離析對嵌入式抗滑表層路用性能影響研究

周志剛,李 剛,韓 樂,曹長斌,林有貴

(1.長沙理工大學(xué) 道路結(jié)構(gòu)與材料交通行業(yè)重點(diǎn)試驗室，湖南 長沙 410004;2.廣西交通投資集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000)

0 引言

瀝青路面離析是指在路面施工和碾壓完成后某一區(qū)域內(nèi)混合料的主要性質(zhì)不均勻，常見的離析有級配離析和溫度離析[1]。級配離析是指混合料在攤鋪和碾壓完成后粗細(xì)集料分布不均勻，導(dǎo)致與設(shè)計級配不符。SCHERCMAN[2]等分析混合料在級配設(shè)計、生產(chǎn)、運(yùn)輸和攤鋪過程中都有可能產(chǎn)生級配離析，這說明級配離析難以避免。級配離析導(dǎo)致部分區(qū)域內(nèi)混合料性質(zhì)存在差異，如級配組成、瀝青含量、體積指標(biāo)等，因此會對混合料的路用性能和力學(xué)性能產(chǎn)生影響，導(dǎo)致瀝青路面的使用壽命降低[3-6]。溫度離析是指混合料從生產(chǎn)到攤鋪碾壓的各個環(huán)節(jié)中部分區(qū)域熱量流失過快而產(chǎn)生的溫度差異，在攤鋪和碾壓過程中，部分區(qū)域混合料溫度低于攤鋪所要求的最低溫度。混合料在低溫時流動性較差，難以被壓實，部分混合料甚至結(jié)塊，在碾壓時易出現(xiàn)裂紋，路面難以碾壓成型，導(dǎo)致路面壓實度較小、空隙率大，路用性能降低[1,7]。

近年來，隨著我國高速公路的高速發(fā)展，優(yōu)質(zhì)石料被大量消耗。石料作為瀝青路面建設(shè)的主要材料，其優(yōu)劣直接影響到建設(shè)道路的使用壽命。尤其是優(yōu)質(zhì)的表層石料，可以極大提高路面抗滑性能，減少交通事故發(fā)生概率。本項目所在廣西地區(qū)，當(dāng)?shù)厥規(guī)r產(chǎn)量大，而石灰?guī)r路用性能相對較差，為保障良好的路用性能需從外地采購耐磨耗石料，大大提高了建設(shè)成本。為解決上述問題，引入了起源于英國的嵌入式抗滑表層技術(shù)。嵌入式抗滑表層是是一種特殊的路面形式，它的結(jié)構(gòu)分為上下層，上層是撒鋪的粒徑單一、抗滑耐磨的預(yù)拌瀝青碎石(稱為撒鋪層)；下層是常規(guī)攤鋪的細(xì)粒式瀝青混合料(稱為嵌入層)。對于嵌入層可以使用當(dāng)?shù)貜V泛分布的石灰?guī)r，撒鋪層則可以使用玄武巖、輝綠巖等優(yōu)質(zhì)硬質(zhì)石料。這不僅保證了路面抗滑性能、提高了資源利用率，同時也降低工程造價。對于嵌入式抗滑表層，國內(nèi)學(xué)者通過相關(guān)研究，驗證了其具有較好的抗水損害、抗裂性能、抗滑和耐磨耗能力[8-9]。相關(guān)學(xué)者對嵌入式抗滑表層的施工工藝進(jìn)行研究，并進(jìn)行完善[10-11]。嵌入層集料組成特征是細(xì)集料多，粗集料少。粗集料的變化對撒鋪層的嵌入效果影響顯著，進(jìn)而對其路用性能造成不良影響，因此集料離析對嵌入式抗滑表層路面性能的影響較大；由于嵌入式抗滑表層結(jié)構(gòu)特殊性，在施工時需要分兩次攤鋪再一起碾壓，上鋪的撒鋪層為預(yù)拌碎石，這意味著其施工溫度控制較傳統(tǒng)的熱拌瀝青路面要求高，更加容易引起溫度離析問題。本文主要通過室內(nèi)試驗測定不同離析程度下各組嵌入式抗滑表層試件的高溫性能、嵌入粘結(jié)性、抗滑性及密實性，并與未離析的混合料進(jìn)行對比，研究不同程度的集料離析和溫度離析對嵌入式抗滑表層路用性能影響，為控制嵌入式抗滑表層離析提供依據(jù)。

