林錦騰， 祝軒

(1.廣東省南粵交通河惠莞高速公路管理中心， 廣東 廣州 510000； 2.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院)

長期以來，離析一直是熱拌瀝青生產(chǎn)和施工中的主要問題。離析的混合料不符合目標(biāo)配合比設(shè)計(jì)中的級配或?yàn)r青含量的要求，造成混合料的毛體積密度和空隙率與設(shè)計(jì)值存在一定的差異。研究表明：當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，由于剛度、抗拉強(qiáng)度和疲勞壽命的降低，路面的使用壽命會(huì)降低。在某些地區(qū)，由于施工中產(chǎn)生的離析問題，導(dǎo)致路面早期損壞，對此管養(yǎng)單位每年必須設(shè)立專項(xiàng)支出用于路面養(yǎng)護(hù)與維修，造成了一定的經(jīng)濟(jì)壓力。

目前,防止路面離析的研究主要集中在采用試驗(yàn)室模擬離析對瀝青混合料性能的影響、離析的原因和改善方法、評估檢測路面離析等熱點(diǎn)上。從當(dāng)前的研究手段出發(fā)，普遍存在的問題有：① 瀝青路面均勻性評價(jià)缺乏真實(shí)性。其原因有檢測評價(jià)方法主觀因素太強(qiáng)，這種主觀意識太強(qiáng)烈的判別方法顯然缺乏說服力以及評價(jià)的數(shù)據(jù)太少，太單一。對于均勻性檢測的評價(jià)方法，當(dāng)前普遍使用的是視覺識別法、鋪砂法、取樣法。前兩種方法過于依賴檢測員的主觀意識，而取樣這種有損檢測的方法對原路面的影響太大，可用數(shù)據(jù)太少；② 研究手段大部分都禁錮在室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M。室內(nèi)試驗(yàn)固然簡單快捷、操作性強(qiáng)，但與實(shí)際生產(chǎn)中瀝青路面施工的差距較大，并不能反映瀝青路面施工過程的真實(shí)情況，同時(shí)對于某些施工工藝的控制性因素(例如攤鋪碾壓)無法較好地模擬，而這類施工工藝又恰巧是引起瀝青路面離析的主要原因。

針對以上問題，該文以某全幅攤鋪工藝條件下300 m的試驗(yàn)路段為依托，首先利用激光斷面構(gòu)造儀和無核密度儀兩種無損檢測方法評價(jià)路面施工的均勻性，建立多指標(biāo)路面均勻性評價(jià)體系，再研究攤鋪碾壓工藝(初壓速度、初壓溫度、攤鋪速度與熨平板的振動(dòng)頻率)對路面均勻性的影響規(guī)律，使之能及時(shí)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)瀝青路面施工的動(dòng)態(tài)控制，減小全幅攤鋪路面的離析概率，提高路面施工質(zhì)量。

1 項(xiàng)目概況

河(源)惠(州)(東)莞高速公路龍川至紫金段位于廣東省河源市境內(nèi)，是廣東省高速公路網(wǎng)規(guī)劃廣龍高速(S6)的重要組成部分，為東莞、惠州、河源地區(qū)通往江西的主要出省通道之一。施工時(shí)在主線K98+400～K98+700 段(左幅)進(jìn)行了上面層試驗(yàn)段鋪筑，試驗(yàn)段為GAC-16C 型瀝青混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)油石比為4.7 %，空隙率為4.5 %，設(shè)計(jì)總厚度為4.5 cm，全長300 m，寬約11.25 m。攤鋪采用福格勒2100-3L全幅攤鋪機(jī)作業(yè)，作業(yè)寬度11.5 m；采用3臺(tái)13 t雙鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)及3臺(tái)30 t膠輪壓路機(jī)相結(jié)合的碾壓組合方式，其中初壓終壓采用雙鋼輪悍馬HD0128V壓路機(jī)，復(fù)壓采用徐工XP303K膠輪壓路機(jī)，碾壓遍數(shù)為初壓終壓2遍，復(fù)壓4遍。

