王 凱，莊傳儀，張 凱，王保群，崔世萍

(1. 山東高速股份有限公司，山東 濟南 250101; 2. 山東交通學院，山東 濟南 250357; 3. 山東省交通科學研究院，山東 濟南 250100)

0 引言

青川巖瀝青是石油流出物在長達億萬年的綜合作用下生成的硬瀝青類物質，具有良好的抗高溫流動變形能力和水穩(wěn)定性，已在國內(nèi)外高等級公路得到了廣泛的應用，尤其適用于高溫多雨、長大縱坡和重載交通的夏熱冬溫地區(qū)[1-6]。目前，國內(nèi)外學者圍繞巖改瀝青及其混合料的路用性能開展了大量研究，趙群[7]等分析了短期老化對巖改瀝青常規(guī)性能和流變性能的影響。周璐[8]等通過拉拔試驗評價了SBS改性劑、橡膠顆粒、Terminal blend溶解性膠粉、巖瀝青和多聚磷酸5種改性劑對瀝青內(nèi)聚性能和黏結性能的影響，提出巖瀝青性能最優(yōu)。鄒波[9]等通過加速加載試驗系統(tǒng)，對基質瀝青、SBS改性瀝青、青川巖改瀝青和青川巖瀝青與SBS復合改性瀝青4種瀝青混合料進行了高溫穩(wěn)定性評價，給出了瀝青膠結料高溫性能優(yōu)劣排序。李林萍[10]等研究了不同產(chǎn)地巖瀝青對石油瀝青路用性能的影響。郭彤[11]等采用四點彎曲疲勞試驗，從拉伸模量、壓縮模量和彎拉模量對比分析了巖改瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的疲勞性能，表明巖改瀝青混合料疲勞性能與SBS改性瀝青混合料相當。游鵬[12]等通過動態(tài)剪切流變試驗和重復蠕變試驗，研究了青川巖瀝青摻量對巖改瀝青與其混合料性能的影響。

可以看出，針對巖改瀝青與其混合料的性能開展了大量的研究，表明巖改瀝青可顯著提高混合料的路用性能，符合綠色智慧公路建設的要求，但鮮見關于山嶺重丘區(qū)巖改瀝青混合料現(xiàn)場碾壓工藝方面的研究。山嶺重丘區(qū)國省道地方公路坡陡彎急[13]，施工技術往往有別于高速公路[14-17]，且地方公路施工力量較薄弱。鑒于此，本文針對山嶺重丘區(qū)彎道或彎坡組合路段，進行了青川巖改瀝青混合料的碾壓工藝研究，提出了不同半徑的彎道和彎坡組合路段的碾壓方式和要求，并通過試驗段鋪筑與檢測進行了評價，為巖瀝青改性瀝青混合料在山區(qū)公路的應用提供參考。

1 常規(guī)碾壓工藝

山嶺重丘區(qū)公路具有彎道曲線半徑小、縱坡坡度大、超高過渡頻繁且超高緩，以及段較短等特點，橫坡與轉向的變化十分急劇，壓路機在彎道碾壓時，碾壓輪內(nèi)側和外側走過的距離不同，而碾壓輪內(nèi)外輪轉動的圈數(shù)相同，這樣碾壓輪必然會在路面上產(chǎn)生滑移和扭剪，且壓路機的轉彎半徑越小，越容易產(chǎn)生碾壓推移和開裂。

縱坡路段碾壓時，宜將壓路機驅動輪面向攤鋪機方向，由坡底向坡頂方向碾壓，如圖1所示。

圖1 縱坡路段碾壓示意圖

在彎道或彎坡組合路段碾壓瀝青混合料時，宜從彎道最內(nèi)側開始，逐輪向彎道外側碾壓，即按照圖2所示的標號1→標號2→標號3→標號4的順序進行逐輪碾壓。相鄰輾壓輪跡重疊15～25 cm，壓完路面全寬為一遍。往復上述壓實步驟，直至達到規(guī)定的壓實遍數(shù)為止。

