离析对嵌入式抗滑表层路用性能影响研究

周志刚,李 刚,韩 乐,曹长斌,林有贵

(1.长沙理工大学 道路结构与材料交通行业重点试验室，湖南 长沙 410004;2.广西交通投资集团有限公司，广西 南宁 530000)

0 引言

沥青路面离析是指在路面施工和碾压完成后某一区域内混合料的主要性质不均匀，常见的离析有级配离析和温度离析[1]。级配离析是指混合料在摊铺和碾压完成后粗细集料分布不均匀，导致与设计级配不符。SCHERCMAN[2]等分析混合料在级配设计、生产、运输和摊铺过程中都有可能产生级配离析，这说明级配离析难以避免。级配离析导致部分区域内混合料性质存在差异，如级配组成、沥青含量、体积指标等，因此会对混合料的路用性能和力学性能产生影响，导致沥青路面的使用寿命降低[3-6]。温度离析是指混合料从生产到摊铺碾压的各个环节中部分区域热量流失过快而产生的温度差异，在摊铺和碾压过程中，部分区域混合料温度低于摊铺所要求的最低温度。混合料在低温时流动性较差，难以被压实，部分混合料甚至结块，在碾压时易出现裂纹，路面难以碾压成型，导致路面压实度较小、空隙率大，路用性能降低[1,7]。

近年来，随着我国高速公路的高速发展，优质石料被大量消耗。石料作为沥青路面建设的主要材料，其优劣直接影响到建设道路的使用寿命。尤其是优质的表层石料，可以极大提高路面抗滑性能，减少交通事故发生概率。本项目所在广西地区，当地石灰岩产量大，而石灰岩路用性能相对较差，为保障良好的路用性能需从外地采购耐磨耗石料，大大提高了建设成本。为解决上述问题，引入了起源于英国的嵌入式抗滑表层技术。嵌入式抗滑表层是是一种特殊的路面形式，它的结构分为上下层，上层是撒铺的粒径单一、抗滑耐磨的预拌沥青碎石(称为撒铺层)；下层是常规摊铺的细粒式沥青混合料(称为嵌入层)。对于嵌入层可以使用当地广泛分布的石灰岩，撒铺层则可以使用玄武岩、辉绿岩等优质硬质石料。这不仅保证了路面抗滑性能、提高了资源利用率，同时也降低工程造价。对于嵌入式抗滑表层，国内学者通过相关研究，验证了其具有较好的抗水损害、抗裂性能、抗滑和耐磨耗能力[8-9]。相关学者对嵌入式抗滑表层的施工工艺进行研究，并进行完善[10-11]。嵌入层集料组成特征是细集料多，粗集料少。粗集料的变化对撒铺层的嵌入效果影响显著，进而对其路用性能造成不良影响，因此集料离析对嵌入式抗滑表层路面性能的影响较大；由于嵌入式抗滑表层结构特殊性，在施工时需要分两次摊铺再一起碾压，上铺的撒铺层为预拌碎石，这意味着其施工温度控制较传统的热拌沥青路面要求高，更加容易引起温度离析问题。本文主要通过室内试验测定不同离析程度下各组嵌入式抗滑表层试件的高温性能、嵌入粘结性、抗滑性及密实性，并与未离析的混合料进行对比，研究不同程度的集料离析和温度离析对嵌入式抗滑表层路用性能影响，为控制嵌入式抗滑表层离析提供依据。

1 原材料

本试验所用的沥青为SBS I-D改性沥青，其中SBS改性剂掺量4.7%，其性能指标试验测试结果如表1所示。

表1 SBSI-D改性沥青的技术性能试验结果Table1 TechnicalperformancetestresultsofSBSI-Dmodifiedasphalt类别针入度(25℃,5s,100g)/(0.1mm)延度(5cm/min,5℃)/cm软化点/℃动力粘度(60℃)/(Pa·s)运动粘度(135℃)/(Pa·s)RTFOT后残留物质量变化/%针入度比(25℃,100g,5s)/%延度(5cm/min,5℃)/cm实验数据4221.7686.44500002.61-0.037920技术要求40～60≥20≥60≥20000≤3≤±1.0≥65≥15

本试验所用的粗集料(石灰岩、玄武岩)、细集料(石灰岩)，其相关性能指标如表2～表4所示。

后续试验的注意事项有：后续试验将石灰岩用于嵌入层，玄武岩用于撒铺层，因嵌入层与撒铺层功能不同，所以对撒铺层要求更严格。

表2 粗集料(石灰岩)性能指标Table2 Performanceindicatorsofcoarseaggregate(limestone)类别压碎值/%表观相对密度/(g·cm-3)吸水率/%坚固性/%针片状颗粒含量(粒径:9.5～13.2)/%与沥青粘附性/级试验数据24.62.7650.430.99.75嵌入层技术标准≤28≥2.5≤3.0≤12≤12≥5

