瀝青混合料壓實質量影響因素分析

沈彥忠，張銀博，李耀業

(1. 新疆交通建設集團股份有限公司，烏魯木齊 830016； 2. 新疆大學商學院，烏魯木齊 830049)

瀝青混合料的壓實質量作為瀝青路面使用性能的重要影響因素之一，壓實質量與材料質量、技術操作和施工方法等方面都有緊密聯系。20世紀70年代開始，國內外的研究學者對壓實工藝進行了大量研究，并利用圖像處理技術和核磁技術對現場芯樣和室內成型試件的內部結構特征進行了對比研究，從微觀結構研究了壓實工藝對瀝青混合料壓實質量的影響[1-2]。陳小龍[3]對不同類型瀝青混合料的壓實工藝進行了研究，通過現場PQI(路面密度現場檢測計劃)檢測驗證，提出了瀝青路面壓實工藝選擇和評價方法。國內學者對瀝青混合料壓實工藝的研究起步較晚，也取得了一些研究成果，但仍存在系統性不足、影響因素考慮不全面等問題。因此，有必要就此問題深入研究[4]。本文以烏奎高速公路路面施工管控為例，從施工材料、施工技術和外界環境等方面對瀝青混合料的壓實質量進行研究分析。

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，分為粗集料和細集料，二者有效結合才能得到較好的壓實質量(如壓實度、空隙率)。瀝青可以使集料嵌擠密實，壓實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的整體，具備較強的承載能力[5]。前期預試驗結果表明，在其他條件不變，瀝青含量變化時，壓實質量隨之變化。為此，本文進行了驗證試驗，試驗設置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，測定其毛體積密度和空隙率。瀝青含量對試件毛體積相對密度與空隙率的影響如圖1所示。

圖1 瀝青含量對試件毛體積相對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毛體積相對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相關，毛體積相對密度和瀝青含量近似線性正相關，這主要是因為瀝青的高溫流動性和潤滑特性，促使集料之間充分流動、嵌擠、填充，形成了密實結構。壓實度和空隙率是評價瀝青路面壓實質量的重要指標，其中，壓實度為毛體積相對密度與馬歇爾標準密度的比值。因此，應嚴格控制瀝青用量。

1.2 瀝青混合料級配

瀝青混合料級配是瀝青路面壓實質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的集料數據進行整理，集料通過率如表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，瀝青混合料通過率的標準差和方差數值較大，表明上述篩孔的波動性較大，分析其原因可發現，這些篩孔的左右間隔較大。因此，應縮小篩孔間隔、加密篩孔。篩孔尺寸越小，瀝青混合料通過率的變異系數越大，其中篩孔尺寸為0.075 mm時，集料通過率的變異系數最大，結果說明集料粒徑越小，越容易被外界環境干擾，應及時除塵，避免廢棄礦粉或粉塵進入拌和倉。

表1 集料通過率 (%)

2 技術影響因素分析

2.1 瀝青混合料溫度

瀝青是一種對溫度極其敏感的熱塑性材料。瀝青溫度過高易使其內部輕質組分揮發，改變自身性質進而影響瀝青性能[7]，同時瀝青溫度過高會使其內部多種化學物質揮發，不僅會污染環境，還會影響現場施工人員身體健康。瀝青溫度過低，則會難以壓實，或是在施工時需要增加壓實功才能壓實。

合適的壓實溫度對瀝青混合料的壓實質量至關重要，不僅可以使瀝青路面在壓實時獲得較好的壓實質量，而且瀝青路面不會發生推移、黏輪等問題，更不用增加壓實功。

為了保證施工質量，《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)[8]明確規定了碾壓過程中初壓、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 攤鋪設備及運行情況

