嵌入式抗滑表層施工工藝參數(shù)研究

周志剛，羅靖，曹長(zhǎng)斌

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410114；2. 廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000)

瀝青路面的主要材料包括瀝青和集料。隨著中國(guó)高等級(jí)公路的飛速發(fā)展，對(duì)優(yōu)質(zhì)石料的需求也越來(lái)越多。優(yōu)質(zhì)的石料不僅影響到路面的使用壽命，也可以提供較好的抗滑耐磨性能。嵌入式抗滑表層(Hot Rolled Asphalt，簡(jiǎn)稱(chēng)為HRA)不僅可以大量節(jié)約優(yōu)質(zhì)石料，也可以提供較好的抗滑性能。該路面是在攤鋪好的斷級(jí)配細(xì)粒式混凝土(嵌入層)上撒鋪一層單一粒徑且抗滑耐磨的預(yù)拌瀝青碎石(撒鋪層)，最后通過(guò)碾壓形成的路面結(jié)構(gòu)。

嵌入式抗滑表層路面在英國(guó)應(yīng)用較多。近年來(lái)，中國(guó)的學(xué)者們也開(kāi)始對(duì)嵌入式抗滑表層路面進(jìn)行研究。邴桂斌[1]在英國(guó) HRA修筑技術(shù)規(guī)范基礎(chǔ)上，針對(duì)中國(guó)的氣候和交通條件進(jìn)行了研究，提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。劉勇[2-3]等人以國(guó)道G318線康東段改建項(xiàng)目為依托，對(duì)嵌入式抗滑表層混合料的集料組成和配合比進(jìn)行了研究。李楊[4]等人對(duì)HRA的抗車(chē)轍性能進(jìn)行了研究。陸陽(yáng)[5]等人對(duì)HRA的高溫粘彈塑性進(jìn)行了研究。但人們對(duì) HRA的研究集中在配合比和路用性能方面，而在施工工藝、工程實(shí)踐和質(zhì)量控制方面研究得較少。嵌入式抗滑表層的結(jié)構(gòu)和施工過(guò)程與中國(guó)其他普通瀝青路面的結(jié)構(gòu)和施工過(guò)程存在著明顯的差別。對(duì) HRA的施工工藝進(jìn)行系統(tǒng)全面的研究極為重要，關(guān)系到路面的使用性能和壽命，也是保證施工質(zhì)量的重要依據(jù)。因此，作者擬通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)，對(duì)施工工藝中涉及到的多個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行研究，以期推薦一種最優(yōu)的組合，為HRA路面的鋪筑提供參考。

1 試驗(yàn)材料及配合比

1.1 瀝青

本試驗(yàn)采用的瀝青為SBS I-D改性瀝青，其中，SBS的摻量為4.7%。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程(JTG E20-2011)》中的試驗(yàn)方法進(jìn)行了檢測(cè)，其性能指標(biāo)(見(jiàn)表1)均滿足規(guī)范要求。

1.2 集料與級(jí)配

本試驗(yàn)嵌入層所用粗、細(xì)集料均為石灰?guī)r，撒鋪層顆粒為玄武巖。根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40—2004)》，集料的各項(xiàng)性能指標(biāo)(見(jiàn)表2)均滿足規(guī)范要求。采用英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS EN 13108-4[6]中給出的C型級(jí)配進(jìn)行礦料級(jí)配，見(jiàn)表3。

表1 SBS改性瀝青技術(shù)性能Table 1 Technical index of the SBS modified asphalt

表2 瀝青混合料集料技術(shù)特性Table 2 Technical index of aggregate in the asphalt mixture

表3 嵌入層瀝青混合料級(jí)配組成Table 3 Embedded layer aggregate grade of the asphalt mixture

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)是一種能夠分析多個(gè)因素多個(gè)水平的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)正交試驗(yàn)，選出具有代表性的試驗(yàn)組，再對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，得出最優(yōu)的因素組合方案。正交試驗(yàn)具有效率高、可減少大量實(shí)驗(yàn)次數(shù)的優(yōu)點(diǎn)[7]。

