基于不同壓實(shí)狀態(tài)下的OGFC排水路面結(jié)構(gòu)性能及施工控制

劉坤城,顏俊鍵

(1.廣東大潮高速公路有限公司，廣東 大埔 514245；2.廣州肖寧道路工程技術(shù)研究事務(wù)所有限公司，廣州 510640)

0 引言

近年來(lái)，瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來(lái)越有針對(duì)性，不同路段瀝青路面所處環(huán)境不同，所設(shè)計(jì)鋪裝層的結(jié)構(gòu)性能需求不同。在路面水膜厚度較大或路面排水不暢的路段，設(shè)置OGFC排水路面能有效提高行車安全性及舒適性[1]。目前在廣東OGFC排水路面尚未大面積推廣，施工經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺，在某些項(xiàng)目上存在OGFC排水式路面過(guò)壓、空隙率偏小等現(xiàn)象。而空隙率偏小對(duì)排水路面的實(shí)際排水性能是否存在影響，其結(jié)構(gòu)骨架又會(huì)出現(xiàn)何種變化，同時(shí)由于瀝青、碎石等存在差異，現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)功與室內(nèi)壓實(shí)功如何匹配，是OGFC排水路面施工亟待解決的問(wèn)題。

本文基于廣東某高速公路項(xiàng)目，針對(duì)OGFC排水路面施工實(shí)際存在的問(wèn)題，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)分析同一生產(chǎn)配合比不同空隙率下，搓揉機(jī)搓揉不同時(shí)間后對(duì)滲水系數(shù)的影響，并結(jié)合數(shù)字圖像法對(duì)芯樣骨架接觸點(diǎn)進(jìn)行分析，研究不同空隙率下芯樣骨架的嵌擠情況。通過(guò)室內(nèi)粘溫粘實(shí)試驗(yàn)，研究高粘度復(fù)合改性瀝青的粘溫粘實(shí)曲線，確定OGFC各施工階段溫度的控制區(qū)間，同時(shí)采用紅外溫度成像儀和無(wú)核密度儀進(jìn)行溫度和壓實(shí)度檢測(cè)，探究特定機(jī)具組合下的碾壓工藝，以指導(dǎo)OGFC瀝青混合料的施工。

1 OGFC路面施工概況

某項(xiàng)目進(jìn)行OGFC排水路面試驗(yàn)段施工，生產(chǎn)配合比見(jiàn)表1。

表1 OGFC-13生產(chǎn)配合比

試驗(yàn)段采用兩種碾壓方案進(jìn)行施工，碾壓方案見(jiàn)表2。

表2 OGFC-13施工碾壓方案

施工完成后，取芯進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)，壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，芯樣如圖1所示。從芯樣空隙率檢測(cè)結(jié)果可知，兩種碾壓方案對(duì)應(yīng)的芯樣空隙率均偏小，碾壓方案1和碾壓方案2對(duì)應(yīng)芯樣的空隙率均值分別為19.0%和18.2%。而熱料篩分和燃燒篩分的結(jié)果與設(shè)計(jì)配合比篩分結(jié)果偏差不大，誤差均滿足設(shè)計(jì)要求，由此可見(jiàn)，空隙率偏小并非施工配合比變異所致。從芯樣壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果可知，兩種碾壓方案對(duì)應(yīng)芯樣的馬歇爾壓實(shí)度均存在超100%現(xiàn)象，故實(shí)際施工時(shí)存在明顯的過(guò)壓現(xiàn)象。

表3 芯樣檢測(cè)結(jié)果

圖1 OGFC芯樣

2 空隙率對(duì)OGFC結(jié)構(gòu)及性能的影響

由于施工時(shí)存在過(guò)壓現(xiàn)象，為探究過(guò)壓狀態(tài)下對(duì)路面排水性能、路面結(jié)構(gòu)骨架嵌擠效應(yīng)是否存在影響，本文按照生產(chǎn)配合比摻配比例，通過(guò)試驗(yàn)車轍板壓實(shí)遍數(shù)控制目標(biāo)空隙率，分別以空隙率18%、19%、20%和21%為目標(biāo)空隙率成型8塊車轍板(圖2)。每個(gè)空隙率成型2塊車轍板，其中空隙率21%為標(biāo)準(zhǔn)空隙率。

圖2 OGFC-13車轍板

2.1 OGFC混合料路用性能衰變對(duì)滲水性能的影響

本文采用搓揉試驗(yàn)機(jī)模擬車輪荷載對(duì)OGFC排水路面的二次壓實(shí)場(chǎng)景。搓揉試驗(yàn)機(jī)設(shè)置溫度為70℃，輪壓為0.7MPa，對(duì)4塊車轍板分別進(jìn)行搓揉試驗(yàn)，且在搓揉1h、2h、4h和8h時(shí)分別進(jìn)行滲水試驗(yàn)。為保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，在完成滲水試驗(yàn)且車轍板自然風(fēng)干至質(zhì)量不再變化后，再繼續(xù)進(jìn)行搓揉試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 空隙率與滲水系數(shù)的關(guān)系