1 原材料

本試驗所用的瀝青為SBS I-D改性瀝青，其中SBS改性劑摻量4.7%，其性能指標(biāo)試驗測試結(jié)果如表1所示。

表1 SBSI-D改性瀝青的技術(shù)性能試驗結(jié)果Table1 TechnicalperformancetestresultsofSBSI-Dmodifiedasphalt類別針入度(25℃,5s,100g)/(0.1mm)延度(5cm/min,5℃)/cm軟化點(diǎn)/℃動力粘度(60℃)/(Pa·s)運(yùn)動粘度(135℃)/(Pa·s)RTFOT后殘留物質(zhì)量變化/%針入度比(25℃,100g,5s)/%延度(5cm/min,5℃)/cm實驗數(shù)據(jù)4221.7686.44500002.61-0.037920技術(shù)要求40～60≥20≥60≥20000≤3≤±1.0≥65≥15

本試驗所用的粗集料(石灰?guī)r、玄武巖)、細(xì)集料(石灰?guī)r)，其相關(guān)性能指標(biāo)如表2～表4所示。

后續(xù)試驗的注意事項有：后續(xù)試驗將石灰?guī)r用于嵌入層，玄武巖用于撒鋪層，因嵌入層與撒鋪層功能不同，所以對撒鋪層要求更嚴(yán)格。

表2 粗集料(石灰?guī)r)性能指標(biāo)Table2 Performanceindicatorsofcoarseaggregate(limestone)類別壓碎值/%表觀相對密度/(g·cm-3)吸水率/%堅固性/%針片狀顆粒含量(粒徑:9.5～13.2)/%與瀝青粘附性/級試驗數(shù)據(jù)24.62.7650.430.99.75嵌入層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)≤28≥2.5≤3.0≤12≤12≥5

表3 粗集料(玄武巖)性能指標(biāo)Table3 Performanceindicatorsofcoarseaggregate(basalt)類別壓碎值/%表觀相對密度/(g·cm-3)吸水率/%堅固性/%針片狀顆粒含量(粒徑:9.5～13.2)/%與瀝青粘附性/級試驗數(shù)據(jù)13.52.8530.640.73.65撒鋪層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)≤26≥2.6≤2.0≤12≤12≥5

表4 細(xì)集料(石灰?guī)r)性能指標(biāo)Table4 Performanceindicatorsoffineaggregate(limestone)類別表觀相對密度堅固性(>0.3mm部分)/%含泥量/%砂當(dāng)量/%亞甲藍(lán)值/(g·kg-1)試驗數(shù)據(jù)2.7435.92.8761.3技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)≥2.50≤12≤3≥60≤25

2 離析試驗方案設(shè)計

2.1 級配離析

a.級配離析混合料配合比設(shè)計。

當(dāng)混合料發(fā)生級配離析時，其級配曲線會和標(biāo)準(zhǔn)級配曲線發(fā)生偏離，利用級配偏差值S判斷瀝青混合料的級配離析程度，式(1)為級配偏差值S計算方法。

(1)

式中：Pij為級配離析混合料通過篩孔j的百分率；Paj為原標(biāo)準(zhǔn)混合料通過篩孔j的百分率；n為總篩孔數(shù)。

本次設(shè)計以英國C型級配為基準(zhǔn)[12]，根據(jù)級配偏差值S的大小將嵌入層離析程度分為無離析、輕度離析、中度離析和嚴(yán)重離析，其判定界限分別為：10%、20%、35%。根據(jù)上述判別標(biāo)準(zhǔn)一共有6種不同粗、細(xì)集料離析的級配：重度粗、中度粗、輕度粗、輕度細(xì)、中度細(xì)和重度細(xì)[13]。離析判別標(biāo)準(zhǔn)及6種設(shè)計級配如表5、圖1所示。