表3 粗集料(玄武岩)性能指标Table3 Performanceindicatorsofcoarseaggregate(basalt)类别压碎值/%表观相对密度/(g·cm-3)吸水率/%坚固性/%针片状颗粒含量(粒径:9.5～13.2)/%与沥青粘附性/级试验数据13.52.8530.640.73.65撒铺层技术标准≤26≥2.6≤2.0≤12≤12≥5

表4 细集料(石灰岩)性能指标Table4 Performanceindicatorsoffineaggregate(limestone)类别表观相对密度坚固性(>0.3mm部分)/%含泥量/%砂当量/%亚甲蓝值/(g·kg-1)试验数据2.7435.92.8761.3技术标准≥2.50≤12≤3≥60≤25

2 离析试验方案设计

2.1 级配离析

a.级配离析混合料配合比设计。

当混合料发生级配离析时，其级配曲线会和标准级配曲线发生偏离，利用级配偏差值S判断沥青混合料的级配离析程度，式(1)为级配偏差值S计算方法。

(1)

式中：Pij为级配离析混合料通过筛孔j的百分率；Paj为原标准混合料通过筛孔j的百分率；n为总筛孔数。

本次设计以英国C型级配为基准[12]，根据级配偏差值S的大小将嵌入层离析程度分为无离析、轻度离析、中度离析和严重离析，其判定界限分别为：10%、20%、35%。根据上述判别标准一共有6种不同粗、细集料离析的级配：重度粗、中度粗、轻度粗、轻度细、中度细和重度细[13]。离析判别标准及6种设计级配如表5、图1所示。

表5 不同程度离析级配中值Table5 Medianvaluesofsegregationgradationindifferentdegrees级配类型通过下列筛孔(mm)的质量百分率/%0.0750.150.30.61.182.364.759.513.21619级配偏差值重度粗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轻度粗8.013.424.028.938.150.855.865.579.993.810011.9未离析9.115.926.534.143.256.660.768.981.995.01000轻度细10.516.427.935.746.761.667.273.985.996.210011.3中度细11.118.930.539.150.26670.477.987.998.010020.3重度细13.621.934.543.156.472.676.284.492.999.510035.4

图1 不同程度离析级配中值曲线图

本研究主要分析粗细料离析对嵌入层混合料性能的影响，且由于集料表面的沥青膜很薄，在粗细集料发生离析时，集料颗粒表面吸附的沥青变化很小。因此假定各级配混合料的沥青膜厚度是相同的，不同离析程度级配的沥青用量按照沥青膜厚度相等的原则进行换算，各级配混合料的油石比如表6所示。

由表6可见，随着混合料级配离析程度的增加，其沥青含量发生了显著变化，重度粗和重度细两种级配的油石比相差了3.9%。对于最大公称粒径相同的混合料而言，沥青含量相差如此之大，可见级配离析会对混合料路用性能产生巨大影响。

表6 不同程度级配离析嵌入层混合料的集料比表面积和油石比Table6 Specificsurfaceareaofaggregateandasphalt-aggre-gateratioofaggregateseparationembeddedlayermixturewithdifferentdegrees级配类型比表面积/(g·cm-2)油石比/%重度粗6.043.9中度粗6.934.4轻度粗8.255.2未离析9.375.8轻度细10.156.3中度细11.026.8重度细12.757.8

b.制备工艺参数。

对于撒铺层和嵌入层的相关制备参数，在《公路沥青路面施工技术规范》中没有相关内容，因此本次试验撒铺层和嵌入层的制备参数借鉴文献[14]中经正交试验后得到的嵌入层和撒铺层的制备参数，试件采用静压成型方式，撒铺层制备工艺参数如下：撒铺量12 kg/m2，撒铺碎石粒径9.5～13.2 mm，碎石类型为玄武岩。嵌入层制备工艺参数如下：集料温度190 ℃，沥青温度170 ℃，拌和-摊铺-碾压温度(170 ℃-160 ℃-150 ℃)，压实功90/135 kN。

2.2 温度离析

温度离析模拟试验仍采用英国C型级配嵌入层混合料，在参照《公路沥青路面施工技术规范》规定的最低碾压温度(150 ℃)基础上，上下波动10 ℃，将160 ℃、150 ℃、140 ℃定为此次试验的碾压温度成型试件。其余条件，如原材料及加热温度、拌和温度、试件成型方式及撒铺层参数均和级配离析试验保持一致。

