高速公路沥青混合料生产质量变异性特征及控制措施

□ 宋宗强 杜 鸣 朱 浩 梅 肖

沥青路面作为高速公路建设的部分，具有无接缝、施工快、平整度高、舒适性好、噪音低等优点。路面铺筑质量直接影响通车后的行驶感受、安全性和养护成本。沥青路面施工过程中的各项指标参数都有变异性，尤其是原材料的影响最大。目前，虽然许多工程项目实行了原材料准入制度，但没有进行系统分析。沥青路面使用的原材料种类多，市场原因导致料源不稳定的现象也比较常见。另外，在建设过程中为了控制经济成本，施工企业存在一些盲目赶工期的现象。加之检测手段滞后和不足，日后可能导致沥青路面早期发生各种病害，造成永久性创伤。鉴于此，在沥青路面施工阶段如何控制好施工质量是建设施工单位面临的一个关键问题。

一、国内外研究现状

20 世纪40 年代，美国A.M.Frendent开始了路面可靠度研究。20 世纪60 年代，美国学者Stephens运用统计分析法对沥青混合料原材料变异性展开研究，提出了QC/QA规范纲要。1972 年美国德州在柔性路面设计中开始进行路面可靠性分析，指出路面系统需要在规定年限内达到预定功能。几乎同时，交通运输协会（AASHTO）提出了路面可靠度设计方法，引起了大批学者的重视和研究。到了90 年代，美国在不断完善路面性能规范的基础上，进行了QC/QA 规范推广。进入21 世纪后，根据不同地区的建设特点，QC/QA 规范经过不断完善，全面促进了路面质量的提升，并且能够根据不同地区的外部环境、材料性质、施工工艺、配套机械设备等，通过工程设计阶段和施工阶段制定针对性较强的控制措施，形成了一套相对成熟、便于推广使用的科学化管理程序。

相比之下，我国对高速公路沥青路面施工质量变异性的研究起步较晚，研究方向也较单一，多数主要是偏向于定性分析，而缺乏定量分析，各项检测指标缺乏科学有效的评价方法。国内许多科研工作者逐渐意识到沥青路面施工质量过程控制的重要性，开始对影响沥青路面施工质量的关键参数的变异性进行研究。从国内外研究现状来看，多数研究主要从理论角度对沥青路面施工质量变异性水平问题展开分析，其中一些研究结果并不完全适用于所有地区，还要结合工程实例加强对沥青路面施工质量变异性研究。

二、工程概况、数据收集与分析方法

1.工程概况

宁盐高速公路项目为南京至盐城之间的高速公路。该高速公路线路起自南京六合新篁北，接南京绕越高速，向东经仪征陈集、大仪，高邮送桥、车逻、三垛，再向东在兴化城区南侧通过，止于兴化荻垛，接盐靖高速和拟建的兴东高速，全长约126.6 公里，全线按双向六车道高速公路标准建设，设计时速为120 公里/小时。

2.数据收集

在路面施工质量控制方面：首先，确定并选取对路面质量有关键影响的因素指标；然后，收集和整理这些因素指标的数据；最后，通过科学的分析方法对数据进行分析。在数据收集过程中，如对沥青的数据收集需要对每一批次进场的沥青罐车进行试验检测；对每一批次进场的集料按照规定的频率进行检测；对现场摊铺的沥青混合料随机抽样检测并送回试验室进行抽提、筛分等试验，以获取实时的检测数据，因此必须保证数据的完整性、准确性和及时性。

3.分析方法

对所收集的数据进行分析主要用数理统计分析方法和质量控制管理图法:数理统计分析方法是通过数学期望值、标准差、变异系数等方式分析说明数据的形态特征和离散程度;质量管理图是通过利用质控图中的计量值控制图控制施工生产过程质量的稳定性。

三、沥青混合料生产质量变异性特征分析

1.沥青含量的变异性特征及其相关性分析

沥青含量是影响沥青混合料密实度和强度的重要因素。如果沥青含量低于设计值，混合料强度会降低；如果沥青含量高于设计值，矿料之间的粘结力会增强，混合料强度会提高。但是，沥青含量也不能过高，否则会导致混合料强度下降，因此要确定最佳沥青用量。在沥青混合料生产过程中，要按照设计阶段确定的最佳沥青用量进行生产，不得随意更改。但由于主观和客观的原因，沥青含量无法保持恒定，通过燃烧法和抽提法发现其有一定的变异性，见表1 所列。

表1 路面沥青含量的检测结果

可以看出，通过不同检测方法，沥青含量的变异系数也有一定的变化，主要分布在0.028 ～0.057区间内。

2.沥青含量对沥青混合料性能的影响

沥青混合料生产过程中，沥青含量的偏差会影响骨架的密实性和稳定性，进而改变沥青混合料的结构强度。为了分析这一现象，对上面层AC-13型SBS 改性沥青试验不同含量的沥青进行分析，见表2 所列。

