沥青混合料离析程度对路面性能影响研究

王 鑫

（山西省公路局 太原分局，山西 太原 030012）

近年来我国公路事业不断发展，沥青路面因为其优异的平整度、吸振、噪声小、无接缝、耐磨、施工养护简便等特点成为我国高等级公路路面的主要结构型式。随着沥青路面的迅速发展，其问题也不断显现，大部分沥青路面在投入使用1～3年内均会出现不同程度车辙、裂缝、坑槽、局部泛油等问题。沥青路面在投入使用初期的破坏往往不是结构性破坏，而是局部的功能性损坏，导致局部功能性损坏的主要原因之一就是沥青混合料出现了离析[1]。

沥青混合料离析是指沥青混合料在热拌施工过程中在路面上出现分布不均匀的现象，主要是粗细集料分布不均匀。沥青混合料的离析会影响沥青路面的路用性能，粗集料聚集的部位空隙率较大，沥青含量少，容易造成水损害形成坑槽，同时降低混合料的抗拉强度和抗裂性能；细集料聚集区则空隙率较小，无法形成骨架结构，导致沥青路面高温稳定性差，容易出现泛油[2]。柳爱群[3]研究了沥青路面产生离析的原因及防治措施，郑晓光[4]研究了离析对沥青路面高温稳定性、水稳定性及抗疲劳性的影响。本文以我国某一级公路为研究对象，通过室内试验研究不同程度沥青混合料的离析对沥青路面更多路用性能的影响。

1 试验材料

本次试验原材料采用我国某一级公路AC-20沥青混合料面层，在该一级公路上切取试验所需的试件，试验所用材料符合相关规范[5]。美国在以往的研究项目中将沥青混合料的离析分为无离析、轻度离析、中度离析及重度离析4类。该分类主要考虑粗集料离析而未考虑细集料聚集，在此基础上本次试验研究以空隙率作为判别离析程度指标将离析程度分为Ⅰ（细集料离析）、Ⅱ（无离析）、Ⅲ（轻度离析）、Ⅳ（重度离析）。用PQI无核密度仪测定试验材料的密度进而换算成空隙率[6]，并将其分类得沥青混合料离析程度与空隙率，见表1。

表1 沥青混合料离析程度判别标准

2 路用性能试验

2.1 高温稳定性

我国采用动稳定度来评价沥青混合料高温稳定性，现采用车辙试验测定不同离析程度沥青混合料的动稳定度。车辙试验试件在该一级公路上不同离析程度的部位进行切取，试件尺寸为：长300 mm、宽300 mm、厚50 mm。首先测定试件的空隙率，按照离析程度判别标准进行分类，然后进行车辙试验，试验过程符合有关规定[7]。试验结果整理为表2、图1。

表2 不同离析程度的沥青混合料动稳定度

图1 不同离析程度沥青混合料的动稳定度

由表2、图1可以看出不同离析程度的沥青混合料的动稳定度相差较大。无离析的沥青混合料的动稳定度最大，为5 026次/mm；细集料离析的动稳定度最小，为2 595次/mm，细集料离析沥青混合料的动稳定度约是无离析的51%。出现粗集料严重离析的动稳定为2 637次/mm，仅比细集料离析的动稳定度大。因此沥青混合料出现离析问题后，动稳定度下降约25%～50%。

根据车辙试验结果分析其原因为：当沥青混合料粗集料聚集时，虽然其空隙率较大但依旧可以形成骨架结构，能够提高其抗车辙性，但是当重度离析时，其压实度较低，容易出现压实型车辙；当细集料聚集时，由于粗集料含量少，并且沥青含量增多，不能形成骨架结构，其混合料容易出现永久变形，抗车辙能力也大幅降低。

2.2 低温抗裂性

沥青路面在低温时依旧能够保持较好的强度与刚度，但是其抗变形能力有所下降。当气温下降较快时，路面面层首先会产生收缩的趋势，而下部结构层受温度影响较慢，会约束这种趋势进而产生拉应力[8]。本次低温抗裂性试验通过测定不同离析程度沥青混合料的弯曲应变来评价离析程度对低温抗裂性能的影响。

在实验室制作离析程度不同的试验试件，尺寸为长250 mm、宽 30 mm、高 35 mm，用 PQI无核密度仪测定其密度并计算空隙率，将其分为不同程度离析的组别，然后进行低温弯曲试验，试验满足有关规范要求[9]。试验结果见表3、图2。

