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        AC-20C改性瀝青混合料路面常溫靜載變形原因分析

        2021-07-31 03:16:18梁文峰韋昌進(jìn)
        西部交通科技 2021年5期
        關(guān)鍵詞:車(chē)轍集料瀝青路面

        梁文峰,韋昌進(jìn), 陳 寧

        (1.廣西粵海高速公路有限公司,廣西 南寧 530023;2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司,江蘇 南京 211112)

        0 引言

        隨著高速公路對(duì)路面舒適性、養(yǎng)護(hù)便捷性要求的不斷提高,國(guó)內(nèi)大多數(shù)的水泥混凝土路面均進(jìn)行了相關(guān)加鋪罩面處理。某高速公路水泥混凝土加鋪采用2.5 cm AC-10應(yīng)力吸收層+8.5 cm/10.5 cm AC-20C改性瀝青混合料+4 cm SMA-13改性瀝青混合料的瀝青路面加鋪結(jié)構(gòu),但在施工10.5 cm及8.5 cm層厚的AC-20C瀝青混合料前期試驗(yàn)段階段,3個(gè)路面標(biāo)段均出現(xiàn)了不同程度的常溫料車(chē)靜載60 t左右作用下AC-20C改性瀝青混合料路面(該路面成型已經(jīng)>10 d,平均高溫大約28 ℃,平均低溫大約22 ℃)輪跡處出現(xiàn)下凹變形,數(shù)天后混合料下凹變形量又出現(xiàn)一定量恢復(fù),但總體仍然有3~5 mm的早期永久變形。為防止該現(xiàn)象影響路面的長(zhǎng)期抗車(chē)轍性能和耐久性能,避免出現(xiàn)早期車(chē)轍和路面破損,有必要對(duì)常溫下凹變形的原因進(jìn)行多角度分析和論證,以下從各標(biāo)段AC-20C試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)的靜載變形調(diào)查、原材料(瀝青作為重點(diǎn))、配合比設(shè)計(jì)、施工壓實(shí)均勻性、混合料高溫穩(wěn)定性能進(jìn)行相關(guān)分析。

        1 AC-20C改性瀝青混合料常溫靜載變形原因分析

        1.1 現(xiàn)場(chǎng)靜載變形量調(diào)查分析

        為調(diào)查在靜載60 t左右下使用不同批次瀝青路面的變形量大小,選擇其中一個(gè)標(biāo)段進(jìn)行了相關(guān)對(duì)比,對(duì)比結(jié)果如表1所示。

        表1 不同批次瀝青AC-20C下面層靜載下路面變形量排查表

        從表1排查結(jié)果可知,第一批次至第四批次瀝青所鋪筑的AC-20C改性瀝青混合料路段整體路面變形量大于其他批次瀝青路段。

        根據(jù)相關(guān)研究[1]表明當(dāng)荷載作用力超過(guò)瀝青路面各層的強(qiáng)度,瀝青路面會(huì)出現(xiàn)一定的永久變形。這種變形與結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度特性有著密切的聯(lián)系。瀝青混合料結(jié)構(gòu)層內(nèi)部由于受到剪應(yīng)力的作用,產(chǎn)生剪切變形。而對(duì)于半剛性基層或者剛性基層(水泥路面加鋪?lái)?xiàng)目),一般產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)性變形很小,因此永久變形主要集中在瀝青面層。本次靜壓采用60 t左右的車(chē)輛進(jìn)行(后軸總質(zhì)量也超過(guò)45 t,平均單軸重達(dá)到22.5 t左右),10 cm的AC-20C瀝青混合料芯樣試件穩(wěn)定度一般在15 kN左右,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其能承受的壓力,會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)一定的剪切變形。因此需要注意成品瀝青路面的保護(hù),防止局部出現(xiàn)荷載集中導(dǎo)致出現(xiàn)碾壓變形。

