基于不同压实状态下的OGFC排水路面结构性能及施工控制

2022-01-06刘坤城颜俊键

广东公路交通 2021年6期

刘坤城,颜俊键

(1.广东大潮高速公路有限公司，广东大埔 514245；2.广州肖宁道路工程技术研究事务所有限公司，广州 510640)

0 引言

近年来，沥青路面结构设计越来越有针对性，不同路段沥青路面所处环境不同，所设计铺装层的结构性能需求不同。在路面水膜厚度较大或路面排水不畅的路段，设置OGFC排水路面能有效提高行车安全性及舒适性[1]。目前在广东OGFC排水路面尚未大面积推广，施工经验相对欠缺，在某些项目上存在OGFC排水式路面过压、空隙率偏小等现象。而空隙率偏小对排水路面的实际排水性能是否存在影响，其结构骨架又会出现何种变化，同时由于沥青、碎石等存在差异，现场压实功与室内压实功如何匹配，是OGFC排水路面施工亟待解决的问题。

本文基于广东某高速公路项目，针对OGFC排水路面施工实际存在的问题，通过室内试验分析同一生产配合比不同空隙率下，搓揉机搓揉不同时间后对渗水系数的影响，并结合数字图像法对芯样骨架接触点进行分析，研究不同空隙率下芯样骨架的嵌挤情况。通过室内粘温粘实试验，研究高粘度复合改性沥青的粘温粘实曲线，确定OGFC各施工阶段温度的控制区间，同时采用红外温度成像仪和无核密度仪进行温度和压实度检测，探究特定机具组合下的碾压工艺，以指导OGFC沥青混合料的施工。

1 OGFC路面施工概况

某项目进行OGFC排水路面试验段施工，生产配合比见表1。

表1 OGFC-13生产配合比

试验段采用两种碾压方案进行施工，碾压方案见表2。

表2 OGFC-13施工碾压方案

施工完成后，取芯进行压实度检测，压实度检测结果见表3，芯样如图1所示。从芯样空隙率检测结果可知，两种碾压方案对应的芯样空隙率均偏小，碾压方案1和碾压方案2对应芯样的空隙率均值分别为19.0%和18.2%。而热料筛分和燃烧筛分的结果与设计配合比筛分结果偏差不大，误差均满足设计要求，由此可见，空隙率偏小并非施工配合比变异所致。从芯样压实度检测结果可知，两种碾压方案对应芯样的马歇尔压实度均存在超100%现象，故实际施工时存在明显的过压现象。

表3 芯样检测结果

图1 OGFC芯样

2 空隙率对OGFC结构及性能的影响

由于施工时存在过压现象，为探究过压状态下对路面排水性能、路面结构骨架嵌挤效应是否存在影响，本文按照生产配合比掺配比例，通过试验车辙板压实遍数控制目标空隙率，分别以空隙率18%、19%、20%和21%为目标空隙率成型8块车辙板(图2)。每个空隙率成型2块车辙板，其中空隙率21%为标准空隙率。

图2 OGFC-13车辙板

2.1 OGFC混合料路用性能衰变对渗水性能的影响

本文采用搓揉试验机模拟车轮荷载对OGFC排水路面的二次压实场景。搓揉试验机设置温度为70℃，轮压为0.7MPa，对4块车辙板分别进行搓揉试验，且在搓揉1h、2h、4h和8h时分别进行渗水试验。为保证试验的准确性，在完成渗水试验且车辙板自然风干至质量不再变化后，再继续进行搓揉试验，试验结果如图3所示。

图3 空隙率与渗水系数的关系

由图3可知，对于初始空隙率，随着空隙率的逐渐增大，渗水系数也逐渐增大，但要满足渗水系数≥4800ml/min的设计要求，空隙率应不小于19%。结合本次试验段来看，当碾压遍数为7遍时，空隙率为18.2%；碾压遍数为6遍时，路面实际空隙率为19.0%，因此，当碾压遍数为6遍时仍存在过压现象。随着搓揉时间的增大，渗水系数逐渐减小。对于空隙率为18%和19%的试件，当搓揉2h后渗水系数值趋于稳定，变化不大；对于空隙率为20%和21%的试件，搓揉4h后渗水系数值才趋于平稳。由此可见，当施工碾压阶段对OGFC混合料进行过度碾压时，在其开放交通后，OGFC排水路面在行车荷载的作用下会二次压密，且其排水性能会较快衰减至一个较低的水平，而控制合适的初始空隙率能有效延长排水路面的使用寿命，保持相对良好的排水性能。