2.2.1 攤鋪速度

攤鋪速度的快慢及穩定性對瀝青混合料的預壓實和壓實質量有著重要影響。攤鋪機在運行中保持穩定的運行速度，可以使瀝青混合料在分布槽的熱量保持在相對穩定的狀態。在施工過程中，瀝青混合料的預壓實度隨著攤鋪速度的提高而逐漸降低[9]。攤鋪速度與預壓實度的關系如圖2所示。當攤鋪機低速運行時，振搗梁對單位面積瀝青混合料的擊實次數相對較多，瀝青混合料承受的擠壓較強烈，預壓實度較高。攤鋪機運行速度加快時，振搗梁對瀝青混合料單位面積的擊實次數相對減少，瀝青混合料受到的外界壓力隨之降低，粗、細集料之間嵌擠不足，空隙率變大，顆粒間作用力變小，易出現大面積離析現象[10]，瀝青混合料縱向離析圖如圖3所示。

圖2 攤鋪速度與預壓實度的關系

圖3 瀝青混合料縱向離析圖

2.2.2 振動參數

為論證振動參數對預壓實度的影響，本文在烏奎高速公路某標段中面層進行試驗，設置振搗梁振動頻率為20 Hz、15 Hz、10 Hz、5 Hz，攤鋪機熨平板振動器振動頻率為30 Hz、25 Hz、20 Hz、15 Hz、10 Hz。該試驗瀝青混合料為AC-20C(4.5% SBS改性瀝青混合料)，攤鋪速度為2.5 m/min，預壓實度由瀝青路面智能管控系統自帶無核密度儀自動采集，不同振動頻率下瀝青混合料預壓實度如圖4所示。

圖4 不同振動頻率下瀝青混合料預壓實度

由圖4可知，振搗梁振動頻率與攤鋪機熨平板振動器振動頻率的增加均對瀝青混合料的預壓實有正向作用。因此，在選擇攤鋪機的機械運行參數時，應選擇較大的振動頻率，但在實際工程中考慮機械工作的持續正常性和經濟性，建議施工期間攤鋪機熨平板振動器振動頻率和振搗梁振動頻率分別設置為20～30 Hz和15～20 Hz。

3 壓實厚度影響因素分析

在施工過程中不同的壓實厚度，會使瀝青混合料的壓實質量產生不容忽視的差異性。通過分析烏奎高速公路改擴建工程中的中面層(6 cm AC-20C)和下面層(8 cm AC-25C)的攤鋪厚度，研究壓實厚度對壓實質量的影響。攤鋪厚度與空隙率的關系如圖5所示。

(a) K3624+100～K3624+800

由圖5可知，瀝青攤鋪厚度太薄，會導致瀝青混合料空隙率猛增。歸結其原因，包括內因和外因兩個方面：其一，厚度較薄的瀝青混合料其自身儲存的總熱量相對較少。瀝青面層較薄，則熱傳遞距離較短，熱量散失較快，進而溫度下降較快；其二，攤鋪層厚度不足。單位體積內的瀝青混合料粗細不均，顆粒間不能有效地移動嵌擠填充，出現離析現象。然而，瀝青混合料面層的壓實厚度并不是越厚越好，瀝青路面的攤鋪層過厚會使單位面積上的壓實功相對減小，則不能充分壓實。

烏奎高速公路某標段瀝青路面中面層和下面層設計厚度分別為6 cm、8 cm。由圖5可知，中、下面層的曲線走向基本相似，產生較好壓實效果的瀝青路面基本上接近設計厚度。中面層和下面層的最佳壓實厚度分別為6.0～6.5 cm和8.0～9.0 cm。超出最佳壓實厚度范圍會使得壓實度出現較大波動。

4 結論

通過對瀝青路面的原材料數據、路面施工過程中的技術數據和外界環境數據進行分析，得出結論如下：

(1) 集料粒徑越小越容易被外界環境干擾，應嚴格控制瀝青混合料中所需材料的質量和用量。

(2) 瀝青路面攤鋪階段合理的生產溫度和壓實溫度對瀝青路面的壓實質量至關重要。

(3) 攤鋪設備自身運行參數對壓實質量存在顯著影響，攤鋪機行進速度應控制在2.5 m/min，建議施工期間攤鋪機熨平板振動器振動頻率和振搗梁振動頻率分別為20～30 Hz和15～20 Hz。

(4) 瀝青路面壓實質量受攤鋪厚度影響，超出最佳壓實厚度范圍，則會導致壓實度出現較大波動，最佳壓實厚度應盡量接近設計厚度。