2.2 因素和水平的選擇

影響嵌入式抗滑表層施工工藝參數(shù)的因素眾多，本次實(shí)驗(yàn)選取了幾個(gè)關(guān)鍵性控制因素，包括：預(yù)拌碎石撒鋪量、預(yù)拌碎石粒徑、拌和溫度、攤鋪溫度、碾壓溫度及壓實(shí)功。英國(guó)規(guī)范BS 594987—2015[8]中推薦的撒鋪碎石量為9～17 kg/m2；撒鋪碎石粒徑為9.5～13.2 mm。根據(jù)中國(guó)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范(JTG F40-2004)》，瀝青混合料最低施工拌和、攤鋪和碾壓溫度分別為170,160和150 ℃，且不同的拌合溫度對(duì)改性瀝青混合料的性能有一定影響[9]；試件高度為150 mm時(shí)的壓實(shí)功為80 kN，試件高度為63.5 mm時(shí)的壓實(shí)功為125 kN。為了簡(jiǎn)化正交試驗(yàn)，將拌和、攤鋪和碾壓溫度合并為施工溫度這一個(gè)因素。本次正交實(shí)驗(yàn)在規(guī)范推薦值的范圍內(nèi)選取，或上、下浮動(dòng)一定的值進(jìn)行設(shè)計(jì)，見(jiàn)表4。

表4 正交試驗(yàn)的因素和水平Table 4 Factors and levels of orthogonal test

2.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

嵌入式抗滑表層不僅要求具有良好的高溫穩(wěn)定性，還需具有抗滑耐磨以及撒鋪層嵌入效果較好的性能。因此，通過(guò)進(jìn)行SPT靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)、肯塔堡飛散試驗(yàn)、手工鋪砂試驗(yàn)及壓實(shí)度試驗(yàn)，測(cè)定試件的流變時(shí)間、穩(wěn)定階段斜率、飛散損失、構(gòu)造深度及壓實(shí)度等，評(píng)價(jià)并得出最佳施工工藝參數(shù)。試件采用靜壓成型方式，其中，SPT靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)試件高度為 150 mm，其他試驗(yàn)試件高度均為63.5 mm。

2.4 正交試驗(yàn)方案

根據(jù)本試驗(yàn)選取L9(34)正交試驗(yàn)表開(kāi)展試驗(yàn)，正交試驗(yàn)方案見(jiàn)表5。

表5 正交試驗(yàn)方案Table 5 Scheme of orthogonal test

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 正交試驗(yàn)結(jié)果

9組試驗(yàn)的SPT靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)、飛散試驗(yàn)、手工鋪砂試驗(yàn)及壓實(shí)度試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 正交試驗(yàn)結(jié)果Table 6 Results of orthogonal test

3.2 不同因素對(duì)高溫性能影響的分析

采用直觀分析方法，計(jì)算某一因素在同一水平試驗(yàn)組下的平均值，對(duì)其在不同水平下的變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析，通過(guò)比較每個(gè)因子在不同水平均值的大小來(lái)判斷該水平的好壞，用同一因素在不同水平的極差來(lái)判斷該因素對(duì)指標(biāo)的影響程度。

在SPT靜態(tài)蠕變?cè)囼?yàn)中，根據(jù)流變時(shí)間的大小來(lái)判別高溫性能的好壞，流變時(shí)間越大，越不容易發(fā)生剪切破壞，高溫性能越好，穩(wěn)定階段斜率越小(穩(wěn)定階段斜率與車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果具有很好的相關(guān)性)。表明：試件在高溫條件下的變形越慢，耐高溫性越好。根據(jù)這2個(gè)指標(biāo)來(lái)綜合判斷高溫性能[10]。