        1.2 瀝青檢測(cè)及混合料配合比設(shè)計(jì)結(jié)果分析

        1.2.1 不同批次瀝青指標(biāo)分析

        不同批次瀝青檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

        表2 不同批次進(jìn)場(chǎng)改性瀝青檢測(cè)指標(biāo)結(jié)果表

        表3 不同批次留樣改性瀝青到場(chǎng)檢測(cè)指標(biāo)結(jié)果表

        從外委檢測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)自檢結(jié)果看,除第一批次的留樣瀝青運(yùn)動(dòng)黏度(135 ℃)不合格外,其余指標(biāo)均符合規(guī)范相關(guān)要求。

        根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)表明,改性瀝青的135 ℃運(yùn)動(dòng)黏度與瀝青混合料具有較好相關(guān)度,瀝青黏度增加瀝青混合料內(nèi)部粘聚力增大,內(nèi)摩擦角也增大,混合料抗剪強(qiáng)度有所提高,高溫穩(wěn)定性能也會(huì)增加;但黏度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料難以壓實(shí),壓實(shí)度偏低會(huì)出現(xiàn)反作用,反而使得瀝青混合料抗剪強(qiáng)度不足,出現(xiàn)早期破壞。因此黏度較大的瀝青需要重視碾壓,保證碾壓均勻密實(shí)。

        1.2.2 下面層生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果分析

        表5 各合同段下面層AC-20C生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)級(jí)配表

        表6 各合同段下面層AC-20C生產(chǎn)配合比最佳油石比馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果表

        從表4~6中AC-20C改性瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果來(lái)看,整體合成級(jí)配、體積指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。但是變形較大的路段粗集料粒徑整體偏小,用量偏少,合成級(jí)配整體4.75 mm篩孔以上粗集料占比66%左右,骨架結(jié)構(gòu)不明顯,集料之間的粘聚力偏小,易導(dǎo)致瀝青混合料抗變形能力減弱。研究表明增加4.75 mm粗集料用量對(duì)于提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能具有顯著效果,因此可以進(jìn)一步優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)范圍,同時(shí)優(yōu)化混合料相關(guān)級(jí)配組成,減少4~6 mm和0~4 mm材料用量,增加6~11 mm熱料和11~22 mm熱料用量,可以進(jìn)一步增加4.75 mm篩孔以上粗集料用量至70%~72%,進(jìn)一步減少由于混合料合成級(jí)配中粗集料用量占比不足導(dǎo)致大厚度瀝青層易變形的現(xiàn)象。

        表4 各合同段下面層AC-20C生產(chǎn)配合比設(shè)計(jì)結(jié)果表

        1.3 大厚度施工壓實(shí)均勻性分析

        為驗(yàn)證大厚度壓實(shí)是否均勻,輔助判斷是否由于壓實(shí)度的變化,導(dǎo)致路面在靜載作用下出現(xiàn)二次擠密壓實(shí),對(duì)出現(xiàn)變形的位置進(jìn)行取芯,并把8.5 cm和10.5 cm左右的AC-20C混合料芯樣分為上半部分和下半部分分別檢測(cè)壓實(shí)度,同時(shí)檢測(cè)常規(guī)6 cm厚度的AC-20C混合料芯樣,分為上半部分和下半部分,也分別檢測(cè)壓實(shí)度,壓實(shí)度數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表7。

