寒冷地区沥青路面低温施工压实度控制试验分析

(1.益阳市交通规划勘测设计院， 湖南 益阳 413000; 2.浏阳现代制造产业建设投资开发有限公司， 湖南 浏阳 410300;3.湖南省交通科学研究院有限公司， 湖南 长沙 410015)

0 引言

沥青混合料摊铺后的后续工作之一就是压实，压实度是评定压实的关键指标，受多种因素影响，如摊铺厚度、碾压温度、机械设备、压实工艺参数等，如若对这些因素控制不当，很容易造成压实度不足等问题，尤其是寒冷地区的压实控制就更需要现场试验来确定压实施工参数[1-2]。一般来说，压实机械设备的功率越大越有利于压实，压实时需要保持较高的压实温度[3]。已有研究表明，一定程度上提高摊铺厚度会影响路面压实度，碾压温度越高越利于压实，但为防止沥青老化碾压温度也不能过高。沥青混合料摊铺厚度与碾压温度对沥青路面压实度影响程度值得试验分析，并且两者影响程度的强弱也需要试验确定，从而确定实现相同压实度下摊铺厚度与碾压温度的等效转换关系。寒冷地区沥青路面低温压实控制的效果决定了整个沥青路面施工质量的好坏及后期维护的频次，科学地进行施工过程中的规律性检测和分析，对于确保寒冷地区沥青路面施工过程中质量控制具有较大的经济社会价值[4]。本文基于寒冷地区低温特点，对沥青路面低温施工压实度控制技术进行试验分析，并确定合适的压实时间，从而指导寒冷地区沥青路面施工实践。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

在选择沥青时，应根据道路所在地区的气候条件，综合道路等级、交通量、交通荷载、路面结构等因素，选择适用的沥青种类和标号。试验公路所在地区为高寒气候特征，极端最低气温为-39.2℃，且夏季同样存在高温时期，极端最高气温35.3 ℃，属于夏热冬严寒气候区，因此在选择沥青标号时需要着重考虑其低温性能，同时兼顾高温性能。

经专家论证，本项目生产改性沥青的基质沥青采用90号A级道路石油沥青。考虑到高寒气候和太阳高辐射自然条件，以及沥青老化迅速的特点，经过认真研究和性能对比，采用SBS改性剂改性90号石油沥青。SBS改性沥青各项指标检测结果如表1所示。

试验所用粗集料及细集料均满足技术要求，检测结果见表2、表3。试验选用的其他原材料经相关试验检验均合格。

1.2 试验方法

基于马歇尔击实法制作相应的成型试件，进行马歇尔试验，来确定相同压实功下试件的密度与摊铺厚度和碾压温度之间的关系。采用与马歇尔标准厚度63.5 mm递增的预定厚度(即63.5、68.5、73.5、78.5、83.5 mm)作为参数。马歇尔击实试件的密度用表干法测试获得，其中表干法测试试件如图1所示。制作试件时对试件正反两面均击实75次，击实中稳定温度，预先设置击实厚度，同时对成型试件进行不同温度下的成型密度和空隙率测试。

表1 SBS改性沥青各项指标检测结果类别针入度(25 ℃)/(0.1 mm)软化点/℃延度(5 ℃)/cm针入度指数PI闪点COC/℃质量损失/%残留针入度比(25 ℃)/%残留延度(5 ℃)/cm密度(15 ℃)/(g·cm-3)设计要求60～80>65>20≥-0.4≥230-1～1.0≥60≥20实测值检测结果74.473.544-0.3246-0.169.932.61.004

表2 粗集料技术指标试验结果类别压碎值/%表观密度/(t·m-3)针片状含量/%0.075 mm以下颗粒/%软石含量/%坚固性/%与沥青粘附性/级洛彬机磨耗损/%规范要求≤20≥2.65≤18≤1≤3≤12≥4≤25检测结果19～26.5 mm—2.7405.60.31.21.4—14.99.5～19 mm13.52.7396.90.61.3—413.54.75～9.5 mm—2.7428.80.61.1——14.22.36～4.75 mm—2.750—0.8———17.0

表3 细集料技术指标试验结果类别表观密度/(t·m-3)含泥量/%亚甲蓝值/(g·kg-1)0.075 mm通过率/%砂当量/%棱角性/s坚固性/%规范要求≥2.6≤3≤3<10≥75≥30≤10检测结果2.7251.41.26.48040.84.0

图1 表干法测试试件

2 试验结果及分析

2.1 温度-击实高度对试件影响分析

设置5组温度值为:100、110、120、130、150 ℃，设置预击实高度为：63.5、68.5、73.5、78.5、83.5 mm。各组试件击实后的高度值如图2所示，不同压实温度下的最终成型密度见表4，不同预击实高度及不同压实温度下的试件成型密度值如图3所示。

图2 不同成型温度-不同预击实高度下的实际击实高度曲线

表4 不同压实温度下的最终成型密度预计击实高度/mm不同温度(℃)下的成型密度/(g·cm-3)100110120130150均值63.52.3652.4232.4492.4682.5132.44468.52.3762.3982.4242.4382.4802.42373.52.3782.3792.3982.4242.4392.40478.52.3122.3902.4222.4792.4012.40183.52.3002.4132.4212.3982.4132.389

图3 不同预击实高度-压实温度下的成型密度

图2为不同温度对试件的击实高度影响结果，当击实温度达到100 ℃后，随着击实温度的增大，击实高度变化不大，与预计击实高度值较为接近，可见，压实温度对击实高度影响可忽略不计。