抽取瀝青混合料進(jìn)行燃燒篩分試驗(yàn)，用以檢驗(yàn)混合料的礦料級配與瀝青含量。用于試驗(yàn)的瀝青混合料均在拌和樓處的運(yùn)料車上均勻取樣，且在試驗(yàn)室內(nèi)采用四分法均勻取樣進(jìn)行燃燒篩分試驗(yàn)。試驗(yàn)級配檢測結(jié)果如圖1所示，與配合比設(shè)計(jì)時(shí)的級配比較，抽檢的混合料級配變異不大；混合料瀝青用量控制較好，檢測的油石比為4.72%，與設(shè)計(jì)油石比4.7%相差較小。以上檢測結(jié)果表明路面材料符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，故由此造成路面離析的概率較小。

圖1 級配曲線

2 路面均勻性評價(jià)

2.1 激光紋理儀評價(jià)法

2.1.1 檢測原理與方案

歐美大地TM2路面激光紋理儀主要用于測量道路表面的宏觀紋理和微觀紋理，通過表面紋理的指標(biāo)來評價(jià)路面的抗滑性能、吸收噪音的性能以及抵抗車輪輪胎阻力的能力。其測試原理是使用線掃描激光器對路面進(jìn)行掃描，通過測量的高程來計(jì)算平均斷面構(gòu)造深度MPD指標(biāo)用于評價(jià)路面的粗糙程度。

采用激光紋理儀對樁號 K98+400～K98+700 段進(jìn)行表面構(gòu)造深度測試。為了減少其他因素對研究的干擾和更好地控制研究樣本，按每60 m分段，將300 m的試驗(yàn)路分為5段區(qū)域取樣，各不影響，編號分別為A、B、C、D、E。選取的測試位置為：按照距中央分隔帶1.75、3.75、5.75、7.75、9.75 m縱向連續(xù)測試5個(gè)斷面，如圖2所示，輸出每10 m的激光斷面構(gòu)造深度MPD(mm)的平均值，以構(gòu)造深度越大顏色越深為原則繪制瀝青層構(gòu)造深度分布云圖，結(jié)果如圖3所示。

圖2 紋理儀檢測位置方案(單位:m)

圖3 激光紋理儀檢測結(jié)果云圖

2.1.2 檢測結(jié)果分析

由圖3可知：靠路邊緣的兩條測線顏色偏深，說明構(gòu)造深度較深，此時(shí)粗集料較多細(xì)集料較少。分析其原因：由于下承層的橫斷面高程差引起，當(dāng)采用全幅攤鋪時(shí)，由于攤鋪寬度較大,螺旋布料器向兩端輸送混合料的距離過長，在高程差的影響下，會(huì)使得一側(cè)的粗集料相對另一側(cè)減少，而高程較低的一側(cè)會(huì)有更多的粗集料，因此攤鋪成型的路面在高程較低的一側(cè)粗顆粒熱料集中，細(xì)集料及瀝青含量少，表面構(gòu)造較深。

利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對試驗(yàn)路檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定試驗(yàn)段測評區(qū)域表面構(gòu)造深度數(shù)學(xué)期望值及判定離析程度的區(qū)間。參考張肖寧、王端宜提出的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將離析劃分為4個(gè)等級：細(xì)離析、無離析、粗離析、重度離析。判定標(biāo)準(zhǔn)及分布情況如表1、2所示。

表1 構(gòu)造深度判別標(biāo)準(zhǔn)

表2 造深度檢測結(jié)果

由表1可看出：總試驗(yàn)路段無離析占94.67%，粗離析占5.33%，無區(qū)域細(xì)離析與重度離析。以離析率和變異系數(shù)為評價(jià)指標(biāo)，其中離析率為檢測數(shù)據(jù)中離析數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)(包括細(xì)離析、粗離析和重離析)與總數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)的比值；變異系數(shù)為數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差與平均數(shù)的比值。由表2可知：各路段變異系數(shù)和離析率較小，路表面顆粒分布均勻性較好。