表5 不同程度離析級配中值Table5 Medianvaluesofsegregationgradationindifferentdegrees級配類型通過下列篩孔(mm)的質(zhì)量百分率/%0.0750.150.30.61.182.364.759.513.21619級配偏差值重度粗4.89.819.323.929.639.742.753.973.990.910036.2中度粗6.011.320.926.333.644.849.760.476.992.410024.1輕度粗8.013.424.028.938.150.855.865.579.993.810011.9未離析9.115.926.534.143.256.660.768.981.995.01000輕度細(xì)10.516.427.935.746.761.667.273.985.996.210011.3中度細(xì)11.118.930.539.150.26670.477.987.998.010020.3重度細(xì)13.621.934.543.156.472.676.284.492.999.510035.4

圖1 不同程度離析級配中值曲線圖

本研究主要分析粗細(xì)料離析對嵌入層混合料性能的影響，且由于集料表面的瀝青膜很薄，在粗細(xì)集料發(fā)生離析時，集料顆粒表面吸附的瀝青變化很小。因此假定各級配混合料的瀝青膜厚度是相同的，不同離析程度級配的瀝青用量按照瀝青膜厚度相等的原則進(jìn)行換算，各級配混合料的油石比如表6所示。

由表6可見，隨著混合料級配離析程度的增加，其瀝青含量發(fā)生了顯著變化，重度粗和重度細(xì)兩種級配的油石比相差了3.9%。對于最大公稱粒徑相同的混合料而言，瀝青含量相差如此之大，可見級配離析會對混合料路用性能產(chǎn)生巨大影響。

表6 不同程度級配離析嵌入層混合料的集料比表面積和油石比Table6 Specificsurfaceareaofaggregateandasphalt-aggre-gateratioofaggregateseparationembeddedlayermixturewithdifferentdegrees級配類型比表面積/(g·cm-2)油石比/%重度粗6.043.9中度粗6.934.4輕度粗8.255.2未離析9.375.8輕度細(xì)10.156.3中度細(xì)11.026.8重度細(xì)12.757.8

b.制備工藝參數(shù)。

對于撒鋪層和嵌入層的相關(guān)制備參數(shù)，在《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中沒有相關(guān)內(nèi)容，因此本次試驗撒鋪層和嵌入層的制備參數(shù)借鑒文獻(xiàn)[14]中經(jīng)正交試驗后得到的嵌入層和撒鋪層的制備參數(shù)，試件采用靜壓成型方式，撒鋪層制備工藝參數(shù)如下：撒鋪量12 kg/m2，撒鋪碎石粒徑9.5～13.2 mm，碎石類型為玄武巖。嵌入層制備工藝參數(shù)如下：集料溫度190 ℃，瀝青溫度170 ℃，拌和-攤鋪-碾壓溫度(170 ℃-160 ℃-150 ℃)，壓實功90/135 kN。

2.2 溫度離析

溫度離析模擬試驗仍采用英國C型級配嵌入層混合料，在參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的最低碾壓溫度(150 ℃)基礎(chǔ)上，上下波動10 ℃，將160 ℃、150 ℃、140 ℃定為此次試驗的碾壓溫度成型試件。其余條件，如原材料及加熱溫度、拌和溫度、試件成型方式及撒鋪層參數(shù)均和級配離析試驗保持一致。