由圖3可知，對(duì)于初始空隙率，隨著空隙率的逐漸增大，滲水系數(shù)也逐漸增大，但要滿足滲水系數(shù)≥4800ml/min的設(shè)計(jì)要求，空隙率應(yīng)不小于19%。結(jié)合本次試驗(yàn)段來(lái)看，當(dāng)碾壓遍數(shù)為7遍時(shí)，空隙率為18.2%；碾壓遍數(shù)為6遍時(shí)，路面實(shí)際空隙率為19.0%，因此，當(dāng)碾壓遍數(shù)為6遍時(shí)仍存在過(guò)壓現(xiàn)象。隨著搓揉時(shí)間的增大，滲水系數(shù)逐漸減小。對(duì)于空隙率為18%和19%的試件，當(dāng)搓揉2h后滲水系數(shù)值趨于穩(wěn)定，變化不大；對(duì)于空隙率為20%和21%的試件，搓揉4h后滲水系數(shù)值才趨于平穩(wěn)。由此可見(jiàn)，當(dāng)施工碾壓階段對(duì)OGFC混合料進(jìn)行過(guò)度碾壓時(shí)，在其開(kāi)放交通后，OGFC排水路面在行車荷載的作用下會(huì)二次壓密，且其排水性能會(huì)較快衰減至一個(gè)較低的水平，而控制合適的初始空隙率能有效延長(zhǎng)排水路面的使用壽命，保持相對(duì)良好的排水性能。

2.2 空隙率對(duì)芯樣骨架效應(yīng)的影響

按照標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)功下，本次試驗(yàn)的OGFC混合料的目標(biāo)空隙為20.9%，故在同一配合比下無(wú)法直接通過(guò)制作馬歇爾試件達(dá)到目標(biāo)的空隙率。本文通過(guò)車轍板取芯的方式獲取直徑為10cm的圓形芯樣，每個(gè)車轍板獲取1個(gè)芯樣，參考文獻(xiàn)[2]的試驗(yàn)方法，計(jì)算芯樣的粗集料接觸點(diǎn)數(shù)量。試驗(yàn)步驟：(1)對(duì)芯樣進(jìn)行切片，截取37個(gè)斷面圖像，并采用CCD數(shù)碼相機(jī)獲取切片斷面圖像。(2)采用IPP圖像處理軟件批量對(duì)獲取的圖像進(jìn)行去噪點(diǎn)和二值化處理。(3)采用MATLAB軟件編寫(xiě)的程序計(jì)算每顆粗集料的等效直徑并編號(hào)。本次粗集料最小計(jì)算粒徑為2.36mm，設(shè)置的接觸閾值為最小計(jì)算粒徑的23%，為0.54mm。(4)記錄相互接觸的粗集料粒徑和編號(hào)、接觸點(diǎn)數(shù)量等信息。斷面圖像處理及分析如圖4所示。

圖4 芯樣斷面處理及分析

接觸點(diǎn)數(shù)量分析結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，對(duì)于同一級(jí)配，隨著壓實(shí)度的增大，即隨著空隙率的減小，粗集料接觸點(diǎn)數(shù)量雖有所增加，但接觸點(diǎn)數(shù)量相差不大，因此在過(guò)壓情況下，對(duì)路面結(jié)構(gòu)骨架嵌擠作用有所提高，但相比標(biāo)準(zhǔn)空隙率下的骨架嵌擠作用提升并不明顯。

圖5 不同空隙率芯樣粗集料接觸數(shù)量

3 瀝青粘溫粘實(shí)試驗(yàn)

為更好地指導(dǎo)OGFC瀝青路面的施工，對(duì)OGFC混合料的高粘度復(fù)合改性瀝青進(jìn)行粘溫粘實(shí)試驗(yàn)，確定合適的碾壓溫度區(qū)間[3]。本文選用OGFC路面使用的高粘復(fù)合改性瀝青進(jìn)行粘溫粘實(shí)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 高粘復(fù)合改性瀝青的粘溫曲線

由圖6可知，當(dāng)瀝青溫度高于120℃時(shí)，高粘復(fù)合改性瀝青的粘度較小，當(dāng)溫度低于120℃時(shí)，粘度急劇增大，該情況下，路面壓實(shí)度難以再提高，故建議在120℃前應(yīng)完成復(fù)壓，110℃前完成瀝青路面的收光工作。OGFC瀝青混合料推薦施工溫度見(jiàn)表4。