不同因素對(duì)高溫性能影響的直觀分析結(jié)果見(jiàn)表 7。高溫性能各指標(biāo)隨因素和水平的變化規(guī)律如圖1所示。從流變時(shí)間和穩(wěn)定階段斜率這2個(gè)控制指標(biāo)的極差大小看出，壓實(shí)功對(duì)高溫性能的影響明顯大于其他3種影響因素。隨著壓實(shí)功的增大，流變時(shí)間變長(zhǎng)且穩(wěn)定階段斜率也降低。這是因?yàn)樵龃髩簩?shí)功使得撒鋪層的嵌入效果更好，使得嵌入層與撒鋪層能更好地結(jié)合。對(duì)高溫性能影響程度由大到小的順序?yàn)椋簤簩?shí)功、撒鋪碎石粒徑、施工溫度和撒鋪量。

表7 高溫性能各指標(biāo)極差分析Table 7 Range analysis of high-temperatureperformance index

圖1 高溫性能各指標(biāo)隨因素和水平的變化規(guī)律Fig. 1 Variation of high-temperature performance index with factor level

3.3 不同因素對(duì)粘結(jié)性影響的分析

通過(guò)開(kāi)展肯塔堡飛散試驗(yàn)，測(cè)定瀝青混合料試件質(zhì)量損失率來(lái)評(píng)價(jià)粘結(jié)性能。試驗(yàn)的目的是得出撒鋪層碎石的質(zhì)量損失率，但飛散試驗(yàn)的結(jié)果為全部顆粒的質(zhì)量損失率。為了區(qū)分嵌入層和撒鋪層顆粒的散落情況，撒鋪層的實(shí)際損失率采用2種方法：①按照同樣制備工藝分別成型加撒鋪碎石的試件和不加撒鋪碎石的試件，通過(guò)計(jì)算單位面積的飛散損失來(lái)得出撒鋪層損失比例[11-12]；②在試件成型后，利用防水高黏的環(huán)氧地坪漆，對(duì)試件表面的撒鋪層碎石進(jìn)行染色。飛散試驗(yàn)后，取染色顆粒來(lái)計(jì)算撒鋪層碎石的損失率。為了檢驗(yàn)試件在高溫、濕熱狀態(tài)下瀝青老化對(duì)粘結(jié)性能的影響，分別開(kāi)展普通標(biāo)準(zhǔn)飛散和浸水飛散，其中：普通標(biāo)準(zhǔn)飛散試驗(yàn)試件在20±0.5 ℃的恒溫水槽中養(yǎng)生20 h，浸水飛散試驗(yàn)試件現(xiàn)在60±0.5 ℃恒溫水槽中養(yǎng)生48 h。

然后，在室溫中放置24 h。

不同影響因素對(duì)粘結(jié)性能的結(jié)果見(jiàn)表 8。通過(guò)計(jì)算得出的撒鋪層飛散損失隨因素和水平的變化規(guī)律如圖2所示。通過(guò)染色得出的撒鋪層顆粒損失隨因素和水平的變化規(guī)律如圖3所示。從圖2,3中可以看出，撒鋪量對(duì)粘結(jié)性的影響最大，撒鋪碎石損失率隨著撒鋪量的增大而增加，其原因是：隨著撒鋪顆粒變多，嵌入層的細(xì)集料不足以被擠上來(lái)包裹住撒鋪層顆粒，嵌入層和撒鋪層的粘結(jié)主要通過(guò)瀝青之間的粘結(jié)作用，其次是施工溫度對(duì)粘結(jié)性的影響較大。隨著施工溫度升高，損失率逐漸變小。這是因?yàn)闇囟冗^(guò)低時(shí)，嵌入層瀝青混凝土變硬，而導(dǎo)致嵌入效果不好。施工時(shí)，應(yīng)注意溫度的控制，避免溫度過(guò)低而導(dǎo)致壓實(shí)嵌入效果不好[13]。飛散損失率受撒鋪碎石粒徑和壓實(shí)功的影響不大。因此，對(duì)嵌入式抗滑表層粘結(jié)性影響程度由大到小的順序?yàn)椋喝鲣伭俊⑹┕囟取簩?shí)功和撒鋪碎石粒徑。