3 級配離析對路用性能的影響

a.高溫穩(wěn)定性。

采用SPT靜態(tài)蠕變試驗測得流變時間Ft和穩(wěn)定階段斜率，由這兩個參數(shù)綜合評價嵌入層混合料的高溫穩(wěn)定性。根據(jù)調(diào)整后不同離析程度的級配及瀝青用量，按照已確定的制備工藝參數(shù)分別靜壓成型試件，對各組試件進(jìn)行SPT靜態(tài)蠕變試驗并測定流變時間Ft和穩(wěn)定階段斜率，試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同程度級配離析的試件靜態(tài)蠕變試驗結(jié)果

從圖2的數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)混合料級配變粗時，流變時間Ft急劇變小、穩(wěn)定階段斜率變大，混合料為輕度粗集料離析時，流變時間減少了88%，穩(wěn)定階段斜率升高了16倍多，隨著粗集料離析程度的增大，流變時間持續(xù)減少、穩(wěn)定階段斜率持續(xù)增加，可見相同的制備工藝下，粗料離析將導(dǎo)致嵌入層難以壓實、撒鋪層難以嵌入，嚴(yán)重降低高溫性能，易在短時間內(nèi)形成車轍；當(dāng)混合料級配變細(xì)時，流變時間Ft先增大后急劇變小、穩(wěn)定階段斜率先逐漸增大后增長劇烈，可見隨著細(xì)料離析程度增加，細(xì)顆粒增多，混合料的流動性緩慢而持續(xù)變大，當(dāng)發(fā)生重度細(xì)集料離析時，混合料的流動性增長迅速，從而導(dǎo)致高溫性能降低。

b.嵌入粘結(jié)性能。

由于嵌入式抗滑表層的結(jié)構(gòu)特殊性，在交通荷載和自然氣候條件的長期作用下，撒鋪層碎石和嵌入層的嵌入粘結(jié)性會降低，進(jìn)而撒鋪層碎石剝落，起不到抗滑表層的作用，并導(dǎo)致一系列路面病害發(fā)生。因此，有必要開展撒鋪層碎石與嵌入層之間的嵌入粘結(jié)性檢驗。針對大顆粒碎石的嵌入粘結(jié)性能，一般選用肯塔堡飛散試驗。飛散試驗測定的是飛散前后試件的質(zhì)量損失，對于嵌入式抗滑表層，該損失則包括了撒鋪層損失和嵌入層損失，而本次試驗?zāi)康氖菫榱说贸鋈鲣亴铀槭膿p失百分比。因此，為區(qū)分撒鋪層與嵌入層顆粒散落情況，采用如下措施來得出撒鋪層的實際損失比例。按照同樣的制備工藝，分別成型不加撒鋪層的試件和加撒鋪層的試件，通過單位面積的飛散損失計算出撒鋪層的損失比例，計算方法參考文獻(xiàn)[14]。同時為了檢驗試件在高溫、濕熱狀態(tài)下瀝青的老化對嵌入粘結(jié)性能的影響，分別開展標(biāo)準(zhǔn)飛散與浸水飛散試驗。

根據(jù)調(diào)整后不同離析程度的級配及瀝青用量，按照已確定的制備工藝參數(shù)分別靜壓成型試件，并進(jìn)行飛散試驗，根據(jù)試驗結(jié)果計算得到撒鋪層飛散損失，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同程度級配離析時撒鋪層飛散損失

從圖3可以看出，當(dāng)混合料級配變粗時，兩種條件下的撒鋪層飛散損失均變大，當(dāng)混合料為重度粗集料離析時，相較于未離析，普通飛散損失升高了25%，浸水飛散損失達(dá)到32.41%，升高了1.7倍多，可見粗料離析可使撒鋪碎石與嵌入層嵌入粘結(jié)性變差，尤其在高溫和水損害雙重作用下嵌入粘結(jié)性極差；當(dāng)混合料級配變細(xì)時，兩種條件下的撒鋪層飛散損失均呈現(xiàn)出變小趨勢，這是由于細(xì)料增多，撒鋪碎石更易嵌入并且嵌入深度增加，從而嵌入粘結(jié)性更好，但級配變細(xì)會使高溫抗車轍性能嚴(yán)重下降，撒鋪層嵌入深度增加會使路表構(gòu)造深度降低，也會對抗滑性能造成一定影響。

c.抗滑性能。

根據(jù)調(diào)整后不同程度離析的級配及瀝青用量，按照已確定的制備參數(shù)分別靜壓成型試件，測定各組試件的攤鋪直徑，進(jìn)而計算出構(gòu)造深度，試驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同程度級配離析時試件表面構(gòu)造深度

