AC-20C改性瀝青混合料路面常溫靜載變形原因分析

梁文峰，韋昌進， 陳 寧

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

0 引言

隨著高速公路對路面舒適性、養(yǎng)護便捷性要求的不斷提高，國內(nèi)大多數(shù)的水泥混凝土路面均進行了相關加鋪罩面處理。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構，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段階段，3個路面標段均出現(xiàn)了不同程度的常溫料車靜載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，但總體仍然有3～5 mm的早期永久變形。為防止該現(xiàn)象影響路面的長期抗車轍性能和耐久性能，避免出現(xiàn)早期車轍和路面破損，有必要對常溫下凹變形的原因進行多角度分析和論證，以下從各標段AC-20C試驗段現(xiàn)場的靜載變形調(diào)查、原材料(瀝青作為重點)、配合比設計、施工壓實均勻性、混合料高溫穩(wěn)定性能進行相關分析。

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，選擇其中一個標段進行了相關對比，對比結果如表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)相關研究[1]表明當荷載作用力超過瀝青路面各層的強度，瀝青路面會出現(xiàn)一定的永久變形。這種變形與結構層的強度特性有著密切的聯(lián)系。瀝青混合料結構層內(nèi)部由于受到剪應力的作用，產(chǎn)生剪切變形。而對于半剛性基層或者剛性基層(水泥路面加鋪項目)，一般產(chǎn)生的結構性變形很小，因此永久變形主要集中在瀝青面層。本次靜壓采用60 t左右的車輛進行(后軸總質量也超過45 t，平均單軸重達到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，遠遠小于其能承受的壓力，會導致出現(xiàn)一定的剪切變形。因此需要注意成品瀝青路面的保護，防止局部出現(xiàn)荷載集中導致出現(xiàn)碾壓變形。

1.2 瀝青檢測及混合料配合比設計結果分析

1.2.1 不同批次瀝青指標分析

不同批次瀝青檢測結果見表2、表3。

表2 不同批次進場改性瀝青檢測指標結果表

表3 不同批次留樣改性瀝青到場檢測指標結果表

從外委檢測及現(xiàn)場自檢結果看，除第一批次的留樣瀝青運動黏度(135 ℃)不合格外，其余指標均符合規(guī)范相關要求。

根據(jù)相關文獻表明，改性瀝青的135 ℃運動黏度與瀝青混合料具有較好相關度，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，混合料抗剪強度有所提高，高溫穩(wěn)定性能也會增加；但黏度過大會導致瀝青混合料難以壓實，壓實度偏低會出現(xiàn)反作用，反而使得瀝青混合料抗剪強度不足，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。

1.2.2 下面層生產(chǎn)配合比設計結果分析

表5 各合同段下面層AC-20C生產(chǎn)配合比設計級配表

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結果表

從表4～6中AC-20C改性瀝青混合料的配合比設計結果來看，整體合成級配、體積指標滿足相關規(guī)范和設計要求。但是變形較大的路段粗集料粒徑整體偏小，用量偏少，合成級配整體4.75 mm篩孔以上粗集料占比66%左右，骨架結構不明顯，集料之間的粘聚力偏小，易導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，因此可以進一步優(yōu)化級配設計范圍，同時優(yōu)化混合料相關級配組成，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，可以進一步增加4.75 mm篩孔以上粗集料用量至70%～72%，進一步減少由于混合料合成級配中粗集料用量占比不足導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)配合比設計結果表

1.3 大厚度施工壓實均勻性分析

為驗證大厚度壓實是否均勻，輔助判斷是否由于壓實度的變化，導致路面在靜載作用下出現(xiàn)二次擠密壓實，對出現(xiàn)變形的位置進行取芯，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壓實度，同時檢測常規(guī)6 cm厚度的AC-20C混合料芯樣，分為上半部分和下半部分，也分別檢測壓實度，壓實度數(shù)據(jù)對比見表7。

表7 不同設計厚度路面芯樣厚度及壓實度對比分析表

從不同設計厚度的AC-20C芯樣壓實度以及上、下部分壓實度的結果可知，設計厚度越大上下部分的壓實度偏差越大，其中變形較大位置的10.5 cm芯樣上、下部分偏差達到1.7%～1.9%左右。偏差2%左右的可壓縮空隙會導致路面在靜載作用下進一步壓密出現(xiàn)下凹變形達到2 mm左右偏差；因此大厚度瀝青混合料上、下部分壓實度不均勻性會導致路面在集中大荷載作用下出現(xiàn)壓密變形，而這種車轍一般兩側沒有隆起，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，同時注重復壓階段的雙鋼輪強振碾壓≥2～3遍，減小上、下部分壓實度的偏差性，防止出現(xiàn)底部壓實度偏小，后續(xù)出現(xiàn)壓密變形。

