收稿日期：2024-03-14

作者簡介：陳桂娜（1982—），女，本科，工程師，研究方向：公路道路與橋梁工程。

摘要 為探究多孔瀝青混合料應(yīng)用于道路工程路面施工中的碾壓效果，文章通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法探究各組瀝青混合料耐久性、骨架結(jié)構(gòu)狀態(tài)及空隙率。結(jié)果顯示：瀝青混合料空隙率隨旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)增加而逐漸下降，早期降幅較大，后期降幅減小。瀝青混合料壓實(shí)次數(shù)在45次以上時(shí)能形成良好骨架結(jié)構(gòu)。不同壓實(shí)次數(shù)下試件的飛散損失均能控制在20%內(nèi)，隨壓實(shí)次數(shù)增加表現(xiàn)為近似凹曲線，最小值為壓實(shí)77次。制備瀝青混合料時(shí)，建議壓實(shí)次數(shù)取45～77次。

關(guān)鍵詞 瀝青混合料；多孔瀝青；瀝青級(jí)配；壓實(shí)次數(shù)；肯塔堡飛散試驗(yàn)

中圖分類號(hào) U414文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）11-0117-03

0 引言

多孔瀝青混合料通常用于降雨量較大地區(qū)，該類材料含有較多粗集料，結(jié)構(gòu)空隙率較高，應(yīng)用于路面工程中能夠表現(xiàn)出良好的排水、透水功能，同時(shí)具有降噪和防滑等效果[1-2]，而多孔瀝青混合料應(yīng)用時(shí)其集料性能、所用瀝青黏附效果都會(huì)直接對(duì)多孔瀝青混合料應(yīng)用功能效果產(chǎn)生直觀影響，工程實(shí)踐中如果所用瀝青材料黏附性能不足則很容易導(dǎo)致路面工程投入應(yīng)用后快速出現(xiàn)松散問題[3]。

當(dāng)前學(xué)界針對(duì)多孔瀝青混合料應(yīng)用已經(jīng)開展大量研究[4-5]，但針對(duì)多孔瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)性能研究數(shù)量不多，而工程規(guī)范設(shè)計(jì)方法中要求瀝青混合料設(shè)計(jì)時(shí)需要以空隙率為依據(jù)確定材料最大壓實(shí)次數(shù)、設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)和初始?jí)簩?shí)次數(shù)，這一設(shè)計(jì)方式并不能充分滿足多孔瀝青混合料應(yīng)用需求。基于此，該文結(jié)合多孔瀝青混合料具有旋轉(zhuǎn)壓實(shí)的特點(diǎn)，從混合料耐久性、骨架特點(diǎn)、功能特點(diǎn)等角度出發(fā)，分析不同交通量條件下多孔混合料的壓實(shí)次數(shù)、壓實(shí)程度設(shè)計(jì)，以期推動(dòng)多孔瀝青混合料的應(yīng)用。

1 級(jí)配設(shè)計(jì)

多孔瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)能夠使瀝青混合料形成良好且穩(wěn)定的骨架嵌擠結(jié)構(gòu)，同時(shí)確保結(jié)構(gòu)具有良好的排水性能，因而開展級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮粗細(xì)集料之間的組成配比，確定混合料空隙率能夠達(dá)到規(guī)范要求，還應(yīng)采取措施在保障瀝青混合料應(yīng)用性能的基礎(chǔ)上盡量強(qiáng)化耐久性，提高使用壽命。

1.1 空隙率

某地區(qū)路面工程需鋪設(shè)瀝青路面，單側(cè)斷面寬度為8 m且厚度均為4 cm，道路坡度為1.5%，該地區(qū)年均降雨量較高，結(jié)合該區(qū)域路面排水空隙率要求（見表1），此處設(shè)定工程瀝青路面空隙率在20%左右。

表1 案例工程路面排水空隙率要求

等級(jí) 小雨 中雨 大雨 暴雨

空隙率/% — 14.1～18.5 18.7～21.7 ≥22

降雨量/（mm/h） ≤2.4 8.1～17 2.6～9 ≥16

1.2 初始級(jí)配

不同區(qū)域、不同工程中制備瀝青混合料時(shí)的性能要求、材料性能之間存在區(qū)別，設(shè)計(jì)混凝土材料空隙率的方式也存在差異，因而瀝青混合料級(jí)配的具體范圍也存在一定差異，此處結(jié)合工程需求，分別設(shè)計(jì)細(xì)、中、粗級(jí)配，具體情況如表2所示。

以上述3種級(jí)配為基準(zhǔn)，依托工程經(jīng)驗(yàn)確定初始級(jí)配中瀝青用量并分別成型馬歇爾試件，使用玄武巖纖維作為集料，瀝青材料則選用SK高黏度改性瀝青，而后分別測量各組試件馬歇爾物理體積指標(biāo)，所得結(jié)果如表3所示。

