瀝青混合料離析程度對路面性能影響研究

王 鑫

（山西省公路局 太原分局，山西 太原 030012）

近年來我國公路事業不斷發展，瀝青路面因為其優異的平整度、吸振、噪聲小、無接縫、耐磨、施工養護簡便等特點成為我國高等級公路路面的主要結構型式。隨著瀝青路面的迅速發展，其問題也不斷顯現，大部分瀝青路面在投入使用1～3年內均會出現不同程度車轍、裂縫、坑槽、局部泛油等問題。瀝青路面在投入使用初期的破壞往往不是結構性破壞，而是局部的功能性損壞，導致局部功能性損壞的主要原因之一就是瀝青混合料出現了離析[1]。

瀝青混合料離析是指瀝青混合料在熱拌施工過程中在路面上出現分布不均勻的現象，主要是粗細集料分布不均勻。瀝青混合料的離析會影響瀝青路面的路用性能，粗集料聚集的部位空隙率較大，瀝青含量少，容易造成水損害形成坑槽，同時降低混合料的抗拉強度和抗裂性能；細集料聚集區則空隙率較小，無法形成骨架結構，導致瀝青路面高溫穩定性差，容易出現泛油[2]。柳愛群[3]研究了瀝青路面產生離析的原因及防治措施，鄭曉光[4]研究了離析對瀝青路面高溫穩定性、水穩定性及抗疲勞性的影響。本文以我國某一級公路為研究對象，通過室內試驗研究不同程度瀝青混合料的離析對瀝青路面更多路用性能的影響。

1 試驗材料

本次試驗原材料采用我國某一級公路AC-20瀝青混合料面層，在該一級公路上切取試驗所需的試件，試驗所用材料符合相關規范[5]。美國在以往的研究項目中將瀝青混合料的離析分為無離析、輕度離析、中度離析及重度離析4類。該分類主要考慮粗集料離析而未考慮細集料聚集，在此基礎上本次試驗研究以空隙率作為判別離析程度指標將離析程度分為Ⅰ（細集料離析）、Ⅱ（無離析）、Ⅲ（輕度離析）、Ⅳ（重度離析）。用PQI無核密度儀測定試驗材料的密度進而換算成空隙率[6]，并將其分類得瀝青混合料離析程度與空隙率，見表1。

表1 瀝青混合料離析程度判別標準

2 路用性能試驗

2.1 高溫穩定性

我國采用動穩定度來評價瀝青混合料高溫穩定性，現采用車轍試驗測定不同離析程度瀝青混合料的動穩定度。車轍試驗試件在該一級公路上不同離析程度的部位進行切取，試件尺寸為：長300 mm、寬300 mm、厚50 mm。首先測定試件的空隙率，按照離析程度判別標準進行分類，然后進行車轍試驗，試驗過程符合有關規定[7]。試驗結果整理為表2、圖1。

表2 不同離析程度的瀝青混合料動穩定度

圖1 不同離析程度瀝青混合料的動穩定度

由表2、圖1可以看出不同離析程度的瀝青混合料的動穩定度相差較大。無離析的瀝青混合料的動穩定度最大，為5 026次/mm；細集料離析的動穩定度最小，為2 595次/mm，細集料離析瀝青混合料的動穩定度約是無離析的51%。出現粗集料嚴重離析的動穩定為2 637次/mm，僅比細集料離析的動穩定度大。因此瀝青混合料出現離析問題后，動穩定度下降約25%～50%。

根據車轍試驗結果分析其原因為：當瀝青混合料粗集料聚集時，雖然其空隙率較大但依舊可以形成骨架結構，能夠提高其抗車轍性，但是當重度離析時，其壓實度較低，容易出現壓實型車轍；當細集料聚集時，由于粗集料含量少，并且瀝青含量增多，不能形成骨架結構，其混合料容易出現永久變形，抗車轍能力也大幅降低。

2.2 低溫抗裂性

瀝青路面在低溫時依舊能夠保持較好的強度與剛度，但是其抗變形能力有所下降。當氣溫下降較快時，路面面層首先會產生收縮的趨勢，而下部結構層受溫度影響較慢，會約束這種趨勢進而產生拉應力[8]。本次低溫抗裂性試驗通過測定不同離析程度瀝青混合料的彎曲應變來評價離析程度對低溫抗裂性能的影響。

在實驗室制作離析程度不同的試驗試件，尺寸為長250 mm、寬 30 mm、高 35 mm，用 PQI無核密度儀測定其密度并計算空隙率，將其分為不同程度離析的組別，然后進行低溫彎曲試驗，試驗滿足有關規范要求[9]。試驗結果見表3、圖2。