表4 OGFC瀝青混合料推薦施工溫度(單位：℃)

4 碾壓工藝試驗(yàn)

本文采用紅外溫度成像儀進(jìn)行選點(diǎn)，使用無(wú)核密度儀(PQI380)進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)，分析不同碾壓遍數(shù)下的瀝青路面壓實(shí)度變化[4]。

紅外成像技術(shù)一般采用波段為3～30μm的中遠(yuǎn)紅外波段對(duì)物體進(jìn)行紅外成像[5]。本次采用的紅外成像儀型號(hào)為FLIR one pro，其波長(zhǎng)范圍為8～14μm，其他性能參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 紅外成像儀(FLIR one pro)性能參數(shù)

紅外溫度成像儀的原理為物體發(fā)出的紅外輻射被光學(xué)元件聚集至探測(cè)器上，并由探測(cè)器將入射的輻射轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)而處理為可見(jiàn)圖像[6-7]。根據(jù)黑體輻射定律，任何物體均會(huì)向外界釋放熱輻射，發(fā)射率范圍為0～1。只要知道了材料的發(fā)射率，就能得知物體的紅外輻射特性，瀝青混合料的發(fā)射率約為0.95[8-9]。

本文通過(guò)紅外溫度成像儀探測(cè)攤鋪面的溫度均勻性，共選用4個(gè)溫度均勻且溫度不低于165℃的點(diǎn)進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)，并進(jìn)行標(biāo)記，每次每測(cè)點(diǎn)檢測(cè)5個(gè)數(shù)值[10]。無(wú)核密度儀每測(cè)點(diǎn)檢測(cè)如圖7所示。在OGFC排水路面碾壓成型后，在標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)，并取芯進(jìn)行室內(nèi)壓實(shí)度試驗(yàn)。對(duì)無(wú)核密度儀檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，修正后的現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。由表6可知，在正常溫度下，雙鋼輪碾壓3遍后，OGFC-13的壓實(shí)度已大于98%。因此，基于本次測(cè)試結(jié)果，建議保持現(xiàn)壓路機(jī)配置，在正常溫度下使用雙鋼輪靜壓4遍。

圖7 無(wú)核密度儀單點(diǎn)檢測(cè)

表6 壓實(shí)度檢測(cè)結(jié)果

5 OGFC-13施工及應(yīng)用效果

根據(jù)粘溫粘實(shí)試驗(yàn)及碾壓工藝試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)一步調(diào)整施工方案，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工，調(diào)整后的碾壓方案見(jiàn)表7，調(diào)整后的混合料出料溫度、碾壓溫度按表4進(jìn)行控制。根據(jù)上述混合料溫度控制及碾壓方案進(jìn)行施工，現(xiàn)場(chǎng)施工效果良好，過(guò)壓現(xiàn)象顯著減少。現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示孔隙率均值為20.5%，芯樣檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8，滲水系數(shù)及其他指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果均能滿足設(shè)計(jì)要求。

表7 OGFC-13推薦施工碾壓方案

表8 芯樣檢測(cè)結(jié)果

6 結(jié)論

(1)對(duì)于空隙率為18%和19%的試件，搓揉2h后滲水系數(shù)值趨于穩(wěn)定，變化不大；對(duì)于空隙率為20%和21%的試件，搓揉4h后滲水系數(shù)值趨于平穩(wěn)。由此可見(jiàn)，控制合適的初始空隙率能有效延長(zhǎng)排水路面的使用壽命，保持相對(duì)良好的排水性能。

(2)對(duì)于同一級(jí)配，隨著壓實(shí)度的增大，粗集料接觸點(diǎn)數(shù)量雖有增加，但接觸點(diǎn)數(shù)量相差不大，即在過(guò)壓情況下，對(duì)路面結(jié)構(gòu)骨架嵌擠作用有所提高，但相比標(biāo)準(zhǔn)空隙率下的骨架嵌擠作用提升并不明顯。

(3)當(dāng)瀝青溫度高于120℃時(shí)，高粘復(fù)合改性瀝青的粘度較??；當(dāng)溫度低于120℃時(shí)，粘度急劇增大。OGFC-13混合料出料溫度、碾壓溫度可按本文表4進(jìn)行控制，建議在120℃前完成復(fù)壓，110℃前完成瀝青路面的收光工作。

(4)在正常溫度下，雙鋼輪碾壓3遍后，OGFC-13的壓實(shí)度大于98%，故建議保持現(xiàn)壓路機(jī)配置，在正常溫度下使用雙鋼輪壓路機(jī)靜壓4遍。