繪制篩孔2.36 mm通過率不同條件下瀝青混合料試件的空隙率曲線，具體如圖1所示。案例工程中要求路面空隙率為20%左右，而2.36 mm篩孔通過率為13.7%條件下空隙率剛好達(dá)到20%，對(duì)照表2和表3具體信息可見級(jí)配2能夠達(dá)到這一要求，因而后續(xù)實(shí)驗(yàn)中均采用級(jí)配2制備PAC-13多孔瀝青混合料。

圖1 篩孔2.36 mm通過率與空隙率關(guān)系圖

2 壓實(shí)特性

2.1 壓實(shí)曲線

多孔混合料對(duì)于材料空隙率有著較高要求，因而制備瀝青混合料試件時(shí)需要保持較高壓實(shí)度，此處采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)法進(jìn)行壓實(shí)。分析壓實(shí)溫度在155 ℃，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)在120次條件下PAC-13的壓實(shí)曲線，所得結(jié)果如圖2所示。

圖2 溫度155 ℃下瀝青混合料壓實(shí)曲線圖

結(jié)合初期壓實(shí)次數(shù)、設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)和最高壓實(shí)次數(shù)等，可將圖2曲線具體劃分為三個(gè)階段：第一階段瀝青混合料密實(shí)度比快速提升，密實(shí)度比的提升說明瀝青混合料施工和易性提升，工作性能提升；第二階段密實(shí)度比雖然依舊保持提升，但增速逐漸下降，這一階段瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)逐漸成形，這也是工程實(shí)踐中的壓實(shí)施工環(huán)節(jié)；第三階段瀝青混合料密實(shí)度比的增長速度大概維持在穩(wěn)定水平，增長不明顯，其原因在于瀝青混合料中骨架結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本完全成形，結(jié)構(gòu)整體空隙率降低過程受到抑制，這一過程大約對(duì)應(yīng)工程竣工后投入運(yùn)營期間的二次壓實(shí)。

2.2 空隙率變化

以“目標(biāo)空隙率為20%，目標(biāo)空隙率浮動(dòng)允許范圍在上下2%之間”為依據(jù)，即可獲取不同旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)下瀝青混合料的空隙率發(fā)展曲線。分析壓實(shí)溫度155 ℃時(shí)不同壓實(shí)次數(shù)下PAC-13的空隙率曲線，所得結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度155 ℃下瀝青混合料空隙率變化曲線圖

結(jié)合圖3信息可知，壓實(shí)次數(shù)增加過程中瀝青混合料空隙率有所降低，其中壓實(shí)次數(shù)在31次時(shí)空隙率達(dá)到22%，而壓實(shí)次數(shù)提升至114次時(shí)瀝青混合料空隙率達(dá)到18%，可見壓實(shí)次數(shù)取值在31～114次之間時(shí)空隙率可以達(dá)到工程規(guī)范要求。

2.3 骨架結(jié)構(gòu)

多孔瀝青骨架結(jié)構(gòu)在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)過程中隨壓實(shí)次數(shù)增加而逐漸成形，分析155 ℃條件下瀝青混合料VCA比發(fā)展曲線，所得結(jié)果如圖4所示。

結(jié)合圖4信息可知，瀝青混合料VCA比隨旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)增加而逐漸降低，其中旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)處于較低水平時(shí)VCA降低速率較快，但這一速率逐漸放緩，其原因在于這一階段瀝青混合料空隙受壓縮作用而快速減少。隨旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)進(jìn)一步增加，VCA下降速率逐漸降低，其原因在于瀝青混合料中已經(jīng)形成了相對(duì)穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)，最終VCA逐漸趨于穩(wěn)定，瀝青混合料骨架穩(wěn)定性良好并已經(jīng)開始發(fā)揮嵌擠作用。

圖4 溫度155 ℃條件下瀝青混合料VCA比發(fā)展曲線圖

結(jié)合相關(guān)工程規(guī)范可知，瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)是否形成可通過VCA取值進(jìn)行判斷，其中該數(shù)值取值在1以下時(shí)認(rèn)為骨架穩(wěn)定性良好，結(jié)合圖4信息可知壓實(shí)次數(shù)為45次時(shí)骨架穩(wěn)定性達(dá)到1，且壓實(shí)次數(shù)在45次以上時(shí)混合料VCA始終小于1，因此認(rèn)為瀝青混合料壓實(shí)次數(shù)在45次以上時(shí)瀝青混合料能夠形成良好骨架結(jié)構(gòu)，最小設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)取45次。