        表7 不同設(shè)計(jì)厚度路面芯樣厚度及壓實(shí)度對(duì)比分析表

        從不同設(shè)計(jì)厚度的AC-20C芯樣壓實(shí)度以及上、下部分壓實(shí)度的結(jié)果可知,設(shè)計(jì)厚度越大上下部分的壓實(shí)度偏差越大,其中變形較大位置的10.5 cm芯樣上、下部分偏差達(dá)到1.7%~1.9%左右。偏差2%左右的可壓縮空隙會(huì)導(dǎo)致路面在靜載作用下進(jìn)一步壓密出現(xiàn)下凹變形達(dá)到2 mm左右偏差;因此大厚度瀝青混合料上、下部分壓實(shí)度不均勻性會(huì)導(dǎo)致路面在集中大荷載作用下出現(xiàn)壓密變形,而這種車(chē)轍一般兩側(cè)沒(méi)有隆起,只有下凹。所以一定要重視大厚度瀝青層碾壓環(huán)節(jié),30 t以上膠輪揉搓碾壓≥3~4遍,同時(shí)注重復(fù)壓階段的雙鋼輪強(qiáng)振碾壓≥2~3遍,減小上、下部分壓實(shí)度的偏差性,防止出現(xiàn)底部壓實(shí)度偏小,后續(xù)出現(xiàn)壓密變形。

        1.4 現(xiàn)場(chǎng)混合料高溫穩(wěn)定性分析

        為驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)混合料高溫穩(wěn)定性能,對(duì)變形較為嚴(yán)重部位的下面層AC-20C路面,切板(35 cm×35 cm)加工成標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試件進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn),同步室內(nèi)成型8 cm的車(chē)轍試件進(jìn)行動(dòng)穩(wěn)定度試驗(yàn)(試驗(yàn)條件:試驗(yàn)溫度60 ℃,輪壓0.7 MPa);現(xiàn)場(chǎng)鉆取直徑150 mm的芯樣制成標(biāo)準(zhǔn)的漢堡車(chē)轍試件,進(jìn)行50 ℃浸水漢堡車(chē)轍試驗(yàn)。具體結(jié)果見(jiàn)表8。

        表8 車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果表

        從檢測(cè)結(jié)果可知,各檢測(cè)方法下,混合料高溫穩(wěn)定性能均滿足設(shè)計(jì)文件要求。但是5 cm的車(chē)轍板動(dòng)穩(wěn)定度明顯大于8 cm的車(chē)轍板的動(dòng)穩(wěn)定度,說(shuō)明AC-20C瀝青混合料在原材料一致、集料粒徑及級(jí)配一致、壓實(shí)度相近的前提下,越厚的AC-20C瀝青混合料抗車(chē)轍性能有一定的降低(相關(guān)研究也表明車(chē)轍試件厚度在一定的范圍內(nèi)時(shí),車(chē)轍深度隨著厚度的增加而線性增長(zhǎng)),一定程度上說(shuō)明規(guī)范對(duì)于最佳的瀝青層厚度一般為集料最大公稱粒徑的2.5~3倍的推薦值,AC-20C瀝青混合料一般厚度為5~6 cm。研究表明,瀝青面層的增厚可以有效改善荷載作用下瀝青路面的受力狀況,并降低面層所受的最大剪應(yīng)力,但同時(shí)顯著增加了瀝青路面的變形與累積變形,最終同樣容易導(dǎo)致在長(zhǎng)期的道路交通狀態(tài)下產(chǎn)生較大的路面車(chē)轍(AASHTO試驗(yàn)路的測(cè)定結(jié)果也同樣表明,車(chē)轍量隨瀝青層厚度的增加而增加,到25 cm時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),瀝青層厚度增加而車(chē)轍深度不再增加)。

        2 結(jié)語(yǔ)

        2.1 結(jié)論

        (1)早期變形較大路段瀝青黏度偏大,壓實(shí)均勻性較差;瀝青混合料4.75 mm以上骨料用量偏少,且10~20 mm碎石粒徑偏小,各項(xiàng)因素疊加加劇了局部位置的常溫重靜載下的累計(jì)變形。

        (2)大厚度10.5 cm AC-20C改性瀝青混合料路面現(xiàn)場(chǎng)的靜壓變形與大厚度AC-20C壓實(shí)的均勻性有一定的關(guān)系,上、下部壓實(shí)度偏差越大,大噸位或者重荷載作用下越易出現(xiàn)擠密變形。

