沈彥忠，張銀博，李耀業(yè)

(1. 新疆交通建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，烏魯木齊 830016； 2. 新疆大學(xué)商學(xué)院，烏魯木齊 830049)

瀝青混合料的壓實(shí)質(zhì)量作為瀝青路面使用性能的重要影響因素之一，壓實(shí)質(zhì)量與材料質(zhì)量、技術(shù)操作和施工方法等方面都有緊密聯(lián)系。20世紀(jì)70年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者對(duì)壓實(shí)工藝進(jìn)行了大量研究，并利用圖像處理技術(shù)和核磁技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)芯樣和室內(nèi)成型試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了對(duì)比研究，從微觀結(jié)構(gòu)研究了壓實(shí)工藝對(duì)瀝青混合料壓實(shí)質(zhì)量的影響[1-2]。陳小龍[3]對(duì)不同類型瀝青混合料的壓實(shí)工藝進(jìn)行了研究，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)PQI(路面密度現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)計(jì)劃)檢測(cè)驗(yàn)證，提出了瀝青路面壓實(shí)工藝選擇和評(píng)價(jià)方法。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)瀝青混合料壓實(shí)工藝的研究起步較晚，也取得了一些研究成果，但仍存在系統(tǒng)性不足、影響因素考慮不全面等問(wèn)題。因此，有必要就此問(wèn)題深入研究[4]。本文以烏奎高速公路路面施工管控為例，從施工材料、施工技術(shù)和外界環(huán)境等方面對(duì)瀝青混合料的壓實(shí)質(zhì)量進(jìn)行研究分析。

1 施工材料影響因素分析

1.1 集料和瀝青

集料作為瀝青混合料的主要成分，分為粗集料和細(xì)集料，二者有效結(jié)合才能得到較好的壓實(shí)質(zhì)量(如壓實(shí)度、空隙率)。瀝青可以使集料嵌擠密實(shí)，壓實(shí)后瀝青的黏聚性隨溫度的降低迅速增加，瀝青混合料形成固結(jié)的整體，具備較強(qiáng)的承載能力[5]。前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果表明，在其他條件不變，瀝青含量變化時(shí)，壓實(shí)質(zhì)量隨之變化。為此，本文進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)置4組不同油石比(3.0%、3.5%、4.0%、4.5%)的瀝青混合料試件，室溫靜置24 h后，測(cè)定其毛體積密度和空隙率。瀝青含量對(duì)試件毛體積相對(duì)密度與空隙率的影響如圖1所示。

圖1 瀝青含量對(duì)試件毛體積相對(duì)密度與空隙率的影響

由圖1可知，瀝青混合料中的瀝青含量對(duì)毛體積相對(duì)密度和空隙率存在顯著影響。空隙率和瀝青含量近似線性負(fù)相關(guān)，毛體積相對(duì)密度和瀝青含量近似線性正相關(guān)，這主要是因?yàn)闉r青的高溫流動(dòng)性和潤(rùn)滑特性，促使集料之間充分流動(dòng)、嵌擠、填充，形成了密實(shí)結(jié)構(gòu)。壓實(shí)度和空隙率是評(píng)價(jià)瀝青路面壓實(shí)質(zhì)量的重要指標(biāo)，其中，壓實(shí)度為毛體積相對(duì)密度與馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)密度的比值。因此，應(yīng)嚴(yán)格控制瀝青用量。

1.2 瀝青混合料級(jí)配

瀝青混合料級(jí)配是瀝青路面壓實(shí)質(zhì)量的重要影響因素之一[6]。選取烏奎高速公路路面施工管控系統(tǒng)的集料數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，集料通過(guò)率如表1所示。

由表1可知，篩孔尺寸為4.75 mm、9.5 mm、13.2 mm、16 mm、19 mm時(shí)，瀝青混合料通過(guò)率的標(biāo)準(zhǔn)差和方差數(shù)值較大，表明上述篩孔的波動(dòng)性較大，分析其原因可發(fā)現(xiàn)，這些篩孔的左右間隔較大。因此，應(yīng)縮小篩孔間隔、加密篩孔。篩孔尺寸越小，瀝青混合料通過(guò)率的變異系數(shù)越大，其中篩孔尺寸為0.075 mm時(shí)，集料通過(guò)率的變異系數(shù)最大，結(jié)果說(shuō)明集料粒徑越小，越容易被外界環(huán)境干擾，應(yīng)及時(shí)除塵，避免廢棄礦粉或粉塵進(jìn)入拌和倉(cāng)。