2.4 耐久性

壓實(shí)次數(shù)增加過程中多孔瀝青混合料耐久性能也會(huì)逐漸發(fā)生變化，此處通過設(shè)置不同壓實(shí)次數(shù)并分別制備多孔瀝青混合料，設(shè)計(jì)肯塔堡飛散試驗(yàn)探究各組瀝青混合料耐久性能之間差異，所得結(jié)果如表4所示。

表4 肯塔堡飛散試驗(yàn)結(jié)果

編

號(hào) 壓實(shí)次

數(shù)/次 空隙率/% VCA

比 飛散前

質(zhì)量/g 飛散后質(zhì)量/g 飛散損

失/% 平均飛散

損失/%

1 20 24.4 1.083 1 044.0 863.9 17.1 15.7

2 20 24.5 10.86 1 050.4 900.7 14.0 15.7

3 30 23 1.023 1 044.5 825.1 11.2 11.3

4 30 22.1 1.020 1 051.9 834.6 11.1 11.3

5 40 21.2 1.004 1 051.3 846.6 9.7 9.3

6 40 21.4 1.005 1 053.9 964.3 8.3 9.3

7 50 20.5 0.989 1 050.7 976.4 7.1 7.3

8 50 20.4 0.990 1 049.2 969.5 7.4 7.3

9 60 19.7 0.971 1 048.1 986.6 5.7 5.9

10 60 19.4 0.977 1 050.6 989.5 4.9 5.9

11 80 19.2 0.965 1 053.1 1000.2 4.9 5.2

12 80 19.1 0.962 1 054.5 997.2 5.3 5.2

13 100 18.4 0.950 1 060.1 987.1 6.7 7.8

14 100 18.1 0.947 1 056.5 965.1 8.5 7.8

15 120 17.7 0.939 10 503.1 920.0 12.2 13.1

16 120 17.6 0.940 1 051.1 906.6 13.5 13.1

結(jié)合表4信息可知，不同壓實(shí)次數(shù)下瀝青混合料試件的飛散損失均能夠控制在20%以內(nèi)，這說明所制備的瀝青混合料能夠達(dá)到工程規(guī)范要求。而壓實(shí)次數(shù)增加過程中，瀝青混合料的飛散損失表現(xiàn)出前期降低、后期增加的發(fā)展趨勢，其中飛散損失最大值出現(xiàn)于壓實(shí)20次后，此時(shí)飛散損失具體數(shù)值為15.7%，飛散損失最小值出現(xiàn)于壓實(shí)80次后，此時(shí)飛散損失具體數(shù)值為5.2%。隨旋轉(zhuǎn)次數(shù)增加，瀝青混合料試件的飛散損失大致可表示為凹曲線，在曲線最小值左側(cè)，壓實(shí)次數(shù)增加過程中瀝青混合料試件飛散損失逐漸降低，表明這一過程中壓實(shí)次數(shù)增加會(huì)使得多孔瀝青混合料耐久性能逐漸增強(qiáng)；而在最小值右側(cè)，壓實(shí)次數(shù)增加過程中瀝青混合料試件飛散損失逐漸提升，表明壓實(shí)次數(shù)過多條件下，瀝青混合料試件耐久性能受到不利影響，究其原因在于骨架結(jié)構(gòu)受壓過度而產(chǎn)生一定破壞，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性能出現(xiàn)衰退。而結(jié)合擬合所得曲線，飛散損失最小值出現(xiàn)在壓實(shí)77次時(shí)。

綜上所述，要保障多孔瀝青混合料的耐久性、骨架結(jié)構(gòu)性能及空隙率，制備瀝青混合料時(shí)壓實(shí)次數(shù)應(yīng)當(dāng)取45～77次之間。

3 結(jié)語

（1）旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)增加過程中，瀝青混合料密實(shí)度先快速提升，而后增速放慢，最終趨于平穩(wěn)，三個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)施工階段、瀝青混合料骨架成形階段和竣工二次壓實(shí)階段。

（2）瀝青混合料空隙率隨旋轉(zhuǎn)壓實(shí)次數(shù)增加而逐漸下降，其中壓實(shí)次數(shù)在31次時(shí)空隙率達(dá)到22%，而壓實(shí)次數(shù)提升至114次時(shí)瀝青混合料空隙率達(dá)到18%。

（3）瀝青混合料壓實(shí)次數(shù)在45次以上時(shí)瀝青混合料能夠形成良好骨架結(jié)構(gòu)，最小設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)取45次。

（4）不同壓實(shí)次數(shù)下瀝青混合料試件的飛散損失均能夠控制在20%以內(nèi)，隨壓實(shí)次數(shù)增加表現(xiàn)為近似凹曲線，曲線最小值為壓實(shí)77次。

（5）要保障多孔瀝青混合料的耐久性、骨架結(jié)構(gòu)性能及空隙率，制備瀝青混合料時(shí)壓實(shí)次數(shù)應(yīng)當(dāng)取45～77次之間。

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