計(jì)算凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比,結(jié)果如圖4所示?!豆窞r青路面施工技術(shù)規(guī)范》指出,年降雨量在500 mm以上的潮濕區(qū)和濕潤(rùn)區(qū)的熱拌瀝青混合料TSR 值不低于75%,而眾多工程實(shí)踐表明,熱拌瀝青混合料的抗水損害性能遠(yuǎn)優(yōu)于冷補(bǔ)料,考慮到冷補(bǔ)料自身性能的局限性,且其定位于應(yīng)急修復(fù),其標(biāo)準(zhǔn)可略低于熱拌瀝青混合料,故建議冷補(bǔ)料TSR 不低于70%。
2.2.6 高溫穩(wěn)定性
坑槽修復(fù)容易發(fā)生變形類二次破損,主要原因之一就是高溫條件下冷補(bǔ)料缺乏足夠的抗變形能力。高溫穩(wěn)定性作為瀝青混合料性能檢驗(yàn)中最重要的指標(biāo),本文仍采取工程中廣泛應(yīng)用車轍試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià),但為了模擬冷補(bǔ)料在溶劑揮發(fā)和車輛碾壓下空隙率減小和強(qiáng)度形成的過程,對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行了以下修正:先碾壓車轍板16 次,再置于110℃烘箱內(nèi)加速養(yǎng)生24 h,取出后再立即碾壓8 次。按上述試驗(yàn)方法對(duì)4 種冷補(bǔ)料進(jìn)行車轍試驗(yàn),結(jié)果如圖5 所示。可以發(fā)現(xiàn),RH 的動(dòng)穩(wěn)定度最高,達(dá)到了1 500次/mm,高溫下抗變形能力最強(qiáng),而LD 的高溫穩(wěn)定性明顯低于其余三種冷補(bǔ)料,動(dòng)穩(wěn)定度不足300 次/mm,而RPT、DR 的動(dòng)穩(wěn)定度處于中等水平,且均超過600 次/mm。事實(shí)上由于采用110℃養(yǎng)生24 h 的方法進(jìn)行加速養(yǎng)生后,冷補(bǔ)料中的冷補(bǔ)添加劑不能完全揮發(fā),冷補(bǔ)料中殘留的冷補(bǔ)添加劑影響了其混合料性能,導(dǎo)致冷補(bǔ)料動(dòng)穩(wěn)定度往往低于熱拌瀝青混合料。因此,冷補(bǔ)料的高溫抗變形性能技術(shù)要求應(yīng)在熱拌瀝青混合料技術(shù)要求的基礎(chǔ)上適當(dāng)降低,建議冷補(bǔ)料動(dòng)穩(wěn)定度不低于600 次/mm。
圖2 不同冷補(bǔ)料初始抗變形試驗(yàn)車轍深度
圖3 不同冷補(bǔ)料滾動(dòng)篩試驗(yàn)殘留率
江蘇省內(nèi)某公路重載車輛所占比例較高,交通量大,且由于所處區(qū)域夏季氣溫高,降水量大,建成通車不久便出現(xiàn)了大量的路面破壞,而市場(chǎng)上的冷補(bǔ)料質(zhì)量良莠不齊,坑槽修復(fù)效果不理想,使得養(yǎng)護(hù)單位被坑槽問題長(zhǎng)期困擾。因此養(yǎng)護(hù)單位希望選用性能優(yōu)良的冷補(bǔ)料,延長(zhǎng)坑槽修復(fù)壽命。
總結(jié)各冷補(bǔ)料的性能評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果可知:DR 的施工性能和使用性能整體最好,但價(jià)格較為昂貴;RH 在使用期間抵抗變形的能力最突出,水穩(wěn)定性也僅次于DR;LD 的殘留率、成型馬歇爾穩(wěn)定度、動(dòng)穩(wěn)定度均達(dá)不到技術(shù)要求,使用性能最差;除高溫穩(wěn)定性外,RPT 與RH 的使用性能相近,滿足各項(xiàng)性能技術(shù)要求。由于該地年降雨量較大,且夏季高溫,綜合考慮冷補(bǔ)料使用性能和經(jīng)濟(jì)成本,推薦RH 作為坑槽快速修復(fù)材料。在此基礎(chǔ)上,統(tǒng)一采用標(biāo)準(zhǔn)的切槽修補(bǔ)工藝,對(duì)4 種冷補(bǔ)料進(jìn)行圖6所示的坑槽修復(fù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),并對(duì)修復(fù)的坑槽進(jìn)行觀測(cè)記錄。
觀測(cè)結(jié)果表明,4 種冷補(bǔ)料中,LD 修復(fù)效果最差,其修復(fù)的坑槽在18 周后已全部失效;RPT 與DR 修復(fù)的坑槽在第42 周時(shí)全部發(fā)生二次破壞,其中,RPT 修復(fù)的坑槽早期破壞嚴(yán)重,18周時(shí)失效率達(dá)到80%;RH 坑槽修復(fù)后壽命最長(zhǎng),52 周后仍有20%存活。由實(shí)例可知,所提出的冷補(bǔ)瀝青混合料評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法和技術(shù)要求能較好地反映冷補(bǔ)料的路用性能,便于養(yǎng)護(hù)單位優(yōu)選材料,且滿足技術(shù)要求的冷補(bǔ)料具有較好的坑槽修復(fù)效果。
圖6 冷補(bǔ)料坑槽修復(fù)施工
(1)在對(duì)冷補(bǔ)料坑槽修復(fù)后路面二次破損調(diào)研的基礎(chǔ)上,分析了冷補(bǔ)料性能需求并確定了冷補(bǔ)料評(píng)價(jià)內(nèi)容,包括施工性能、初始強(qiáng)度、黏聚性、成型強(qiáng)度、水穩(wěn)定性及高溫穩(wěn)定性。
(2)設(shè)計(jì)了初始抗變形試驗(yàn),用于評(píng)價(jià)修復(fù)材料的初始強(qiáng)度,采用貫入試驗(yàn)或經(jīng)驗(yàn)法、滾動(dòng)篩試驗(yàn)、修正的馬歇爾試驗(yàn)、修正的凍融劈裂試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)冷補(bǔ)料的施工性能、黏聚性、成型強(qiáng)度、水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性。
(3)通過對(duì)典型冷補(bǔ)料的室內(nèi)試驗(yàn)研究,結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范和研究成果,確定了冷補(bǔ)料各項(xiàng)性能的技術(shù)要求:施工性能應(yīng)滿足貫入強(qiáng)度1 kg/cm2≤W≤4 kg/cm2或施工性能等級(jí)G≥3 級(jí),使用性能應(yīng)滿足初始抗變形試驗(yàn)車轍深度d≤7 mm,滾動(dòng)篩試驗(yàn)殘留率mr≥70%,成型馬歇爾穩(wěn)定度MS≥3 kN,動(dòng)穩(wěn)定度DS≥600 次/mm,凍融劈裂試驗(yàn)強(qiáng)度比TSR≥70%。
(4)通過工程實(shí)例檢驗(yàn),所提出的冷補(bǔ)瀝青混合料評(píng)價(jià)試驗(yàn)方法和技術(shù)要求能較好地反映冷補(bǔ)料的路用性能,且滿足技術(shù)要求的冷補(bǔ)料具有較好的坑槽修復(fù)效果,可以為養(yǎng)護(hù)單位決策提供參考。
圖4 不同冷補(bǔ)料的TSR
圖5 不同冷補(bǔ)料的動(dòng)穩(wěn)定度