表3 不同离析程度的沥青混合料弯曲应变

图2 不同离析程度沥青混合料的平均弯曲应变

由表3及图2可以看出沥青混合料离析程度不同，对其低温抗裂性影响较大。细集料聚集部位空隙率较低，平均弯曲应变最大，为8 345 με，为无离析沥青混合料的187.66%。粗集料离析部位的平均弯曲应变均小于无离析沥青混合料，在重度离析时达到最小，为2 158 με。由此可以得知细集料聚集时其低温抗裂性能较好，而随着粗集料的离析，低温抗裂性能不断降低，较无离析沥青混合料降低了14%～51%。

2.3 水稳定性

水损害是沥青路面的主要病害之一。在车轮与其他动荷载作用下，路面的水会不断渗入混合料缝隙，产生动水压力和真空抽吸力，降低沥青黏附性，使沥青容易从集料表面剥落，逐渐发展成坑槽等破坏现象。我国要求二级以上公路的沥青混凝土应具有良好的水稳定性。我国通常采用浸水马歇尔试验来测出沥青混合料的残留稳定度，以残留稳定度来评价沥青混合料的水稳定性，试件浸水残留稳定度按式×100计算。

对取自现场的沥青混合料测定其密度并算出空隙率后按离析程度进行分类，然后制成φ63.5的标准马歇尔试件进行浸水马歇尔试验。试验结果见表4、图3、图4。

表4 不同离析程度的沥青混合料残留稳定度

图3 离析程度对MS、MS1的影响

图4 离析程度对残留稳定度的影响

由图3可以看出沥青混合料的离析程度对稳定度影响较大，尤其是对浸水后的稳定度。当细集料聚集时，其稳定度相对最大，为13.98 kN，并且大于浸水48 h后的稳定度。当粗集料聚集时，随着离析程度的加剧，其稳定度不断降低。在严重离析时，其稳定度为7.83 kN，浸水稳定度为4.02 kN，浸水稳定度下降速度较快。

由图4可以看出随着离析程度的加剧，试件残留稳定度不断下降。细集料聚集时，残留稳定度为91.92%，满足沥青混合料水稳性指标。当离析程度为重度时，试件残留稳定度仅为51.34%，远不能满足水稳性要求。

结合表4、图3及图4可以得到：细集料的聚集会提高沥青混合料的水稳定性，粗集料聚集时混合料的水稳定性随离析程度的加剧而降低。细集料聚集时，其残留稳定度较无离析沥青混合料提高了约9.93%；当粗集料聚集时，残留稳定度下降了7.5%～38.6%，不能满足沥青混合料水稳性指标。

2.4 抗疲劳性能

本次试验采用劈裂疲劳试验来评价不同离析程度混合料的抗疲劳性，试件采用高度控制旋转压实成型，试件高为63.5 mm，直径为100 mm。试验仪器为MTS810，试验温度为15℃，加载模式为控制应力，应力比为0.3、0.5、0.7,对试件测算出其空隙率，分为4种离析程度后进行试验。试验结果见表5。

表5 疲劳试验结果

将表5整理为柱状图，见图5、图6。

图5 离析程度对疲劳寿命的影响

由表5、图5可以看出应力比为0.3时，疲劳寿命较0.5、0.7时大，当细集料聚集时，疲劳寿命为8 905次，是无离析的109.68%；当粗集料离析时，疲劳寿命显著降低，为无离析的63.49%和54.62%。应力比为0.5时，细集料聚集时疲劳寿命为1 689次，为无离析沥青混合料的122.75%；当粗集料离析时，其疲劳寿命要小于无离析沥青混合料，为无离析时的52.76%、43.75%。当应力比为0.7时，细集料疲劳寿命为607次，为无离析沥青混合料的119.25%；当离析程度为重度时，疲劳寿命最小仅为179次，为无离析的35.17%，轻度离析时为224次，为无离析的44.01%。因此可以得出：细集料聚集时，其抗疲劳性能提高约10%～23%，当粗集料离析时，抗疲劳性能显著降低，约为无离析沥青混合料的35%～64%。

3 工程案例分析

3.1 工程概况

山西省某一级公路为双向四车道，是连接市区与该市高速公路入口的重要通道。该一级公路沥青路面下面层采用7 cm的AC-20，上面层采用5 cm的SMA-16。在施工过程中，下面层摊铺中局部出现了不同程度的离析现象，严重影响了施工进度与工程质量。因此对沥青路面施工过程中的质量控制显得极为重要。