3.4 不同因素對(duì)抗滑性能影響的分析

對(duì)構(gòu)造深度的影響結(jié)果見(jiàn)表 9。構(gòu)造深度隨因素和水平的變化規(guī)律如圖4所示。碎石的撒鋪量和粒徑對(duì)構(gòu)造深度的影響較大。隨著撒鋪量的增加，構(gòu)造深度變大。這是因?yàn)槿鲣伭吭黾訒r(shí)，試件單位面積內(nèi)撒鋪碎石露在外面的體積增大。施工溫度和壓實(shí)功的變化對(duì)構(gòu)造深度的影響不明顯。對(duì)試件表面抗滑性能影響程度由大到小的順序?yàn)椋喝鲣伭俊⑷鲣佀槭健簩?shí)功和施工溫度。隨著構(gòu)造深度的增加，該試件的表面抗滑性能變好。當(dāng)構(gòu)造深度過(guò)大時(shí)，撒鋪碎石與嵌入層的粘結(jié)性能變差，嵌入效果不好，撒鋪碎石容易脫落，抗滑性能會(huì)變得更差。因此，在滿足粘結(jié)性的基礎(chǔ)上，選擇較大構(gòu)造深度所對(duì)應(yīng)的施工參數(shù)。

表8 粘結(jié)性能各指標(biāo)極差分析Table 8 Range analysis of bonding performance index

圖2 計(jì)算得飛散損失隨因素和水平的變化規(guī)律Fig. 2 Variation of cantabro test wastage indicators with factor level

圖3 染色顆粒損失隨因素水平變化規(guī)律Fig. 3 Variation of grain wastage indicators with factor level

表9 構(gòu)造深度極差分析Table 9 Range analysis of tectonic depth

圖4 構(gòu)造深度隨因素和水平的變化規(guī)律Fig. 4 Variation of tectonic depth with factor level

3.5 不同因素對(duì)密實(shí)性影響的分析

開(kāi)展密實(shí)性試驗(yàn)時(shí)，不需要撒鋪碎石，影響因素只有施工溫度和壓實(shí)功。其極差分析見(jiàn)表10。壓實(shí)度隨因素和水平的變化規(guī)律如圖5所示。從表10和圖5中可以看出，壓實(shí)功對(duì)密實(shí)性的影響程度比施工溫度的大。壓實(shí)度越大，表明密實(shí)效果越好。

表10 壓實(shí)度極差分析Table 10 Range analysis of compaction

圖5 壓實(shí)度隨因素和水平的變化規(guī)律Fig. 5 Variation of compaction with factor level

4 工藝參數(shù)確定

不同控制指標(biāo)下各因素的最優(yōu)水平見(jiàn)表11。撒鋪量在4種控制指標(biāo)下分別得出了不同的結(jié)果。從影響程度判斷，撒鋪量對(duì)粘結(jié)性能和抗滑性能的影響最大，對(duì)高溫性能的影響較小。當(dāng)撒鋪量為 9 kg/m2時(shí)的粘結(jié)性能最好；當(dāng)撒鋪量為15 kg/m2時(shí)的抗滑性能最好，出現(xiàn)了2種極端情況。若考慮粘結(jié)性勢(shì)必會(huì)影響抗滑性能。若抗滑性能好時(shí)，顆粒間粘結(jié)嵌入效果較差，容易導(dǎo)致碎石脫落。經(jīng)綜合考慮，選取撒鋪量為12 kg/m2。施工時(shí)，建議撒鋪量范圍為 10～12 kg/m2。