圖2 彎道常規(guī)碾壓工藝

這種常規(guī)的瀝青混合料碾壓工藝，對于大半徑平曲線路段，能夠滿足壓實操作和工作面的要求，但對于青川巖改瀝青等硬質瀝青拌和的混合料，在急彎或急彎陡坡組合路段進行碾壓時，在鋪料層上產(chǎn)生的滑移或剪切作用勢必會導致路面推移、壓裂、壓實不均勻、邊角部位無法碾壓等諸多問題，影響瀝青混合料的鋪筑質量和使用壽命[17]。

2 推薦碾壓工藝

公路路線設計規(guī)范要求各級公路路線不論轉角大小，均設置圓曲線，圓曲線與相鄰的直線或曲線間通過緩和曲線過渡[13]。表1為不同設計速度時的圓曲線最小半徑值。

表1 圓曲線最小半徑Table 1 Minimum radius of circular curve設計速度/(km·h-1)圓曲線最小半徑(一般值)/m圓曲線最小半徑(極限值)/mImax=4%Imax=6%Imax=8%Imax=10%6020015013512511540100656060—3065403530—2030201515—

基于平曲線半徑和超高橫坡度等線形指標，根據(jù)壓實機具的類型、壓實功和混合料的特點，提出不同平曲線半徑的彎道和彎坡組合路段的碾壓工藝與要求。對于較大平曲線半徑(R≥135 m)的彎道或彎坡組合路段，宜按照圖2常規(guī)碾壓工藝進行壓實。

2.1 公路平曲線半徑 65≤R<135 m的彎道或彎坡組合路段

對于公路平曲線半徑較小(65≤R<135 m)的彎道或彎坡組合路段，將彎道或彎坡組合路段壓實分解為從前直線段進入彎道或彎坡組合路段、彎道或彎坡組合路段、從彎道或彎坡組合路段拐入后直線段、彎道或彎坡組合路段二次碾壓4個步驟。碾壓時，相鄰輾壓輪跡重疊15～25 cm。

步驟1：當壓路機從前直線段進入彎道或彎坡組合路段時，沿著前直線段向前碾壓至彎道外邊緣，遵循由低處向高處橫向逐輪碾壓的原則，即按照圖3中所示的標號1→標號2→標號3→標號4的次序，壓完路面全寬記為一遍，當碾壓完規(guī)定的壓實遍數(shù)之后，在已壓實的區(qū)域將壓路機轉向，進行步驟2的碾壓。

步驟2：進入彎道或彎坡組合路段碾壓時，采用“裁彎取直”的作業(yè)方法，即與彎道相接的前直線段約呈一半偏心角的斜直線方向，從平曲線緩圓點附近向前碾壓至彎道外邊緣，碾壓方向與平曲線曲中位置的切線方向基本一致，從彎道內(nèi)側橫向逐輪向彎道外側碾壓，即按照圖3中所示的標號5→標號6→標號7→標號8的次序，壓路機從彎道內(nèi)側(圖3中的標號5)直至碾壓到輪跡外側(圖3中的標號8)記為一遍，直至壓完規(guī)定的壓實遍數(shù)。邊角未碾壓到的部位，采用5～8 t小型振動壓路機進行補壓。

步驟3：壓路機從彎道或彎坡組合路段拐入后直線段時，其碾壓方法與步驟1相同，即從彎道或彎坡組合路段內(nèi)側向外側橫向逐輪碾壓，即按照圖3中所示的標號9→標號10→標號11→標號12的次序，當碾壓完規(guī)定的壓實遍數(shù)之后，在已壓實的區(qū)域將壓路機轉向，進行步驟4的碾壓。

步驟4：對彎道進行二次碾壓，同步驟2，由彎道內(nèi)側橫向逐輪向彎道外側碾壓，即按照圖3中所示的標號13→標號14→標號15→標號16的次序，直至壓完規(guī)定的壓實遍數(shù)。邊角未碾壓的部位，采用5～8 t小型振動壓路機進行補壓。

圖3 平曲線半徑65≤R<135 m的彎道或彎坡組合路段碾壓方式

2.2 平曲線半徑R<65 m的彎道或彎坡組合路段

對于平曲線半徑很小(R<65 m)的彎道或彎坡組合路段，將彎道碾壓分解為由前直線段進入彎道或彎坡組合路段、從彎道或彎坡組合路段拐入后直線段和中間平曲線路段3個步驟。碾壓時，相鄰輾壓輪跡重疊15～25 cm。