3 级配离析对路用性能的影响

a.高温稳定性。

采用SPT静态蠕变试验测得流变时间Ft和稳定阶段斜率，由这两个参数综合评价嵌入层混合料的高温稳定性。根据调整后不同离析程度的级配及沥青用量，按照已确定的制备工艺参数分别静压成型试件，对各组试件进行SPT静态蠕变试验并测定流变时间Ft和稳定阶段斜率，试验结果如图2所示。

图2 不同程度级配离析的试件静态蠕变试验结果

从图2的数据可以看出，当混合料级配变粗时，流变时间Ft急剧变小、稳定阶段斜率变大，混合料为轻度粗集料离析时，流变时间减少了88%，稳定阶段斜率升高了16倍多，随着粗集料离析程度的增大，流变时间持续减少、稳定阶段斜率持续增加，可见相同的制备工艺下，粗料离析将导致嵌入层难以压实、撒铺层难以嵌入，严重降低高温性能，易在短时间内形成车辙；当混合料级配变细时，流变时间Ft先增大后急剧变小、稳定阶段斜率先逐渐增大后增长剧烈，可见随着细料离析程度增加，细颗粒增多，混合料的流动性缓慢而持续变大，当发生重度细集料离析时，混合料的流动性增长迅速，从而导致高温性能降低。

b.嵌入粘结性能。

由于嵌入式抗滑表层的结构特殊性，在交通荷载和自然气候条件的长期作用下，撒铺层碎石和嵌入层的嵌入粘结性会降低，进而撒铺层碎石剥落，起不到抗滑表层的作用，并导致一系列路面病害发生。因此，有必要开展撒铺层碎石与嵌入层之间的嵌入粘结性检验。针对大颗粒碎石的嵌入粘结性能，一般选用肯塔堡飞散试验。飞散试验测定的是飞散前后试件的质量损失，对于嵌入式抗滑表层，该损失则包括了撒铺层损失和嵌入层损失，而本次试验目的是为了得出撒铺层碎石的损失百分比。因此，为区分撒铺层与嵌入层颗粒散落情况，采用如下措施来得出撒铺层的实际损失比例。按照同样的制备工艺，分别成型不加撒铺层的试件和加撒铺层的试件，通过单位面积的飞散损失计算出撒铺层的损失比例，计算方法参考文献[14]。同时为了检验试件在高温、湿热状态下沥青的老化对嵌入粘结性能的影响，分别开展标准飞散与浸水飞散试验。

根据调整后不同离析程度的级配及沥青用量，按照已确定的制备工艺参数分别静压成型试件，并进行飞散试验，根据试验结果计算得到撒铺层飞散损失，其结果如图3所示。

图3 不同程度级配离析时撒铺层飞散损失

从图3可以看出，当混合料级配变粗时，两种条件下的撒铺层飞散损失均变大，当混合料为重度粗集料离析时，相较于未离析，普通飞散损失升高了25%，浸水飞散损失达到32.41%，升高了1.7倍多，可见粗料离析可使撒铺碎石与嵌入层嵌入粘结性变差，尤其在高温和水损害双重作用下嵌入粘结性极差；当混合料级配变细时，两种条件下的撒铺层飞散损失均呈现出变小趋势，这是由于细料增多，撒铺碎石更易嵌入并且嵌入深度增加，从而嵌入粘结性更好，但级配变细会使高温抗车辙性能严重下降，撒铺层嵌入深度增加会使路表构造深度降低，也会对抗滑性能造成一定影响。

c.抗滑性能。

根据调整后不同程度离析的级配及沥青用量，按照已确定的制备参数分别静压成型试件，测定各组试件的摊铺直径，进而计算出构造深度，试验结果如图4所示。

图4 不同程度级配离析时试件表面构造深度

从图4可以看出，各种离析程度的级配均能满足规范给出构造深度不小于1.2 mm要求。当嵌入层混合料级配变粗时，构造深度逐渐变大，混合料为重度粗集料离析时，构造深度达到2.57 mm，相较于未离析，提高1.7倍多，构造深度越大，撒铺层碎石颗粒压入深度过浅，将影响颗粒与嵌入层的嵌入粘结性能，结论与嵌入粘结性分析一致；当混合料级配变细时，构造深度缓慢减小，混合料为重度细集料离析时，构造深度为1.29 mm，已接近规范要求的最小值，不利于其抗滑性能，应防止出现重度细料离析。

d.密实性。

根据调整后不同离析程度的级配及沥青用量，按照已确定的制备参数分别静压成型试件，测定各组试件的密度，进而计算得出压实度，试验结果如表7所示。

表7 不同程度级配离析时试件的密实性试验结果均值Table7 Averagevalueofcompactnesstestresultsforspeci-menswithdifferentaggregatesegregation级配毛体积相对密度最大理论相对密度压实度/%重度粗2.4012.59792.45中度粗2.4012.57893.14轻度粗2.4162.55294.67未离析2.4282.53095.96轻度细2.4282.51596.56中度细2.4282.49897.19重度细2.4032.46797.41