表3 不同離析程度的瀝青混合料彎曲應變

圖2 不同離析程度瀝青混合料的平均彎曲應變

由表3及圖2可以看出瀝青混合料離析程度不同，對其低溫抗裂性影響較大。細集料聚集部位空隙率較低，平均彎曲應變最大，為8 345 με，為無離析瀝青混合料的187.66%。粗集料離析部位的平均彎曲應變均小于無離析瀝青混合料，在重度離析時達到最小，為2 158 με。由此可以得知細集料聚集時其低溫抗裂性能較好，而隨著粗集料的離析，低溫抗裂性能不斷降低，較無離析瀝青混合料降低了14%～51%。

2.3 水穩定性

水損害是瀝青路面的主要病害之一。在車輪與其他動荷載作用下，路面的水會不斷滲入混合料縫隙，產生動水壓力和真空抽吸力，降低瀝青黏附性，使瀝青容易從集料表面剝落，逐漸發展成坑槽等破壞現象。我國要求二級以上公路的瀝青混凝土應具有良好的水穩定性。我國通常采用浸水馬歇爾試驗來測出瀝青混合料的殘留穩定度，以殘留穩定度來評價瀝青混合料的水穩定性，試件浸水殘留穩定度按式×100計算。

對取自現場的瀝青混合料測定其密度并算出空隙率后按離析程度進行分類，然后制成φ63.5的標準馬歇爾試件進行浸水馬歇爾試驗。試驗結果見表4、圖3、圖4。

表4 不同離析程度的瀝青混合料殘留穩定度

圖3 離析程度對MS、MS1的影響

圖4 離析程度對殘留穩定度的影響

由圖3可以看出瀝青混合料的離析程度對穩定度影響較大，尤其是對浸水后的穩定度。當細集料聚集時，其穩定度相對最大，為13.98 kN，并且大于浸水48 h后的穩定度。當粗集料聚集時，隨著離析程度的加劇，其穩定度不斷降低。在嚴重離析時，其穩定度為7.83 kN，浸水穩定度為4.02 kN，浸水穩定度下降速度較快。

由圖4可以看出隨著離析程度的加劇，試件殘留穩定度不斷下降。細集料聚集時，殘留穩定度為91.92%，滿足瀝青混合料水穩性指標。當離析程度為重度時，試件殘留穩定度僅為51.34%，遠不能滿足水穩性要求。

結合表4、圖3及圖4可以得到：細集料的聚集會提高瀝青混合料的水穩定性，粗集料聚集時混合料的水穩定性隨離析程度的加劇而降低。細集料聚集時，其殘留穩定度較無離析瀝青混合料提高了約9.93%；當粗集料聚集時，殘留穩定度下降了7.5%～38.6%，不能滿足瀝青混合料水穩性指標。

2.4 抗疲勞性能

本次試驗采用劈裂疲勞試驗來評價不同離析程度混合料的抗疲勞性，試件采用高度控制旋轉壓實成型，試件高為63.5 mm，直徑為100 mm。試驗儀器為MTS810，試驗溫度為15℃，加載模式為控制應力，應力比為0.3、0.5、0.7,對試件測算出其空隙率，分為4種離析程度后進行試驗。試驗結果見表5。

表5 疲勞試驗結果

將表5整理為柱狀圖，見圖5、圖6。

圖5 離析程度對疲勞壽命的影響

由表5、圖5可以看出應力比為0.3時，疲勞壽命較0.5、0.7時大，當細集料聚集時，疲勞壽命為8 905次，是無離析的109.68%；當粗集料離析時，疲勞壽命顯著降低，為無離析的63.49%和54.62%。應力比為0.5時，細集料聚集時疲勞壽命為1 689次，為無離析瀝青混合料的122.75%；當粗集料離析時，其疲勞壽命要小于無離析瀝青混合料，為無離析時的52.76%、43.75%。當應力比為0.7時，細集料疲勞壽命為607次，為無離析瀝青混合料的119.25%；當離析程度為重度時，疲勞壽命最小僅為179次，為無離析的35.17%，輕度離析時為224次，為無離析的44.01%。因此可以得出：細集料聚集時，其抗疲勞性能提高約10%～23%，當粗集料離析時，抗疲勞性能顯著降低，約為無離析瀝青混合料的35%～64%。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

山西省某一級公路為雙向四車道，是連接市區與該市高速公路入口的重要通道。該一級公路瀝青路面下面層采用7 cm的AC-20，上面層采用5 cm的SMA-16。在施工過程中，下面層攤鋪中局部出現了不同程度的離析現象，嚴重影響了施工進度與工程質量。因此對瀝青路面施工過程中的質量控制顯得極為重要。