1.4 現(xiàn)場混合料高溫穩(wěn)定性分析

為驗證現(xiàn)場混合料高溫穩(wěn)定性能，對變形較為嚴重部位的下面層AC-20C路面，切板(35 cm×35 cm)加工成標準車轍試件進行動穩(wěn)定度試驗，同步室內(nèi)成型8 cm的車轍試件進行動穩(wěn)定度試驗(試驗條件：試驗溫度60 ℃，輪壓0.7 MPa)；現(xiàn)場鉆取直徑150 mm的芯樣制成標準的漢堡車轍試件，進行50 ℃浸水漢堡車轍試驗。具體結果見表8。

表8 車轍試驗結果表

從檢測結果可知，各檢測方法下，混合料高溫穩(wěn)定性能均滿足設計文件要求。但是5 cm的車轍板動穩(wěn)定度明顯大于8 cm的車轍板的動穩(wěn)定度，說明AC-20C瀝青混合料在原材料一致、集料粒徑及級配一致、壓實度相近的前提下，越厚的AC-20C瀝青混合料抗車轍性能有一定的降低(相關研究也表明車轍試件厚度在一定的范圍內(nèi)時，車轍深度隨著厚度的增加而線性增長)，一定程度上說明規(guī)范對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力，但同時顯著增加了瀝青路面的變形與累積變形，最終同樣容易導致在長期的道路交通狀態(tài)下產(chǎn)生較大的路面車轍(AASHTO試驗路的測定結果也同樣表明，車轍量隨瀝青層厚度的增加而增加，到25 cm時達到穩(wěn)定狀態(tài)，瀝青層厚度增加而車轍深度不再增加)。

2 結語

2.1 結論

(1)早期變形較大路段瀝青黏度偏大，壓實均勻性較差；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，各項因素疊加加劇了局部位置的常溫重靜載下的累計變形。

(2)大厚度10.5 cm AC-20C改性瀝青混合料路面現(xiàn)場的靜壓變形與大厚度AC-20C壓實的均勻性有一定的關系，上、下部壓實度偏差越大，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遠超出一般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；同時高溫穩(wěn)定性能在原材料一致、集料粒徑及級配一致、壓實度相近的前提下，越厚的AC-20C瀝青混合料抗車轍性能有一定的降低。

(4)AC-20C改性瀝青混合料與合成級配中4.75 mm篩孔通過率息息相關，增加4.75 mm以上粗集料用量對高溫穩(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材料，黏度指標的穩(wěn)定性也關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致混合料壓實困難，需要提高碾壓溫度和增加壓實功能才能保證瀝青路面壓實的均勻性。

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，同時注重復壓階段的雙鋼輪強振碾壓≥2～3遍，減小上、下部分壓實度的偏差性，防止出現(xiàn)底部壓實度偏小，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，導致出現(xiàn)粗骨料粒徑偏小的現(xiàn)象?；旌狭瞎羌芷。瑒t抗變形能力不足以支撐如此大的結構層厚度。

(3)混合料的性能數(shù)據(jù)應作為瀝青材料選擇的重要依據(jù)，一些瀝青生產(chǎn)廠商為了達到較高的材料指標要求通過不法手段進行調(diào)配，使得瀝青檢測指標能夠符合檢測標準的要求，但其材料的穩(wěn)定性和混合料路用性能存在嚴重不足，嚴重影響了瀝青路面的施工質量。施工中應加強對現(xiàn)場瀝青材料及混合料性能的抽檢，例如：現(xiàn)場切板進行車轍試驗、漢堡車轍試驗等。

(4)進一步優(yōu)化級配設計范圍，同時優(yōu)化混合料相關級配組成，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合成級配通過率在30%左右，進一步減少由于混合料合成級配中粗集料用量占比不足而導致大厚度瀝青層易變形的現(xiàn)象。

(5)加強對現(xiàn)場到場改性瀝青老化后指標的檢測(老化后延度、老化后針入度比)，并統(tǒng)一采用旋轉薄膜老化方式；各施工方、監(jiān)理方對進場的改性瀝青儲存后指標衰減規(guī)律進行收集，主要監(jiān)管到場后指標情況、3 d后指標情況、7 d后的指標情況，為現(xiàn)場改性瀝青使用提供依據(jù)；同時后續(xù)進場瀝青未能及時使用的，使用前必須檢測合格方能用于施工拌和。