步驟1：當壓路機由前直線段進入彎道或彎坡組合路段時，沿著前直線段向前延伸碾壓至彎道外邊緣，遵循由低處向高處橫向逐輪碾壓的原則，即按照圖4(a)標號1→標號2→標號3→標號4的次序，壓完路面全寬記為1遍，當碾壓完規(guī)定的壓實遍數(shù)之后，在已壓實的區(qū)域將壓路機轉向，進行步驟2的碾壓。

步驟2：從彎道或彎坡組合路段拐入后直線段碾壓時，將壓路機調轉至與彎道或彎坡組合路段相接的后直線段區(qū)域，驅動輪面向攤鋪機方向，縱向由坡底向坡頂方向碾壓，橫向由彎道內(nèi)側向外側逐輪碾壓，即按照圖4(a)標號5→標號6→標號7→標號8的次序，壓完全寬記為1遍，當碾壓完規(guī)定的壓實遍數(shù)之后，在已壓實的區(qū)域將壓路機轉向，進行步驟3的碾壓。

步驟3：中間平曲線段，采用大半徑圓弧方式進行碾壓，首先從平曲線緩直點附近由彎道內(nèi)側橫向逐輪向彎道外側碾壓，即按照圖4(b)標號9→標號10→標號11→標號12的次序，壓完路面全寬記為一遍。當碾壓完規(guī)定的壓實遍數(shù)之后，再從平曲線直緩點附近由彎道內(nèi)側橫向逐輪向彎道外側碾壓，即按照圖4(c)標號13→標號14→標號15→標號16的次序，直至壓完規(guī)定的壓實遍數(shù)。邊角未碾壓到的部位，采用5～8 t小型振動壓路機進行補壓。

(a) 步驟1

3 碾壓工藝對巖改瀝青混合料路用性能的影響

碾壓工藝對巖改瀝青混合料性能影響評價試驗段位于國道G108線攀枝花川滇界至拉鲊戰(zhàn)備碼頭段(K3019+000～K3021+000)，公路等級為山嶺重丘區(qū)三級公路，設計速度為30 km/h，最大圓曲線半徑為152 m，最小圓曲線半徑為30 m，最大縱坡為8.9%，最小縱坡0.3%，最大超高為8%，路面寬度為7 m。K3019+000～K3020+000段按照常規(guī)碾壓工藝施工，K3020+001～K3021+000段按照本文推薦的碾壓工藝進行施工。施工結束后，對碾壓后的彎道或彎坡組合路段進行現(xiàn)場取芯和切割，評價不同碾壓工藝巖改瀝青混合料的壓實度、高溫性能、水穩(wěn)定性、低溫性能和疲勞性能[6]。

為了避免人為因素對測試位置的干預和使測試結果更具代表性，按照公路路基路面現(xiàn)場測試隨機選點方法[19]，2個試驗段各隨機選取6個測點[20]，取芯位置見圖5。

圖5 現(xiàn)場路面取芯位置

3.1 壓實度

分別以攤鋪當天瀝青混合料的最大理論相對密度和馬歇爾試件毛體積相對密度為基準，計算試驗段巖改瀝青混合料的壓實度和現(xiàn)場空隙率，計算結果見表2。

圖6 碾壓過程中的剪切開裂

表2 壓實度和現(xiàn)場空隙率結果Table 2 Degree of compaction and in-situ volume of air voids碾壓方法樁號芯樣相對密度馬氏相對密度壓實度K1/%理論最大相對密度壓實度K2/%現(xiàn)場空隙率/%K3019+175(彎坡段)2.67997.493.76.3K3019+310(彎坡段)2.65396.592.87.2K3019+494(彎道段)2.64596.292.57.5常規(guī)碾壓工藝K3019+699(彎道段)2.66496.993.26.8K3019+838(彎坡段)2.63294.991.38.7K3019+977(彎坡段)2.64396.192.57.5代表值—2.75095.82.85892.27.8K3020+139(彎道段)2.72799.295.44.6K3020+185(彎坡段)2.6949894.35.7K3020+523(彎道段)2.71398.794.95.1本文推薦的碾壓工藝K3020+780(彎坡段)2.7229995.24.8K3020+951(彎坡段)2.67697.393.66.4K3020+977(彎坡段)2.68397.693.96.1代表值—97.894.25.8JTG F40要求值——≥97—≥934.0～7.0