从表7可以看出，当混合料级配变粗时，压实度逐渐减小，混合料为重度粗集料离析时，压实度为92.45%，不能满足规范中大于93%的要求，粗料离析越严重，压实后集料空隙大，颗粒较松散，同时将影响高温性能与颗粒之间的嵌入粘结性，与上述分析一致；当混合料级配变细时，压实度缓慢增大，虽然在一定程度上有利于混合料的密实性与颗粒的嵌入粘结性，但同时也会极大削弱混合料的耐高温性能和抗滑性能。

4 温度离析对路用性能的影响

a.高温性能。

按照3种不同的碾压温度分别静压成型试件，通过静态蠕变试验测定各组试件的流变时间Ft和稳定阶段斜率，试验结果如图5所示。

图5 不同碾压温度成型试件的静态蠕变试验结果

从图5可以看出，随着混合料碾压温度降低，流变时间Ft缓慢变小、稳定阶段斜率逐渐变大，当碾压温度小于规范规定最小温度150 ℃时，流变时间Ft减小了7.3%、稳定阶段斜率升高了近34.2%，当碾压温度大于规范规定最小温度时，流变时间Ft增加了7.5%、稳定阶段斜率仅降低了5.7%。由此可见，当碾压温度达到规定温度后，继续升高碾压温度对混合料高温性能的提升影响较小；但是在温度未达到规定温度时，由于混合料难以压实，其高温性能会大打折扣。

b.嵌入粘结性能。

按照3种不同的碾压温度分别静压成型试件，并进行飞散试验，根据试验结果通过公式计算得到撒铺层飞散损失，计算结果如图6所示。

图6 不同碾压温度成型试件的撒铺层飞散损失

从图6可以看出，随混合料碾压温度降低，普通飞散损失只增加了4.3%，而浸水飞散损失增加了13.9%；当混合料的碾压温度升高时，普通飞散损失减少了22.7%，浸水飞散损失减少了6.3%。由此可见，碾压温度的升高有利于提高嵌入式抗滑表层的嵌入粘结性能，同时在浸水条件下会加剧撒铺层碎石的脱落。

c.抗滑性能。

按照3种不同的碾压温度分别静压成型试件，测定各组试件的摊铺直径，进而计算出构造深度，试验结果如图7所示。

图7 不同碾压温度成型试件的表面构造深度

从图7可以看出，随着碾压温度降低，撒铺层碎石颗粒难以嵌入，导致表面构造深度逐渐增大，当碾压温度为140 ℃时，构造深度最大，此时撒铺碎石的嵌入粘结性将会变差，因此应控制最低碾压温度，建议极限最低不小于140 ℃。

d.密实性。

按照3种不同的碾压温度分别静压成型试件，测定各组试件的密度，进而计算得出压实度，试验结果如表8所示。

从表8可以看出，随碾压温度降低，压实度逐渐减小。当碾压温度升高到一定程度时，压实度增加将趋于缓慢；当碾压温度小于规范规定最小温度150 ℃时，随温度下降，混合料将难以压实。

表8 不同碾压温度成型试件的密实性试验结果均值Table8 Averagevalueofcompactnesstestresultsforspeci-mensformedatdifferentrollingtemperatures碾压温度/℃毛体积相对密度最大理论相对密度压实度/%1602.4282.53095.961502.4262.53095.891402.4022.53094.95

综上可知，从经济效益与路用性能两方面考虑，沥青混合料的碾压温度应控制在一定范围，建议最佳为150 ℃～160 ℃，最低不小于140 ℃。

5 结论

本文以级配偏差值为指标设计了6种不同离析程度的嵌入层级配，在参照《公路沥青路面施工技术规范》所规定的最低碾压温度基础上选取了3种碾压温度。通过室内试验研究了级配离析和温度离析对嵌入式抗滑表层路用性能的影响，得出如下结论：

a.集料离析不利于混合料的高温性能，离析程度越大，高温性能越差；提高碾压温度对高温性能提升不明显，而碾压温度低于最低值时，高温性能下降速度较快。

b.随着粗集料离析程度加剧，混合料的嵌入粘结性愈差，细集料离析在一定程度上有利于混合料的嵌入粘结性；随着碾压温度的升高，混合料的嵌入粘结性能也会提升；水损害会加剧嵌入粘结性能的降低。

c.随着粗集料离析程度加剧，构造深度逐渐增加，细集料离析使构造深度减小；碾压温度升高，构造深度变小；碾压温度降低，构造深度增加。

d.粗集料离析导致混合料压实度降低，细集料离析会小幅提升压实度；碾压温度升高对压实度提升不明显，但降低碾压温度混合料压实度迅速减小。