從圖4可以看出，各種離析程度的級配均能滿足規(guī)范給出構(gòu)造深度不小于1.2 mm要求。當(dāng)嵌入層混合料級配變粗時，構(gòu)造深度逐漸變大，混合料為重度粗集料離析時，構(gòu)造深度達(dá)到2.57 mm，相較于未離析，提高1.7倍多，構(gòu)造深度越大，撒鋪層碎石顆粒壓入深度過淺，將影響顆粒與嵌入層的嵌入粘結(jié)性能，結(jié)論與嵌入粘結(jié)性分析一致；當(dāng)混合料級配變細(xì)時，構(gòu)造深度緩慢減小，混合料為重度細(xì)集料離析時，構(gòu)造深度為1.29 mm，已接近規(guī)范要求的最小值，不利于其抗滑性能，應(yīng)防止出現(xiàn)重度細(xì)料離析。

d.密實性。

根據(jù)調(diào)整后不同離析程度的級配及瀝青用量，按照已確定的制備參數(shù)分別靜壓成型試件，測定各組試件的密度，進(jìn)而計算得出壓實度，試驗結(jié)果如表7所示。

表7 不同程度級配離析時試件的密實性試驗結(jié)果均值Table7 Averagevalueofcompactnesstestresultsforspeci-menswithdifferentaggregatesegregation級配毛體積相對密度最大理論相對密度壓實度/%重度粗2.4012.59792.45中度粗2.4012.57893.14輕度粗2.4162.55294.67未離析2.4282.53095.96輕度細(xì)2.4282.51596.56中度細(xì)2.4282.49897.19重度細(xì)2.4032.46797.41

從表7可以看出，當(dāng)混合料級配變粗時，壓實度逐漸減小，混合料為重度粗集料離析時，壓實度為92.45%，不能滿足規(guī)范中大于93%的要求，粗料離析越嚴(yán)重，壓實后集料空隙大，顆粒較松散，同時將影響高溫性能與顆粒之間的嵌入粘結(jié)性，與上述分析一致；當(dāng)混合料級配變細(xì)時，壓實度緩慢增大，雖然在一定程度上有利于混合料的密實性與顆粒的嵌入粘結(jié)性，但同時也會極大削弱混合料的耐高溫性能和抗滑性能。

4 溫度離析對路用性能的影響

a.高溫性能。

按照3種不同的碾壓溫度分別靜壓成型試件，通過靜態(tài)蠕變試驗測定各組試件的流變時間Ft和穩(wěn)定階段斜率，試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同碾壓溫度成型試件的靜態(tài)蠕變試驗結(jié)果

從圖5可以看出，隨著混合料碾壓溫度降低，流變時間Ft緩慢變小、穩(wěn)定階段斜率逐漸變大，當(dāng)碾壓溫度小于規(guī)范規(guī)定最小溫度150 ℃時，流變時間Ft減小了7.3%、穩(wěn)定階段斜率升高了近34.2%，當(dāng)碾壓溫度大于規(guī)范規(guī)定最小溫度時，流變時間Ft增加了7.5%、穩(wěn)定階段斜率僅降低了5.7%。由此可見，當(dāng)碾壓溫度達(dá)到規(guī)定溫度后，繼續(xù)升高碾壓溫度對混合料高溫性能的提升影響較??；但是在溫度未達(dá)到規(guī)定溫度時，由于混合料難以壓實，其高溫性能會大打折扣。