3.2 施工质量控制措施

a）混合料类型是离析的内在因素，因此应加强对原材料质量的控制，尽量选取同一采石场的碎石，对来自不同采石场的碎石应进行重新筛分，采用粒径相当的碎石。

b）严格控制拌和及运输过程。经常检查拌和机等设备，避免因机械故障造成的集料离析。混合料离析与集料表面的沥青膜与拌和温度有关，如果集料表面的沥青膜比较薄，集料间黏附性相对会较差，易发生离析。影响集料表面沥青膜厚度的因素主要有：（a）油石比过低会导致沥青膜较薄；（b）混合料中细集料较多会降低沥青膜厚度；（c）混合料中粗集料空隙率过高，也会导致集料表面沥青膜较薄。拌和过程中应该严格控制拌和温度，若温度过高，沥青黏性变差，更加容易产生离析现象。在混合料拌和中，也需要足够的温度使混合料拌和均匀，但温度也不宜过高。在向运输车装卸混合料时应分层放料，否则会造成大骨料滚向两侧而造成离析。在卸完一斗料后，汽车应挪动一个位置，在混合料均匀分布后再进行二、三层放料，这样可以使卸下的混合料再次均匀拌和。并且在卸料时，应尽可能将料斗大角度垂直升起快速卸料，避免大骨料先从侧面滚出造成堆积而引起离析。同时搅拌场与摊铺现场距离不宜太远，并保证运输通道的平整，避免车辆行驶颠簸。

c）混合料摊铺过程应严格控制摊铺机的选择和摊铺操作。摊铺机的螺旋输料器高度合适，使混合料能够全埋螺旋输料器；螺旋输料器的挡料板与地面间隙要小，防止大骨料先从挡板下沿滚落造成下层大料较多而离析；摊铺宽度不应太宽，否则混合料由螺旋输料器运输距离增大，从而导致离析的概率增大；同时搅拌叶片的数量与角度应合适，使混合料得到充分搅拌。

在摊铺过程中，若是摊铺机一车料将摊铺完后关闭送料器，倒入下车料后继续均匀地送料与布料。摊铺过程中，摊铺机不必收料斗同时保持输料器继续转动，此时车厢内两侧会有粗集料，若关闭收料斗会导致最后摊铺部位粗集料聚集。此时应接着卸下一车混合料，使剩余的粗集料与下一车混合料继续搅拌均匀后进行摊铺。

d）添加适量的酰胺类阳离子表面活性剂或胺类等高分子有机酸类抗剥离剂。在加入适量的抗剥离剂后能够有效提高集料与沥青的表面黏附性，减轻沥青离析现象。

3.3 施工检测与评价

在施工过程中对沥青混合料首先通过观察法判断离析程度，在摊铺完成后采用PQI无核密度仪对路面进行密度测试，在换算为沥青混合料空隙率后对离析程度进行判断。沥青混合料离析评价标准见表6。

表6 沥青混合料离析程度评价标准

在沥青混合料施工过程中采用PQI无核密度仪能够做到及时快速，同时PQI无核密度仪相比传统钻芯取样方法可以做到对路面无损检测[10]。

4 结语

a）沥青混合料发生离析时，其高温稳定性会降低。细集料离析时其动稳定度为无离析沥青混合料的51%，沥青混合料粗集料聚集为轻度、重度时，沥青混合料动稳定度为无离析的76.72%和52.46%。

b）细集料离析时，平均弯曲应变为无离析沥青混合料的187.66%。粗集料聚集时，轻度离析的平均弯曲应变为无离析的86.71%，重度离析的平均弯曲应变为无离析的48.70%。

c）细集料离析的水稳定性高于无离析沥青混合料，其残留稳定度为无离析的109.93%，而粗集料离析的水稳性要低于无离析沥青混合料，轻度离析的残留稳定度为无离析的92.54%，重度离析的残留稳定度为无离析的61.40%。

d）细集料聚集部位的抗疲劳性提高了约10%～23%，而轻度、重度离析沥青混合料的抗疲劳性仅为无离析沥青混合料的35%～64%。

e）通过对山西省某一级公路施工过程中采用空隙率对沥青混合料离析程度进行评价，及时采取一定的控制措施，可以有效提高工程进度和工程质量。