图3为不同压实温度下的成型密度，同一击实高度下，温度越高，成型密度越大，如63.5 mm击实高度下100 ℃和150 ℃的成型密度差值达到了0.16 g/cm3左右，但同一温度下，不同击实高度下的成型密度变化规律不明显，受击实高度影响较小。同一温度下，如温度为100 ℃时，随着预击实高度的增加，成型密度呈现出波动变化，最大、最小成型密度差值为0.007 8 g/cm3；而当击实高度保持63.5 mm不变时，最大温度与最小温度下的成型密度差值达到0.148 g/cm3。可见，沥青混合料击实温度变化对密度产生的影响大于击实高度变化所产生的影响，即温度比厚度更影响沥青混合料压实度。寒冷地区沥青路面低温施工时，沥青结构层较厚时碾压形成的压实度好于沥青结构层较薄时的碾压密实度，主要原因是较厚沥青层的散热量较较薄沥青层的散热量小，能够持续保持一定温度时间长，因而更利于混合料成型。

2.2 压实度-击实次数相关性试验分析

为综合分析沥青混合料成型温度与密实度间的关系，进行马歇尔试验，以成型温度为变量，一共设置5组温度值：150、130、120、110、100 ℃，试验过程中技术内容有：变换正反击打次数，对击实功率进行调整，进行密度测量，进而获得不同击实功下的混合料最终成型密度，将最终成型密度除以混合料理论密度，进而换算为理论密实度，具体的计算结果如图4所示。

图4 不同试件成型温度下压实度与正反击打次数关系

由图4可知，马歇尔击实次数与马歇尔密度曲线可以分为3个阶段：快速增长阶段、增长放慢阶段、稳定不变阶段。3个阶段对应的马歇尔击实次数不同，如快速增长阶段的击实次数范围为0～35次，增长放慢阶段的击实次数范围为35～80次。随着马歇尔击实次数的增加，马歇尔密度值呈现了先快速增加，后保持不变的趋势。同一马歇尔密度下，对应不同成型温度下的压实次数，如100 ℃时的80次马歇尔密度值对应于120 ℃时的15次马歇尔密度值，显然120 ℃时的击实效率显著高于100 ℃成型温度时的压实效率。

100 ℃时的理论压实度最高可达96%，对于高速公路而言，压实度要求不低于98%，因而采用100 ℃的成型温度是难以获得规定的压实度值的。当温度达到110 ℃时可以获得98.6%的压实度，满足高速公路压实度规定要求，因而可以确定110 ℃能够作为高速公路的最低压实温度。

2.3 成型温度-空隙率相关性分析

检测不同成型温度(90～170 ℃，以10 ℃为增量)时成型试件的空隙率，具体检测结果如图5所示。

图5 不同成型温度下的空隙率变化趋势

由图5可知，随着温度的增加，试件的空隙率逐渐减小，但在温度达到110 ℃后空隙率减少趋势变缓，可将110 ℃认定为沥青混合料压实的关键控制温度，一旦压实温度低于该值时，随着温度降低，空隙率增加值显著。一般地，对于指标在其性能迅速下降阶段的初始温度所对应的温度称之为临界温度，本次试验中确定的临界温度值为110 ℃。

沥青材料的空隙率决定了沥青路面的密实性，沥青路面必须具备一定的密实性，因此保持沥青材料的空隙率不超过规定值很重要。

3 路面低温施工碾压时间控制分析

选择110 ℃作为高速公路沥青混合料施工的最低控制温度，以外界气温为研究变量，设置多个外界施工气温值，考察150 ℃及170 ℃时沥青混合料的有效碾压时间，即沥青混合料出场温度降低到最低控制温度时的时间。分析时认为沥青上面层厚4～5 cm，沥青下面层厚6～8 cm，同时假定8 cm厚度为沥青厚层与薄层分界厚度，具体的试验结果如图6所示。

由图6可知，施工外界气温造成了沥青混合料的有效碾压时间不同，具体表现为：随着外界施工气温的逐渐增大，沥青混合料的有效碾压时间逐渐增大，尤其是沥青下面层的有效碾压时间增长最为明显。沥青混合料的出场温度不同，有效碾压时间也有差异，170 ℃的碾压时间较150 ℃的碾压时间多。尤其是要注意-1 ℃施工时，170 ℃出场温度的上面层的有效碾压时间低于10 min，这是不利于现场施工的，可能造成后期沥青路面质量问题。因此，对于寒冷地区高速公路，为确保98%压实度，需提高混合料有效碾压时间，才能确保压实度满足要求。

图6 不同出场温度及不同面层的有效碾压时间关系曲线

4 结语

本文主要结论如下：

1) 压实温度对击实高度影响可忽略不计，同一击实高度下，温度越高，成型密度越大，但同一温度下，不同击实高度下的成型密度受击实高度影响较小。

2) 温度对成型密度的影响更甚于摊铺厚度所产生的影响。低温工况下进行路面施工时，结构层较厚的路面由于温度衰减缓慢，碾压过程中温度大多高于薄层的，因此较厚的路面摊铺厚度更有利于混合料的压实。

3) 100 ℃时的理论压实度最高可达96%，对于高速公路而言，压实度要求不低于98%，因而采用100 ℃的成型温度是难以获得规定的压实度的。当温度达到110 ℃时可以获得98.6%的压实度，满足高速公路压实度规定要求，因而可以确定110 ℃能够作为高速公路的最低压实温度，110 ℃也是材料达到稳定空隙率的临界温度。

4) 对于寒冷地区高速公路，为确保98%压实度，需提高混合料有效碾压时间，才能确保压实度满足要求。