2.2 空隙率对芯样骨架效应的影响

按照标准击实功下，本次试验的OGFC混合料的目标空隙为20.9%，故在同一配合比下无法直接通过制作马歇尔试件达到目标的空隙率。本文通过车辙板取芯的方式获取直径为10cm的圆形芯样，每个车辙板获取1个芯样，参考文献[2]的试验方法，计算芯样的粗集料接触点数量。试验步骤：(1)对芯样进行切片，截取37个断面图像，并采用CCD数码相机获取切片断面图像。(2)采用IPP图像处理软件批量对获取的图像进行去噪点和二值化处理。(3)采用MATLAB软件编写的程序计算每颗粗集料的等效直径并编号。本次粗集料最小计算粒径为2.36mm，设置的接触阈值为最小计算粒径的23%，为0.54mm。(4)记录相互接触的粗集料粒径和编号、接触点数量等信息。断面图像处理及分析如图4所示。

图4 芯样断面处理及分析

接触点数量分析结果如图5所示。由图5可知，对于同一级配，随着压实度的增大，即随着空隙率的减小，粗集料接触点数量虽有所增加，但接触点数量相差不大，因此在过压情况下，对路面结构骨架嵌挤作用有所提高，但相比标准空隙率下的骨架嵌挤作用提升并不明显。

图5 不同空隙率芯样粗集料接触数量

3 沥青粘温粘实试验

为更好地指导OGFC沥青路面的施工，对OGFC混合料的高粘度复合改性沥青进行粘温粘实试验，确定合适的碾压温度区间[3]。本文选用OGFC路面使用的高粘复合改性沥青进行粘温粘实试验，试验结果如图6所示。

图6 高粘复合改性沥青的粘温曲线

由图6可知，当沥青温度高于120℃时，高粘复合改性沥青的粘度较小，当温度低于120℃时，粘度急剧增大，该情况下，路面压实度难以再提高，故建议在120℃前应完成复压，110℃前完成沥青路面的收光工作。OGFC沥青混合料推荐施工温度见表4。

表4 OGFC沥青混合料推荐施工温度(单位：℃)

4 碾压工艺试验

本文采用红外温度成像仪进行选点，使用无核密度仪(PQI380)进行压实度检测，分析不同碾压遍数下的沥青路面压实度变化[4]。

红外成像技术一般采用波段为3～30μm的中远红外波段对物体进行红外成像[5]。本次采用的红外成像仪型号为FLIR one pro，其波长范围为8～14μm，其他性能参数见表5。

表5 红外成像仪(FLIR one pro)性能参数

红外温度成像仪的原理为物体发出的红外辐射被光学元件聚集至探测器上，并由探测器将入射的辐射转换成电信号，进而处理为可见图像[6-7]。根据黑体辐射定律，任何物体均会向外界释放热辐射，发射率范围为0～1。只要知道了材料的发射率，就能得知物体的红外辐射特性，沥青混合料的发射率约为0.95[8-9]。

本文通过红外温度成像仪探测摊铺面的温度均匀性，共选用4个温度均匀且温度不低于165℃的点进行压实度检测，并进行标记，每次每测点检测5个数值[10]。无核密度仪每测点检测如图7所示。在OGFC排水路面碾压成型后，在标记点进行现场压实度检测，并取芯进行室内压实度试验。对无核密度仪检测数据进行标定，修正后的现场压实度检测结果见表6。由表6可知，在正常温度下，双钢轮碾压3遍后，OGFC-13的压实度已大于98%。因此，基于本次测试结果，建议保持现压路机配置，在正常温度下使用双钢轮静压4遍。

图7 无核密度仪单点检测

表6 压实度检测结果

5 OGFC-13施工及应用效果

根据粘温粘实试验及碾压工艺试验结果，进一步调整施工方案，指导现场施工，调整后的碾压方案见表7，调整后的混合料出料温度、碾压温度按表4进行控制。根据上述混合料温度控制及碾压方案进行施工，现场施工效果良好，过压现象显著减少。现场检测数据显示孔隙率均值为20.5%，芯样检测结果见表8，渗水系数及其他指标检测结果均能满足设计要求。