沥青混合料压实质量影响因素分析

沈彦忠，张银博，李耀业

(1. 新疆交通建设集团股份有限公司，乌鲁木齐 830016； 2. 新疆大学商学院，乌鲁木齐 830049)

沥青混合料的压实质量作为沥青路面使用性能的重要影响因素之一，压实质量与材料质量、技术操作和施工方法等方面都有紧密联系。20世纪70年代开始，国内外的研究学者对压实工艺进行了大量研究，并利用图像处理技术和核磁技术对现场芯样和室内成型试件的内部结构特征进行了对比研究，从微观结构研究了压实工艺对沥青混合料压实质量的影响[1-2]。陈小龙[3]对不同类型沥青混合料的压实工艺进行了研究，通过现场PQI(路面密度现场检测计划)检测验证，提出了沥青路面压实工艺选择和评价方法。国内学者对沥青混合料压实工艺的研究起步较晚，也取得了一些研究成果，但仍存在系统性不足、影响因素考虑不全面等问题。因此，有必要就此问题深入研究[4]。本文以乌奎高速公路路面施工管控为例，从施工材料、施工技术和外界环境等方面对沥青混合料的压实质量进行研究分析。

1 施工材料影响因素分析

1.1 集料和沥青

集料作为沥青混合料的主要成分，分为粗集料和细集料，二者有效结合才能得到较好的压实质量(如压实度、空隙率)。沥青可以使集料嵌挤密实，压实后沥青的黏聚性随温度的降低迅速增加，沥青混合料形成固结的整体，具备较强的承载能力[5]。前期预试验结果表明，在其他条件不变，沥青含量变化时，压实质量随之变化。为此，本文进行了验证试验，试验设置4组不同油石比(3.0%、3.5%、4.0%、4.5%)的沥青混合料试件，室温静置24 h后，测定其毛体积密度和空隙率。沥青含量对试件毛体积相对密度与空隙率的影响如图1所示。

图1 沥青含量对试件毛体积相对密度与空隙率的影响

由图1可知，沥青混合料中的沥青含量对毛体积相对密度和空隙率存在显著影响。空隙率和沥青含量近似线性负相关，毛体积相对密度和沥青含量近似线性正相关，这主要是因为沥青的高温流动性和润滑特性，促使集料之间充分流动、嵌挤、填充，形成了密实结构。压实度和空隙率是评价沥青路面压实质量的重要指标，其中，压实度为毛体积相对密度与马歇尔标准密度的比值。因此，应严格控制沥青用量。

1.2 沥青混合料级配

沥青混合料级配是沥青路面压实质量的重要影响因素之一[6]。选取乌奎高速公路路面施工管控系统的集料数据进行整理，集料通过率如表1所示。

由表1可知，筛孔尺寸为4.75 mm、9.5 mm、13.2 mm、16 mm、19 mm时，沥青混合料通过率的标准差和方差数值较大，表明上述筛孔的波动性较大，分析其原因可发现，这些筛孔的左右间隔较大。因此，应缩小筛孔间隔、加密筛孔。筛孔尺寸越小，沥青混合料通过率的变异系数越大，其中筛孔尺寸为0.075 mm时，集料通过率的变异系数最大，结果说明集料粒径越小，越容易被外界环境干扰，应及时除尘，避免废弃矿粉或粉尘进入拌和仓。

表1 集料通过率 (%)

2 技术影响因素分析

2.1 沥青混合料温度

沥青是一种对温度极其敏感的热塑性材料。沥青温度过高易使其内部轻质组分挥发，改变自身性质进而影响沥青性能[7]，同时沥青温度过高会使其内部多种化学物质挥发，不仅会污染环境，还会影响现场施工人员身体健康。沥青温度过低，则会难以压实，或是在施工时需要增加压实功才能压实。

合适的压实温度对沥青混合料的压实质量至关重要，不仅可以使沥青路面在压实时获得较好的压实质量，而且沥青路面不会发生推移、黏轮等问题，更不用增加压实功。

为了保证施工质量，《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)[8]明确规定了碾压过程中初压、终压的最低温度。碾压最低温度推荐值如表2所示。

表2 碾压最低温度推荐值 (℃)