2.2 無核密度儀評價(jià)法

2.2.1 檢測原理與方案

無核密度儀的工作原理是根據(jù)瀝青路面材料的密度與介電常數(shù)之間存在一定的比例關(guān)系，通過感應(yīng)板產(chǎn)生探測磁場來測試壓實(shí)瀝青混合料的介電常數(shù)，然后利用電子部件將場信號轉(zhuǎn)換成密度。根據(jù)測試區(qū)域的測試密度計(jì)算相應(yīng)的壓實(shí)度及空隙率，評價(jià)路面壓實(shí)情況。

檢測方案如圖4所示，以激光斷面構(gòu)造深度檢測方案為基礎(chǔ)，橫斷面上距離中央分隔帶0.75 m開始，每隔1 m測試1次，測試11個(gè)斷面；縱斷面每隔5 m測試1次，總長300 m，測試61個(gè)斷面，共測試671個(gè)點(diǎn)。考慮到數(shù)據(jù)較多，同時(shí)也為與激光斷面儀所測數(shù)據(jù)統(tǒng)一，將9個(gè)無核密度儀的測點(diǎn)數(shù)據(jù)均值與一段激光斷面儀的數(shù)據(jù)等價(jià)，同樣也將300 m的試驗(yàn)段按每60 m一段分為 5 段，根據(jù)芯樣的密度標(biāo)定無核密度儀之后進(jìn)行現(xiàn)場密度測定，根據(jù)計(jì)算法得到的試驗(yàn)路理論最大相對密度(2.700)計(jì)算各測試點(diǎn)的現(xiàn)場空隙率，以空隙率越大顏色越深為原則繪制瀝青層空隙率分布云圖，如圖5所示。

圖4 無核密度儀檢測位置方案

2.2.2 檢測結(jié)果分析

由圖5可以看出：與激光紋理儀所反映的位置一致，主要出現(xiàn)在路邊緣的位置，路面空隙率較大，建議采取有效措施減少邊部離析，提升路面整體壓實(shí)質(zhì)量。其余區(qū)域空隙率基本為3.5%～5.5%，滿足路面使用對空隙率的要求，路面壓實(shí)程度較好。測試路段空隙率均值為5.00%，滿足設(shè)計(jì)要求，但路面空隙率存在一定的離散性，變異系數(shù)達(dá)18.96%，即有部分空隙率偏小或過大的位置存在。

圖5 無核密度儀檢測結(jié)果云圖

參考文獻(xiàn)[17]，并根據(jù)現(xiàn)場空隙率指標(biāo)控制要求劃分判定離析程度標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)間，判定標(biāo)準(zhǔn)及分布情況如表3、4所示。按照離析標(biāo)準(zhǔn)對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，圖3結(jié)果表明：整個(gè)試驗(yàn)段中，無離析占81.52%，粗離析占16.39%，細(xì)離析占2.09%，路面的整體性一般。

表3 空隙率判別標(biāo)準(zhǔn)

表4 空隙率檢測結(jié)果

由表4可以看出：C段的變異系數(shù)與離析率較大，說明施工均勻性效果較差，而E段的變異系數(shù)和離析率較小，說明施工均勻性效果較好；變異系數(shù)與離析率具有一致性，變異系數(shù)大的路段離析率同樣偏大。而由激光斷面儀所測表2中數(shù)據(jù)可見，變異系數(shù)與離析率關(guān)聯(lián)性較差，這是由于樣本數(shù)據(jù)太少，導(dǎo)致評價(jià)結(jié)果不統(tǒng)一。因此，對于數(shù)據(jù)樣本較少的檢測方式，可以用變異系數(shù)量化評價(jià)路面均勻性，當(dāng)數(shù)據(jù)樣本較多時(shí)，用變異系數(shù)或離析率都能有效地評價(jià)路面的離析程度。

考慮到激光斷面儀評價(jià)指標(biāo)中離析率較小的緣故，無法有效區(qū)分路面的離析程度，故以變異系數(shù)為評價(jià)指標(biāo)，來比較5段試驗(yàn)路的均勻性，兩種不同的測試方法比較結(jié)果如圖6所示。

圖6 兩種檢測方法的變異系數(shù)