撒鋪碎石粒徑對(duì)高溫性能和抗滑性能的影響較大，而對(duì)粘結(jié)性的影響較小。當(dāng)碎石粒徑為9.5～13.2 mm時(shí)，其抗滑性能最好；當(dāng)碎石粒徑為4.75～9.5 mm時(shí)，其高溫性能最好；且這2種粒徑對(duì)抗滑性能和高溫性能的影響波動(dòng)均不大。考慮到后期的長(zhǎng)期磨耗，選取撒鋪碎石粒徑為9.5～13.2 mm。

根據(jù)流變時(shí)間，確定最佳拌合-攤鋪-碾壓溫度為170-160-150 ℃；根據(jù)穩(wěn)定階段斜率，確定施工溫度為180-170-160 ℃；且采用這2種施工溫度時(shí)，流變時(shí)間的變化僅為2.5%。施工溫度越高尤其是碾壓溫度越高，撒鋪層與嵌入層之間的粘結(jié)性越好。當(dāng)施工溫度大于170-160-150 ℃時(shí)，飛散損傷的變化趨于緩慢。隨溫度的升高，壓實(shí)度的升高也變緩。因此，從能源消耗和瀝青高溫老化這2個(gè)方面考慮，選定拌合-攤鋪-碾壓溫度為170-160-150 ℃。施工中拌和溫度的建議范圍為170～180 ℃，攤鋪溫度的建議范圍為 160～170 ℃，初壓溫度的建議范圍為150～160 ℃，終壓結(jié)束時(shí)溫度不宜低于90 ℃。

壓實(shí)功對(duì)高溫性能和密實(shí)性的影響最大，而對(duì)粘結(jié)性和抗滑性能的影響最小。當(dāng)壓實(shí)功為90(135)kN時(shí)，混合料的高溫性能和密實(shí)性都最好。因此，選定壓實(shí)功為90(135) kN。施工中，初壓應(yīng)在混合料攤鋪后較高溫度時(shí)進(jìn)行，可采用10～12 t雙鋼輪壓路機(jī)靜壓1～2遍；復(fù)壓可采用6～10 t振動(dòng)碾壓3～4次；終壓時(shí)，使用8～15 t膠輪壓路機(jī)碾壓2～3次；最后，再用雙輪壓路機(jī)靜壓收面壓實(shí)2次。

表11 各控制指標(biāo)下各因素最優(yōu)水平表Table 11 Optimal level of each factor under each control index

5 結(jié)論

1) 正交試驗(yàn)結(jié)果表明，在選定的4種關(guān)鍵因素中，壓實(shí)功對(duì)嵌入式抗滑表層高溫性能的影響最大，撒鋪碎石粒徑和施工溫度的影響次之，撒鋪量的影響最小。高溫性能隨著壓實(shí)功的增大而變好。

2) 撒鋪層和嵌入層的粘結(jié)性受撒鋪量的影響最大。撒鋪量越多，粘結(jié)性越差，撒鋪碎石越容易脫落。其次受施工溫度的影響較大。施工溫度降低時(shí)，粘結(jié)性將變差。粘結(jié)性隨撒鋪碎石粒徑和壓實(shí)功的變化最小。

3) 撒鋪碎石粒徑和撒鋪量對(duì)嵌入式抗滑表層抗滑性能的影響較大。當(dāng)粒徑和撒鋪量增大時(shí)，表面構(gòu)造深度變大，但此時(shí)粘結(jié)性又變小，應(yīng)選用合適的撒鋪粒徑和撒鋪量。

4) 嵌入式抗滑表層施工工藝各關(guān)鍵因素的最佳組合為：撒鋪量12 kg/m2、撒鋪碎石粒徑9.5～13.2 mm、拌合-攤鋪-碾壓溫度為170-160-150 ℃、壓實(shí)功90(135) kN。施工時(shí)，各參數(shù)宜在推薦范圍內(nèi)。