從實測現(xiàn)場空隙率來看，常規(guī)碾壓工藝壓實后的巖改瀝青混合料，其現(xiàn)場空隙率較大，代表值為7.8%，超出了瀝青表面層混合料空隙率范圍[18]，導致極易發(fā)生水損壞和車轍等病害；采用本文推薦的碾壓工藝壓實的巖改瀝青混合料，現(xiàn)場空隙率最小值為4.6%，最大為6.1%，代表值為5.8%，均滿足瀝青表面層現(xiàn)場空隙率的控制范圍，能夠為瀝青路面抗水損、抗車轍和長期耐久提供保障。

3.2 高溫抗車轍性能

為了評價不同碾壓工藝巖改瀝青混合料的高溫性能，對試驗段隨機選點切割的車轍試件進行60℃環(huán)境下的車轍試驗，試驗結果見表3。

表3 車轍試驗結果Table 3 Results of rutting test碾壓方法試件編號時間t1時的變形量/mm時間t2時的變形量/mm變形量之差/mm動穩(wěn)定度/(次·mm-1)單值平均值標準差11.852.060.213 000常規(guī)碾壓工藝21.882.190.312 0322 26129.0%31.922.280.361 75041.131.260.125 250本文推薦的碾壓工藝51.111.190.097 000>6 00014.2%61.141.240.106 300 規(guī)范要求值———≥2 800≥2 800≤20%

由表3現(xiàn)場路面切割試件高溫車轍試驗可知，采用本文推薦的碾壓工藝碾壓的彎道和彎坡組合路段，動穩(wěn)定度超過了6 000次/mm，遠大于規(guī)范要求的不小于2 800次/mm，并且變異系數(shù)較?。欢捎贸Ｒ?guī)碾壓工藝壓實的路段，巖改瀝青混合料的動穩(wěn)定度平均值僅為2 261次/mm，遠小于本文推薦的碾壓工藝得到的動穩(wěn)定度，且不滿足規(guī)范的要求，變異系數(shù)也較大。

3.3 水穩(wěn)定性檢驗

通過浸水馬歇爾試驗和凍融劈裂試驗，根據(jù)隨機選點取芯的圓柱體試件進行水穩(wěn)定性檢驗，試驗結果見表4。

表4 水穩(wěn)定性檢驗結果Table 4 Results of water stability test碾壓方法試件編號殘留穩(wěn)定度/%殘留強度比/%單值平均值單值平均值185.280.3常規(guī)碾壓工藝283.983.978.578.5382.377.9484.177.4596.693.1本文推薦的碾壓工藝697.397.094.694.3798.295.2896.094.2規(guī)范要求值≥85≥80

由表4可知，采用常規(guī)碾壓工藝壓實的彎道和彎坡組合路段，其殘留穩(wěn)定度和殘留強度比均小于規(guī)范要求值；根據(jù)平曲線半徑，采用本文推薦的彎道或彎坡組合路段碾壓工藝，巖改瀝青混合料殘留穩(wěn)定度和殘留強度比均大于規(guī)范要求值，且較常規(guī)碾壓工藝提高約13%～16%，這是因為對于硬質類瀝青混合料，在較小平曲線半徑或急彎陡坡組合路段鋪筑壓實時，碾壓輪容易在路面上受到扭剪作用，導致路面被剪切壓裂，同時碾壓過程中，彎道內(nèi)外側受拐彎半徑和空間影響，很難碾壓到邊，之后采用低噸位的小型壓路機進行補壓，混合料溫度已大幅度降低，壓實更加困難，即使在彎道中間區(qū)域，碾壓遍數(shù)也不盡相同，無法保證均衡穩(wěn)定的壓實。