由圖6可知：無核密度儀所測數(shù)據(jù)的變異系數(shù)普遍要高于激光斷面儀，這是因?yàn)闊o核密度儀的檢測的是點(diǎn)，而激光斷面儀的檢測方式則是一段連續(xù)的路面，測試方法本身的差異造成了數(shù)據(jù)離散的差異；對兩種不同的檢測方法所檢測出的不同路段的結(jié)果加以定量分析，兩種檢測方法對于路面的均勻性評價(jià)具有一致性，均勻性從好到差依次為路段E、A、B、D、C，說明兩種測試方法都能反映出路面的離析程度。將兩種檢測方式所得的結(jié)果繪制成散點(diǎn)圖，經(jīng)線性擬合之后如圖7所示。

圖7 空隙率與構(gòu)造深度的關(guān)系

由圖7可知：兩種檢測方法所得指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)為0.82，表明相關(guān)性較強(qiáng)，隨著空隙率的增大，構(gòu)造深度線性增大，這在另一方面證明了兩種檢測方法的一致性。

3 瀝青路面均勻性影響因素分析

以兩種檢測結(jié)果的變異系數(shù)均值為評價(jià)依據(jù)，對5段路段的施工均勻性進(jìn)行量化，研究攤鋪碾壓工藝對路面均勻性的影響規(guī)律。

3.1 攤鋪工藝對均勻性的影響

選擇A、B兩段研究攤鋪工藝對均勻性的影響規(guī)律。對于A段，首先依據(jù)經(jīng)驗(yàn)控制好熨平板振動(dòng)頻率、初壓溫度與初壓速度。攤鋪速度按10 m分段設(shè)計(jì)，分別為2.3、2.6、2.9、3.2 m/min總計(jì)4個(gè)速度，以每10 m橫斷面檢測數(shù)據(jù)的變異系數(shù)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，研究攤鋪速度對路面均勻性的影響規(guī)律，結(jié)果如圖8所示。

圖8 攤鋪速度與變異系數(shù)的關(guān)系

由圖8可知：擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.85，說明攤鋪速度與變異系數(shù)有較強(qiáng)的相關(guān)性；隨攤鋪速度的增大，變異系數(shù)先減后增，當(dāng)攤鋪速度為2.8 m/min時(shí)，變異系數(shù)最小，說明此時(shí)的路面均勻性最好。當(dāng)攤鋪速度較小時(shí)，攤鋪至路面上的瀝青受熨平板的振動(dòng)影響時(shí)間較長，在過度振動(dòng)的影響下會(huì)出現(xiàn)粗細(xì)集料分開的離析狀況，而當(dāng)攤鋪速度較快時(shí)，混合料在螺旋布料器中二次攪拌的時(shí)間過短，也容易引起粗細(xì)集料的不均而引發(fā)離析，故攤鋪速度不宜過快或過慢。

與A段的研究方案類似，亦將B段按10 m每小段分為6段，在其他工藝相同的情況下研究熨平板振動(dòng)頻率對路面均勻性的影響，考慮到攤鋪機(jī)行進(jìn)的穩(wěn)定性，在熨平板振搗器固定頻率為20 Hz時(shí)選擇振動(dòng)器頻率為15、20、25、30 Hz，將檢測數(shù)據(jù)繪制成散點(diǎn)圖并擬合，結(jié)果如圖9所示。

圖9 振動(dòng)頻率與變異系數(shù)的關(guān)系(振搗頻率：20 Hz)

由圖9可知:擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.72，說明振動(dòng)頻率與變異系數(shù)存在一定的相關(guān)性；當(dāng)振動(dòng)頻率為15～25 Hz時(shí)，變異系數(shù)較大，擬合曲線出現(xiàn)小幅拱形，在20 Hz時(shí)變異系數(shù)達(dá)到最大值，表明此時(shí)路面的均勻性較差；當(dāng)振動(dòng)頻率大于25 Hz時(shí)，變異系數(shù)迅速下降，路面均勻性變好。這是因?yàn)楫?dāng)振動(dòng)器的頻率為20 Hz時(shí)與振搗器的頻率相同，會(huì)發(fā)生共振效應(yīng)，在共振效應(yīng)的影響下，瀝青混合料的振動(dòng)過度，從而引起了粗細(xì)集料和自由瀝青的分離，造成了路面的離析。為了避免這一情況的發(fā)生，振動(dòng)器的頻率要盡量遠(yuǎn)離振搗器的頻率，同時(shí)振頻又不宜過小。當(dāng)振搗器頻率為20 Hz時(shí)，推薦振動(dòng)器的頻率為30 Hz。