        (3)10.5 cm AC-20C改性瀝青混合料路面厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般5~6 cm AC-20C瀝青混合料厚度,在最大公稱粒徑不變的情況下,層厚的增加更容易出現(xiàn)瀝青路面的累積變形;同時(shí)高溫穩(wěn)定性能在原材料一致、集料粒徑及級(jí)配一致、壓實(shí)度相近的前提下,越厚的AC-20C瀝青混合料抗車(chē)轍性能有一定的降低。

        (4)AC-20C改性瀝青混合料與合成級(jí)配中4.75 mm篩孔通過(guò)率息息相關(guān),增加4.75 mm以上粗集料用量對(duì)高溫穩(wěn)定性能的提高具有良好作用,也能減少混合料初期變形。

        (5)瀝青作為瀝青路面的重要膠結(jié)材料,黏度指標(biāo)的穩(wěn)定性也關(guān)系到瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能,但是黏度越大越容易導(dǎo)致混合料壓實(shí)困難,需要提高碾壓溫度和增加壓實(shí)功能才能保證瀝青路面壓實(shí)的均勻性。

        2.2 建議

        (1)要重視大厚度瀝青層碾壓環(huán)節(jié),30 t以上膠輪揉搓碾壓≥3~4遍,同時(shí)注重復(fù)壓階段的雙鋼輪強(qiáng)振碾壓≥2~3遍,減小上、下部分壓實(shí)度的偏差性,防止出現(xiàn)底部壓實(shí)度偏小,后續(xù)出現(xiàn)壓密變形的情況。

        (2)瀝青層厚選擇盡量與瀝青混合料的最大公稱粒徑2.5~3倍相匹配,對(duì)于大厚度瀝青層混合料,在原材料備料階段選擇合適的篩網(wǎng)尺寸,特別對(duì)于最大檔1#料篩網(wǎng)尺寸的選擇,防止出現(xiàn)20型混合料變成16型的混合料,導(dǎo)致出現(xiàn)粗骨料粒徑偏小的現(xiàn)象?;旌狭瞎羌芷?,則抗變形能力不足以支撐如此大的結(jié)構(gòu)層厚度。

        (3)混合料的性能數(shù)據(jù)應(yīng)作為瀝青材料選擇的重要依據(jù),一些瀝青生產(chǎn)廠商為了達(dá)到較高的材料指標(biāo)要求通過(guò)不法手段進(jìn)行調(diào)配,使得瀝青檢測(cè)指標(biāo)能夠符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的要求,但其材料的穩(wěn)定性和混合料路用性能存在嚴(yán)重不足,嚴(yán)重影響了瀝青路面的施工質(zhì)量。施工中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)瀝青材料及混合料性能的抽檢,例如:現(xiàn)場(chǎng)切板進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)、漢堡車(chē)轍試驗(yàn)等。

        (4)進(jìn)一步優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)范圍,同時(shí)優(yōu)化混合料相關(guān)級(jí)配組成,減少4~6 mm和0~4 mm材料用量,增加6~11 mm熱料和11~22 mm熱料用量,可以進(jìn)一步增加4.75 mm篩孔以上粗集料用量至70%~72%,使得混合料4.75 mm合成級(jí)配通過(guò)率在30%左右,進(jìn)一步減少由于混合料合成級(jí)配中粗集料用量占比不足而導(dǎo)致大厚度瀝青層易變形的現(xiàn)象。

        (5)加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)到場(chǎng)改性瀝青老化后指標(biāo)的檢測(cè)(老化后延度、老化后針入度比),并統(tǒng)一采用旋轉(zhuǎn)薄膜老化方式;各施工方、監(jiān)理方對(duì)進(jìn)場(chǎng)的改性瀝青儲(chǔ)存后指標(biāo)衰減規(guī)律進(jìn)行收集,主要監(jiān)管到場(chǎng)后指標(biāo)情況、3 d后指標(biāo)情況、7 d后的指標(biāo)情況,為現(xiàn)場(chǎng)改性瀝青使用提供依據(jù);同時(shí)后續(xù)進(jìn)場(chǎng)瀝青未能及時(shí)使用的,使用前必須檢測(cè)合格方能用于施工拌和。

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