表1 集料通過(guò)率 (%)

2 技術(shù)影響因素分析

2.1 瀝青混合料溫度

瀝青是一種對(duì)溫度極其敏感的熱塑性材料。瀝青溫度過(guò)高易使其內(nèi)部輕質(zhì)組分揮發(fā)，改變自身性質(zhì)進(jìn)而影響瀝青性能[7]，同時(shí)瀝青溫度過(guò)高會(huì)使其內(nèi)部多種化學(xué)物質(zhì)揮發(fā)，不僅會(huì)污染環(huán)境，還會(huì)影響現(xiàn)場(chǎng)施工人員身體健康。瀝青溫度過(guò)低，則會(huì)難以壓實(shí)，或是在施工時(shí)需要增加壓實(shí)功才能壓實(shí)。

合適的壓實(shí)溫度對(duì)瀝青混合料的壓實(shí)質(zhì)量至關(guān)重要，不僅可以使瀝青路面在壓實(shí)時(shí)獲得較好的壓實(shí)質(zhì)量，而且瀝青路面不會(huì)發(fā)生推移、黏輪等問(wèn)題，更不用增加壓實(shí)功。

為了保證施工質(zhì)量，《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[8]明確規(guī)定了碾壓過(guò)程中初壓、終壓的最低溫度。碾壓最低溫度推薦值如表2所示。

表2 碾壓最低溫度推薦值 (℃)

2.2 攤鋪設(shè)備及運(yùn)行情況

2.2.1 攤鋪速度

攤鋪速度的快慢及穩(wěn)定性對(duì)瀝青混合料的預(yù)壓實(shí)和壓實(shí)質(zhì)量有著重要影響。攤鋪機(jī)在運(yùn)行中保持穩(wěn)定的運(yùn)行速度，可以使瀝青混合料在分布槽的熱量保持在相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。在施工過(guò)程中，瀝青混合料的預(yù)壓實(shí)度隨著攤鋪速度的提高而逐漸降低[9]。攤鋪速度與預(yù)壓實(shí)度的關(guān)系如圖2所示。當(dāng)攤鋪機(jī)低速運(yùn)行時(shí)，振搗梁對(duì)單位面積瀝青混合料的擊實(shí)次數(shù)相對(duì)較多，瀝青混合料承受的擠壓較強(qiáng)烈，預(yù)壓實(shí)度較高。攤鋪機(jī)運(yùn)行速度加快時(shí)，振搗梁對(duì)瀝青混合料單位面積的擊實(shí)次數(shù)相對(duì)減少，瀝青混合料受到的外界壓力隨之降低，粗、細(xì)集料之間嵌擠不足，空隙率變大，顆粒間作用力變小，易出現(xiàn)大面積離析現(xiàn)象[10]，瀝青混合料縱向離析圖如圖3所示。

圖2 攤鋪速度與預(yù)壓實(shí)度的關(guān)系

圖3 瀝青混合料縱向離析圖

2.2.2 振動(dòng)參數(shù)

為論證振動(dòng)參數(shù)對(duì)預(yù)壓實(shí)度的影響，本文在烏奎高速公路某標(biāo)段中面層進(jìn)行試驗(yàn)，設(shè)置振搗梁振動(dòng)頻率為20 Hz、15 Hz、10 Hz、5 Hz，攤鋪機(jī)熨平板振動(dòng)器振動(dòng)頻率為30 Hz、25 Hz、20 Hz、15 Hz、10 Hz。該試驗(yàn)瀝青混合料為AC-20C(4.5% SBS改性瀝青混合料)，攤鋪速度為2.5 m/min，預(yù)壓實(shí)度由瀝青路面智能管控系統(tǒng)自帶無(wú)核密度儀自動(dòng)采集，不同振動(dòng)頻率下瀝青混合料預(yù)壓實(shí)度如圖4所示。