3.2 碾壓工藝對均勻性的影響

剩余C、D、E 3段用于研究碾壓工藝對均勻性的影響規(guī)律。在C段中研究初壓溫度對路面均勻性的影響，用溫度槍檢測初壓溫度的大小，以10 m的溫度均值為一個(gè)數(shù)據(jù)，分別為155、158、160、162、165 ℃總計(jì)5個(gè)溫度，檢測結(jié)果如圖10所示。

圖10 初壓溫度與變異系數(shù)的關(guān)系

由圖10可知：散點(diǎn)圖的數(shù)據(jù)離散性較大，擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.53，說明初壓溫度與變異系數(shù)的相關(guān)性一般；當(dāng)初壓溫度超過158 ℃后，變異系數(shù)增幅較明顯，說明此時(shí)的路面均勻性較差。當(dāng)初壓溫度較大時(shí)，瀝青的黏度較小流動(dòng)性較大，在攤鋪碾壓作用下會(huì)將自由瀝青壓至局部空隙率較大的位置引起離析，而當(dāng)初壓溫度較低時(shí)，瀝青黏度較大流動(dòng)性較小，也容易引起分布不均而引發(fā)離析，故必須選擇適宜的初壓溫度。

考慮到碾壓組合為2臺(tái)鋼輪壓路機(jī)并行，為了排除交接位置的干擾，選擇D、E兩段中距中央分隔帶1.75、5.75、9.75 m的縱斷面數(shù)據(jù)的變異系數(shù)為衡量標(biāo)準(zhǔn)，總計(jì)6個(gè)數(shù)據(jù)，分析初壓速度對變異系數(shù)的影響，結(jié)果如圖11所示。

圖11 初壓速度與變異系數(shù)的關(guān)系

由圖11可知：擬合曲線的相關(guān)系數(shù)為0.71，表明初壓速度與變異系數(shù)之間存在一定的相關(guān)性；隨初壓速度的增加，變異系數(shù)先減后增，在初壓速度為3.7 m/min左右時(shí)變異系數(shù)最低，說明此時(shí)路面的均勻性最好。當(dāng)初壓速度較低時(shí)，溫度下降過快，難以在有效的時(shí)間內(nèi)達(dá)到理想的壓實(shí)效果，當(dāng)初壓速度較高時(shí)，又會(huì)引起壓實(shí)功不足，這兩種情況都會(huì)引起路面的離析。

4 結(jié)論

(1) 以變異系數(shù)為評價(jià)依據(jù)，激光紋理儀與無核密度儀的檢測結(jié)果具有一致性；無核密度儀采用測點(diǎn)的方法，所測數(shù)據(jù)較多，離析率與變異系數(shù)的相關(guān)性較好；而激光紋理儀采用一段連續(xù)路面的均值作為評價(jià)依據(jù)，數(shù)據(jù)樣本較少，離析率難以反映路面的均勻狀況，推薦采用變異系數(shù)來評價(jià)路面的均勻性。

(2) 隨攤鋪速度、初壓溫度與初壓速度的增大路面均勻性先變好后變差，而受熨平板振搗頻率的影響，振動(dòng)頻率必須高出一定振搗頻率之后，才能使路面的均勻性變好。

(3) 此次試驗(yàn)路的檢測結(jié)果表明：攤鋪速度為2.8 m/min；當(dāng)振搗器頻率為20 Hz時(shí)，熨平板振動(dòng)器的頻率為30 Hz；初壓溫度為158 ℃；初壓速度選擇3.7 m/min時(shí)，路面的均勻性較好。