2.2 摊铺设备及运行情况

2.2.1 摊铺速度

摊铺速度的快慢及稳定性对沥青混合料的预压实和压实质量有着重要影响。摊铺机在运行中保持稳定的运行速度，可以使沥青混合料在分布槽的热量保持在相对稳定的状态。在施工过程中，沥青混合料的预压实度随着摊铺速度的提高而逐渐降低[9]。摊铺速度与预压实度的关系如图2所示。当摊铺机低速运行时，振捣梁对单位面积沥青混合料的击实次数相对较多，沥青混合料承受的挤压较强烈，预压实度较高。摊铺机运行速度加快时，振捣梁对沥青混合料单位面积的击实次数相对减少，沥青混合料受到的外界压力随之降低，粗、细集料之间嵌挤不足，空隙率变大，颗粒间作用力变小，易出现大面积离析现象[10]，沥青混合料纵向离析图如图3所示。

图2 摊铺速度与预压实度的关系

图3 沥青混合料纵向离析图

2.2.2 振动参数

为论证振动参数对预压实度的影响，本文在乌奎高速公路某标段中面层进行试验，设置振捣梁振动频率为20 Hz、15 Hz、10 Hz、5 Hz，摊铺机熨平板振动器振动频率为30 Hz、25 Hz、20 Hz、15 Hz、10 Hz。该试验沥青混合料为AC-20C(4.5% SBS改性沥青混合料)，摊铺速度为2.5 m/min，预压实度由沥青路面智能管控系统自带无核密度仪自动采集，不同振动频率下沥青混合料预压实度如图4所示。

图4 不同振动频率下沥青混合料预压实度

由图4可知，振捣梁振动频率与摊铺机熨平板振动器振动频率的增加均对沥青混合料的预压实有正向作用。因此，在选择摊铺机的机械运行参数时，应选择较大的振动频率，但在实际工程中考虑机械工作的持续正常性和经济性，建议施工期间摊铺机熨平板振动器振动频率和振捣梁振动频率分别设置为20～30 Hz和15～20 Hz。

3 压实厚度影响因素分析

在施工过程中不同的压实厚度，会使沥青混合料的压实质量产生不容忽视的差异性。通过分析乌奎高速公路改扩建工程中的中面层(6 cm AC-20C)和下面层(8 cm AC-25C)的摊铺厚度，研究压实厚度对压实质量的影响。摊铺厚度与空隙率的关系如图5所示。

(a) K3624+100～K3624+800

由图5可知，沥青摊铺厚度太薄，会导致沥青混合料空隙率猛增。归结其原因，包括内因和外因两个方面：其一，厚度较薄的沥青混合料其自身储存的总热量相对较少。沥青面层较薄，则热传递距离较短，热量散失较快，进而温度下降较快；其二，摊铺层厚度不足。单位体积内的沥青混合料粗细不均，颗粒间不能有效地移动嵌挤填充，出现离析现象。然而，沥青混合料面层的压实厚度并不是越厚越好，沥青路面的摊铺层过厚会使单位面积上的压实功相对减小，则不能充分压实。

乌奎高速公路某标段沥青路面中面层和下面层设计厚度分别为6 cm、8 cm。由图5可知，中、下面层的曲线走向基本相似，产生较好压实效果的沥青路面基本上接近设计厚度。中面层和下面层的最佳压实厚度分别为6.0～6.5 cm和8.0～9.0 cm。超出最佳压实厚度范围会使得压实度出现较大波动。

4 结论

通过对沥青路面的原材料数据、路面施工过程中的技术数据和外界环境数据进行分析，得出结论如下：

(1) 集料粒径越小越容易被外界环境干扰，应严格控制沥青混合料中所需材料的质量和用量。

(2) 沥青路面摊铺阶段合理的生产温度和压实温度对沥青路面的压实质量至关重要。

(3) 摊铺设备自身运行参数对压实质量存在显著影响，摊铺机行进速度应控制在2.5 m/min，建议施工期间摊铺机熨平板振动器振动频率和振捣梁振动频率分别为20～30 Hz和15～20 Hz。

(4) 沥青路面压实质量受摊铺厚度影响，超出最佳压实厚度范围，则会导致压实度出现较大波动，最佳压实厚度应尽量接近设计厚度。