表2 不同沥青含量下形成的沥青混合料试件的指标数值

沥青含量的变化会导致空隙率、稳定度、流值和VMA的变化。从表2 中可以看出，沥青含量低于设计值时，空隙率较高，渗水系数会增加，容易造成路面水损害；沥青含量高于设计值时，高温稳定性较差，容易出现车辙等病害。

沥青含量的大小也关系到日后路面的使用性能，通常体现在耐久性方面。如果沥青含量过低，整体结构稳定性差，混合料强度降低，抗变形能力减弱，将加速沥青的老化；如果空隙率过高，渗水系数也过高，水损害严重，最终将缩短路面的使用寿命。

3.沥青混合料温度变异性及影响因素

（1）温度对沥青混合料施工的重要性。温度是沥青混料生产过程中最敏感的技术指标，也是影响沥青老化的主要因素。如果混合料温度过高，沥青会老化；如果混合料温度过低，压实成型会困难，进而影响路面的平整度和压实度。因此，项目根据当地气候变化复杂的特点提出了沥青面层施工中温度的要求。

（2）温度的变异性分析。选取2023 年6 月中旬连续12 天的上面层施的各阶段温度数据，见表3 所列，期间平均气温约为21℃。可以看出，变异性主要集中在碾压和摊铺环节，碾压温度和摊铺温度的变异系数较大，说明温度变异性主要受摊铺阶段和碾压阶段的影响。其中，天气和周边环境因素是重要的影响因素，导致温度下降速率加快，变异性增强。

表3 路面标段上面层施工温度变异结果

（3）温度变异性的影响因素分析及控制措施。温度变异性的影响因素：①集料的干湿程度潮湿的集料含水量大，加热时间要延长，否则加热不充分、不透彻会导致级配不稳定，出场温度会波动较大，变异系数也会增大；②沥青和集料的加热温度沥青混合料的出场温度由沥青和集料的加热温度共同决定。沥青的加热温度设置一般是恒定的，而集料则要根据干湿程度调整加热温度。但为了防止沥青老化，加热温度要控制在一定范围内；③拌合设备的性能在沥青混合料出场前，要确保干燥滚筒和燃烧器性能稳定。

改善温度损失或变异性的措施：①运输车辆的包裹沥青混合料从出料装载到施工现场的时间段内，要用篷布对运输车辆进行严密包裹，避免运输过程中造成温度损失；②出场温度的调整。摊铺碾压前，根据当日气温情况适当地提高出场温度，以此来抵消天气的影响，但不宜过高，否则容易引起沥青老化；③供料的连续性。沥青混合料的运输与拌合间要衔接顺畅，保证供料的连续性，防止摊铺机因供料不及时而停机等料，否则影响后续碾压环节；④碾压密实的及时性。摊铺机摊铺后马上启动碾压设备，在温度能够保证的情况下尽快碾压密实，同时缩短碾压段落，防止温度损失。

四、沥青混合料生产过程控制措施

1.减小沥青含量变异性特征的措施

（1）项目路面标段采用燃烧炉法测试沥青含量是目前建筑工地常用的方法，其检测数据变异性小。

（2）明确取样间隔次数，通常每铺一车料取一次样。

（3）定期检查拌合楼计量系统，如果出现偏差时，应立即进行标定，保证精度。

（4）保持沥青温度稳定。在沥青混合料生产过程中，沥青含量要保持不变，加热温度尽可能恒定。

2.减小矿料级配变异性特征的措施

（1）集料级配变异性。①保持集料源稳定性；②生产沥青混合料前对集料抽检后进行筛分试验，确保矿料级配稳定，不得擅自更改配合比；③提高料场日常管理水平，确保不同规格的集料分开堆放，各料仓之间设置一定高度隔墙并搭设雨棚，并在料仓口设置明显的标识标牌，防止窜料。各料仓之间要设置隔墙，高度保持在2 米以上，但不宜过高。

（2）沥青拌合楼的要求。①沥青拌合楼热料仓筛网的筛孔设置要合理且符合规范要求，确保每档筛孔在工作时起到相应的控制作用；②定期对沥青拌合楼进行检查，特别是热料仓，如果筛孔有破损或筛板有断裂的情况应及时进行更换。

五、结论

（1）沥青混合料级配的变异性由集料规格、尺寸、级配、拌合楼精确度以及筛孔尺寸等多方面因素引起，要根据规范要求计算出集料颗粒级配的波动范围，其变异系数与筛孔尺寸有关。筛孔尺寸越小，变异系数越大。

（2）沥青含量的变化会导致空隙率、稳定度等变化；沥青含量低于设计值时，空隙率较高，渗水系数也会增加，容易造成路面水损害；沥青含量高于设计值时，沥青的粘结力和润滑作用逐渐凸显，使稳定度增大，空隙率减小。

（3）当沥青混合料的出场温度较稳定时，在运输距离相对固定的情况下到场温度不会波动较大，变异性也比较小；而受当地恶劣气候的影响，摊铺阶段和碾压阶段的温度变异性较大，说明混合料在摊铺和碾压阶段受环境因素影响较大，温度下降速率加快，变异性增强，因此施工过程中要紧密衔接。