3.2 施工質量控制措施

a）混合料類型是離析的內在因素，因此應加強對原材料質量的控制，盡量選取同一采石場的碎石，對來自不同采石場的碎石應進行重新篩分，采用粒徑相當的碎石。

b）嚴格控制拌和及運輸過程。經常檢查拌和機等設備，避免因機械故障造成的集料離析。混合料離析與集料表面的瀝青膜與拌和溫度有關，如果集料表面的瀝青膜比較薄，集料間黏附性相對會較差，易發生離析。影響集料表面瀝青膜厚度的因素主要有：（a）油石比過低會導致瀝青膜較薄；（b）混合料中細集料較多會降低瀝青膜厚度；（c）混合料中粗集料空隙率過高，也會導致集料表面瀝青膜較薄。拌和過程中應該嚴格控制拌和溫度，若溫度過高，瀝青黏性變差，更加容易產生離析現象。在混合料拌和中，也需要足夠的溫度使混合料拌和均勻，但溫度也不宜過高。在向運輸車裝卸混合料時應分層放料，否則會造成大骨料滾向兩側而造成離析。在卸完一斗料后，汽車應挪動一個位置，在混合料均勻分布后再進行二、三層放料，這樣可以使卸下的混合料再次均勻拌和。并且在卸料時，應盡可能將料斗大角度垂直升起快速卸料，避免大骨料先從側面滾出造成堆積而引起離析。同時攪拌場與攤鋪現場距離不宜太遠，并保證運輸通道的平整，避免車輛行駛顛簸。

c）混合料攤鋪過程應嚴格控制攤鋪機的選擇和攤鋪操作。攤鋪機的螺旋輸料器高度合適，使混合料能夠全埋螺旋輸料器；螺旋輸料器的擋料板與地面間隙要小，防止大骨料先從擋板下沿滾落造成下層大料較多而離析；攤鋪寬度不應太寬，否則混合料由螺旋輸料器運輸距離增大，從而導致離析的概率增大；同時攪拌葉片的數量與角度應合適，使混合料得到充分攪拌。

在攤鋪過程中，若是攤鋪機一車料將攤鋪完后關閉送料器，倒入下車料后繼續均勻地送料與布料。攤鋪過程中，攤鋪機不必收料斗同時保持輸料器繼續轉動，此時車廂內兩側會有粗集料，若關閉收料斗會導致最后攤鋪部位粗集料聚集。此時應接著卸下一車混合料，使剩余的粗集料與下一車混合料繼續攪拌均勻后進行攤鋪。

d）添加適量的酰胺類陽離子表面活性劑或胺類等高分子有機酸類抗剝離劑。在加入適量的抗剝離劑后能夠有效提高集料與瀝青的表面黏附性，減輕瀝青離析現象。

3.3 施工檢測與評價

在施工過程中對瀝青混合料首先通過觀察法判斷離析程度，在攤鋪完成后采用PQI無核密度儀對路面進行密度測試，在換算為瀝青混合料空隙率后對離析程度進行判斷。瀝青混合料離析評價標準見表6。

表6 瀝青混合料離析程度評價標準

在瀝青混合料施工過程中采用PQI無核密度儀能夠做到及時快速，同時PQI無核密度儀相比傳統鉆芯取樣方法可以做到對路面無損檢測[10]。

4 結語

a）瀝青混合料發生離析時，其高溫穩定性會降低。細集料離析時其動穩定度為無離析瀝青混合料的51%，瀝青混合料粗集料聚集為輕度、重度時，瀝青混合料動穩定度為無離析的76.72%和52.46%。

b）細集料離析時，平均彎曲應變為無離析瀝青混合料的187.66%。粗集料聚集時，輕度離析的平均彎曲應變為無離析的86.71%，重度離析的平均彎曲應變為無離析的48.70%。

c）細集料離析的水穩定性高于無離析瀝青混合料，其殘留穩定度為無離析的109.93%，而粗集料離析的水穩性要低于無離析瀝青混合料，輕度離析的殘留穩定度為無離析的92.54%，重度離析的殘留穩定度為無離析的61.40%。

d）細集料聚集部位的抗疲勞性提高了約10%～23%，而輕度、重度離析瀝青混合料的抗疲勞性僅為無離析瀝青混合料的35%～64%。

e）通過對山西省某一級公路施工過程中采用空隙率對瀝青混合料離析程度進行評價，及時采取一定的控制措施，可以有效提高工程進度和工程質量。