3.4 低溫性能

按照上述隨機選點方法，對兩種碾壓工藝的瀝青層切割，制作成250 mm×30 mm×35 mm的矩形梁試件，采用電液伺服萬能材料試驗機(Material Test System 810，MTS-810)，在-10 ℃條件下進行中分點加載三點彎曲破壞試驗，加載速率為50 mm/min，測定抗彎拉強度、最大破壞應變和彎曲勁度模量，評價其低溫性能，試驗結果分別見圖7和圖8。可以看出，相對常規(guī)碾壓工藝，采用本文推薦的碾壓工藝壓實的巖改瀝青混合料抗彎拉強度更大，且破壞應變均大于2 500 με，滿足改性瀝青混合料的性能要求，而常規(guī)碾壓工藝壓實后瀝青混合料的破壞應變均值僅為2 236.2 με，不滿足規(guī)范的要求。這是因為巖改瀝青中瀝青質含量增大，但因其硬度大，降低了其低溫性能，尤其是壓實度偏低的狀況下，混合料的抗彎拉強度也說明了這個問題。

圖7 抗彎拉強度

圖8 最大破壞應變和彎曲勁度模量

3.5 疲勞性能

按照JTG E20進行了2種碾壓工藝的巖改瀝青混合料四點彎曲疲勞試驗[21]。借助MTS-810試驗機，采用常應變控制模式，半正矢波加載，加載頻率為10 Hz，試驗溫度為15 ℃，以瀝青混合料的彎拉勁度模量下降至初始勁度模量的50%的加載次數(shù)為疲勞壽命，試驗結果見表5。已有研究表明，瀝青混合料的疲勞壽命對數(shù)與應變對數(shù)存在極高的線性相關性[22]，因此按式(1)將梁試件中性面的拉應變與疲勞壽命進行雙對數(shù)回歸，結果見表5。

lgNf=klgε+b

(1)

式中：Nf為疲勞壽命，次；ε為應變，με；k、b為擬合參數(shù)。

表5 四點彎曲疲勞試驗結果Table 5 Results of four point bending fatigue test巖改瀝青混合料控制應變/με疲勞壽命/次累計耗散能/(J·m-3)kb決定系數(shù)R240012 58635.21常規(guī)碾壓工藝30058 26487.71-5.52542.5360.999200628 500486.821502 683 0001 244.8740028 27079.41本文推薦的碾壓工藝30098 231149.65-5.07540.6650.9662001 730 0001 027.451502 933 0001 589.29

從表5和圖9可以看出，在相同的控制應變下，對于小半徑的彎道或彎坡組合路段的巖改瀝青混合料，采用本文推薦的碾壓工藝壓實后的混合料疲勞性能明顯優(yōu)于常規(guī)碾壓工藝，說明在相同的條件下，采用合理工藝壓實充分的巖改瀝青混合料，能顯著提高其疲勞壽命。從圖10累計耗散能曲線也能看出，累計耗散能越大，說明混合料達到疲勞破壞所需要的能量越多，抗疲勞性能越好。

圖9 lgNf和lgε線性回歸

圖10 累計耗散能

4 結論

本文針對山嶺重丘區(qū)公路線形特點和巖改瀝青混合料壓實存在的問題，提出了彎道或彎坡組合路段巖改瀝青混合料的碾壓工藝，通過試驗段的鋪筑，與常規(guī)碾壓工藝鋪筑的路面進行了壓實度檢測與性能評價，主要結論如下：

a.基于公路平曲線半徑，提出了山嶺重丘區(qū)公路彎道或彎坡組合路段巖改瀝青混合料的碾壓工藝和要求。

b.公路平曲線半徑小于135 m的急彎或彎坡組合路段，分解為3～4個區(qū)段分段分步碾壓，每個區(qū)段碾壓時，均以直線或大半徑圓弧行進碾壓，避免了小半徑圓弧行進碾壓造成的內(nèi)外輪碾壓圈數(shù)不同而導致的壓實遍數(shù)不相等、壓實不均勻、碾壓推移和剪切壓裂等問題。

c.較常規(guī)的碾壓工藝，按照平曲線半徑大小選擇巖改瀝青混合料的碾壓工藝，路面壓實度約提高2%，水穩(wěn)定性約提高13%～16%，低溫性能和高溫穩(wěn)定性改善尤為顯著，大幅提高了巖改瀝青混合料的耐久性能。

d.本文提出的碾壓工藝同樣可以為其他產(chǎn)地的巖改瀝青或硬質類瀝青混合料，以及低標號瀝青混合料施工提供參考，在山嶺重丘區(qū)公路急彎或彎坡組合路段鋪筑壓實時，通過試驗段的鋪筑進一步驗證和優(yōu)化碾壓工藝。