b.嵌入粘結(jié)性能。

按照3種不同的碾壓溫度分別靜壓成型試件，并進(jìn)行飛散試驗，根據(jù)試驗結(jié)果通過公式計算得到撒鋪層飛散損失，計算結(jié)果如圖6所示。

圖6 不同碾壓溫度成型試件的撒鋪層飛散損失

從圖6可以看出，隨混合料碾壓溫度降低，普通飛散損失只增加了4.3%，而浸水飛散損失增加了13.9%；當(dāng)混合料的碾壓溫度升高時，普通飛散損失減少了22.7%，浸水飛散損失減少了6.3%。由此可見，碾壓溫度的升高有利于提高嵌入式抗滑表層的嵌入粘結(jié)性能，同時在浸水條件下會加劇撒鋪層碎石的脫落。

c.抗滑性能。

按照3種不同的碾壓溫度分別靜壓成型試件，測定各組試件的攤鋪直徑，進(jìn)而計算出構(gòu)造深度，試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同碾壓溫度成型試件的表面構(gòu)造深度

從圖7可以看出，隨著碾壓溫度降低，撒鋪層碎石顆粒難以嵌入，導(dǎo)致表面構(gòu)造深度逐漸增大，當(dāng)碾壓溫度為140 ℃時，構(gòu)造深度最大，此時撒鋪碎石的嵌入粘結(jié)性將會變差，因此應(yīng)控制最低碾壓溫度，建議極限最低不小于140 ℃。

d.密實性。

按照3種不同的碾壓溫度分別靜壓成型試件，測定各組試件的密度，進(jìn)而計算得出壓實度，試驗結(jié)果如表8所示。

從表8可以看出，隨碾壓溫度降低，壓實度逐漸減小。當(dāng)碾壓溫度升高到一定程度時，壓實度增加將趨于緩慢；當(dāng)碾壓溫度小于規(guī)范規(guī)定最小溫度150 ℃時，隨溫度下降，混合料將難以壓實。

表8 不同碾壓溫度成型試件的密實性試驗結(jié)果均值Table8 Averagevalueofcompactnesstestresultsforspeci-mensformedatdifferentrollingtemperatures碾壓溫度/℃毛體積相對密度最大理論相對密度壓實度/%1602.4282.53095.961502.4262.53095.891402.4022.53094.95

綜上可知，從經(jīng)濟(jì)效益與路用性能兩方面考慮，瀝青混合料的碾壓溫度應(yīng)控制在一定范圍，建議最佳為150 ℃～160 ℃，最低不小于140 ℃。

5 結(jié)論

本文以級配偏差值為指標(biāo)設(shè)計了6種不同離析程度的嵌入層級配，在參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》所規(guī)定的最低碾壓溫度基礎(chǔ)上選取了3種碾壓溫度。通過室內(nèi)試驗研究了級配離析和溫度離析對嵌入式抗滑表層路用性能的影響，得出如下結(jié)論：

a.集料離析不利于混合料的高溫性能，離析程度越大，高溫性能越差；提高碾壓溫度對高溫性能提升不明顯，而碾壓溫度低于最低值時，高溫性能下降速度較快。

b.隨著粗集料離析程度加劇，混合料的嵌入粘結(jié)性愈差，細(xì)集料離析在一定程度上有利于混合料的嵌入粘結(jié)性；隨著碾壓溫度的升高，混合料的嵌入粘結(jié)性能也會提升；水損害會加劇嵌入粘結(jié)性能的降低。

c.隨著粗集料離析程度加劇，構(gòu)造深度逐漸增加，細(xì)集料離析使構(gòu)造深度減??；碾壓溫度升高，構(gòu)造深度變?。荒雺簻囟冉档?，構(gòu)造深度增加。

d.粗集料離析導(dǎo)致混合料壓實度降低，細(xì)集料離析會小幅提升壓實度；碾壓溫度升高對壓實度提升不明顯，但降低碾壓溫度混合料壓實度迅速減小。