圖4 不同振動(dòng)頻率下瀝青混合料預(yù)壓實(shí)度

由圖4可知，振搗梁振動(dòng)頻率與攤鋪機(jī)熨平板振動(dòng)器振動(dòng)頻率的增加均對(duì)瀝青混合料的預(yù)壓實(shí)有正向作用。因此，在選擇攤鋪機(jī)的機(jī)械運(yùn)行參數(shù)時(shí)，應(yīng)選擇較大的振動(dòng)頻率，但在實(shí)際工程中考慮機(jī)械工作的持續(xù)正常性和經(jīng)濟(jì)性，建議施工期間攤鋪機(jī)熨平板振動(dòng)器振動(dòng)頻率和振搗梁振動(dòng)頻率分別設(shè)置為20～30 Hz和15～20 Hz。

3 壓實(shí)厚度影響因素分析

在施工過(guò)程中不同的壓實(shí)厚度，會(huì)使瀝青混合料的壓實(shí)質(zhì)量產(chǎn)生不容忽視的差異性。通過(guò)分析烏奎高速公路改擴(kuò)建工程中的中面層(6 cm AC-20C)和下面層(8 cm AC-25C)的攤鋪厚度，研究壓實(shí)厚度對(duì)壓實(shí)質(zhì)量的影響。攤鋪厚度與空隙率的關(guān)系如圖5所示。

(a) K3624+100～K3624+800

由圖5可知，瀝青攤鋪厚度太薄，會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料空隙率猛增。歸結(jié)其原因，包括內(nèi)因和外因兩個(gè)方面：其一，厚度較薄的瀝青混合料其自身儲(chǔ)存的總熱量相對(duì)較少。瀝青面層較薄，則熱傳遞距離較短，熱量散失較快，進(jìn)而溫度下降較快；其二，攤鋪層厚度不足。單位體積內(nèi)的瀝青混合料粗細(xì)不均，顆粒間不能有效地移動(dòng)嵌擠填充，出現(xiàn)離析現(xiàn)象。然而，瀝青混合料面層的壓實(shí)厚度并不是越厚越好，瀝青路面的攤鋪層過(guò)厚會(huì)使單位面積上的壓實(shí)功相對(duì)減小，則不能充分壓實(shí)。

烏奎高速公路某標(biāo)段瀝青路面中面層和下面層設(shè)計(jì)厚度分別為6 cm、8 cm。由圖5可知，中、下面層的曲線走向基本相似，產(chǎn)生較好壓實(shí)效果的瀝青路面基本上接近設(shè)計(jì)厚度。中面層和下面層的最佳壓實(shí)厚度分別為6.0～6.5 cm和8.0～9.0 cm。超出最佳壓實(shí)厚度范圍會(huì)使得壓實(shí)度出現(xiàn)較大波動(dòng)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)瀝青路面的原材料數(shù)據(jù)、路面施工過(guò)程中的技術(shù)數(shù)據(jù)和外界環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出結(jié)論如下：

(1) 集料粒徑越小越容易被外界環(huán)境干擾，應(yīng)嚴(yán)格控制瀝青混合料中所需材料的質(zhì)量和用量。

(2) 瀝青路面攤鋪階段合理的生產(chǎn)溫度和壓實(shí)溫度對(duì)瀝青路面的壓實(shí)質(zhì)量至關(guān)重要。

(3) 攤鋪設(shè)備自身運(yùn)行參數(shù)對(duì)壓實(shí)質(zhì)量存在顯著影響，攤鋪機(jī)行進(jìn)速度應(yīng)控制在2.5 m/min，建議施工期間攤鋪機(jī)熨平板振動(dòng)器振動(dòng)頻率和振搗梁振動(dòng)頻率分別為20～30 Hz和15～20 Hz。

(4) 瀝青路面壓實(shí)質(zhì)量受攤鋪厚度影響，超出最佳壓實(shí)厚度范圍，則會(huì)導(dǎo)致壓實(shí)度出現(xiàn)較大波動(dòng)，最佳壓實(shí)厚度應(yīng)盡量接近設(shè)計(jì)厚度。