碾壓組合工藝對瀝青面層壓實度與抗滑性能的綜合影響

咸紅偉，陳富達

(1.廣東省公路建設有限公司，廣州 510623；2.華南理工大學，廣州 510641；3.廣州肖寧道路工程技術研究事務所有限公司，廣州 510640)

0 引言

工程實踐表明，瀝青路面的壓實度是影響瀝青路面早期損害及其使用壽命的關鍵因素[1]。若壓實度偏低，瀝青路面將更容易產生坑槽、車轍與松散等病害。早期建設的高速公路路面施工過程中一般通過簡單的增加鋼輪、膠輪壓路機的碾壓次數來提高壓實度。然而，此類做法雖大多數情況下能滿足瀝青路面堅實、耐久的結構性能需求，但同時也較大地削弱了瀝青路面安全抗滑的功能屬性要求。壓實度過高，往往以犧牲瀝青路面早期抗滑性能為代價，具體表現為過度碾壓造成瀝青路面表面構造深度變小，集料“臥倒”比例過高、集料表面被壓碎等。因此，如何科學確定碾壓組合工藝與不同碾壓工藝的實施時機，在確保瀝青路面壓實度的同時，維持道路表面具有足夠的粗糙度，是瀝青路面表面層施工的一個關鍵技術問題。

近年來，國內外相關學者在瀝青面層碾壓工藝方面開展了大量的研究，但大多集中于碾壓工藝與壓實度的關聯性研究，對于碾壓與路面結構性和路表功能屬性的綜合關系研究較少。廖宏、Crispino M等人通過碾壓設備選型、改善碾壓組合工藝的方式，提高了瀝青路面的壓實度質量[2-3]；Hanguang L等人從能量等效角度分析了瀝青混合料壓實特性與碾壓遍數的相關性[4]；石鑫、楊曉光、Plati等人分別通過采用建立碾壓溫度場數值分析模型與紅外熱成像的方式探究了碾壓溫度對瀝青混合料壓實特性的影響[5-7]。有的學者如劉志華和肖常青等人分別探究了不同碾壓工藝對新建SMA路面和抗滑表層AK-13的初始抗滑性能的影響程度[8-9]，但對碾壓與結構性要求的關系未做充分論證。

鑒于目前針對碾壓工藝與成型路面的壓實度、初始抗滑性能的綜合研究較少，本文通過依托廣東省某高速公路建設項目的瀝青上面層，采用路面激光抗滑儀和無核密度儀等對不同碾壓組合工藝與瀝青路面壓實度與抗滑性能的相關性開展了研究。

1 試驗段鋪筑

1.1 原材料

瀝青材料采用廣東南粵物流實業有限公司供應的SBS改性瀝青(PG76-22)，粗集料采用貴港市石牛嶺石場生產的10～18mm、5～10mm和3～5mm輝綠巖碎石，細集料采用自加工的0～3mm石灰巖機制砂，填料采用興安縣鴻翔礦石粉廠生產的石灰巖礦粉。經試驗驗證，原材料的各項技術指標均滿足規范與設計要求。

1.2 混合料級配組成

結合廣東地區長期炎熱多雨的氣候特點，瀝青上面層采用GAC-16C改進型骨架密實型級配。以4.75mm篩孔作為關鍵控制點調整礦料組成，適當增加粗集料用量，搭建混合料的骨架嵌擠結構，以提高瀝青上面層的高溫抗車轍能力以及抗滑耐久性。根據不同粒徑規格礦料的篩分結果，試驗合成目標配合比后，調整各檔規格料熱料篩分及試拌試鋪效果，調整得到試驗段施工采用的生產配合比，如圖1所示。

圖1 GAC-16C生產配合比級配曲線

1.3 碾壓組合方案

項目采用1臺中大DT1900型攤鋪機、3臺鋼輪壓路機與3臺膠輪壓路機進行瀝青上面層試驗段鋪筑碾壓，瀝青混合料生產油石比為4.6%。施工樁號為YK353+600～YK354+650，共攤鋪1.05km。試驗段鋪筑當天共采用4種不同的碾壓方案進行比選，其中初壓均為雙鋼輪前靜后振1遍，終壓均為雙鋼輪收光1～2遍。復壓方案有所區別，分別為方案一：鋼輪7遍+膠輪2遍； 方案二：鋼輪5遍+膠輪2遍；方案三：鋼輪4遍+膠輪2遍；方案四：鋼輪3遍+膠輪2遍+鋼輪2遍。

2 級配驗證與溫度控制

2.1 瀝青含量及礦料級配驗證

對4個碾壓段落的GAC-16C瀝青混合料分別進行取樣，采用燃燒法驗證其瀝青用量與礦料級配的變異性，試驗結果如圖2所示。結果表明，4個碾壓段落的GAC-16C瀝青混合料的礦料級配與瀝青含量基本一致，與生產配合比的偏差亦滿足設計要求。

圖2 四種碾壓方案的燃燒篩分結果比對

2.2 現場溫度控制

施工過程中的保溫措施完善，裝載混合料的運輸車均用符合要求的篷布滿幅覆蓋，且嚴格控制在前一輛車開始卸料時方才掀開篷布，防止混合料溫度散失；另外，各施工工序實施較為緊湊，按照及時卸料、不間斷攤鋪、緊跟碾壓的原則開展作業，確保混合料在各施工階段的溫度變異較小。各碾壓方案的卸料溫度與復壓溫度(初壓結束后)統計如圖3所示。

圖3 不同碾壓方案的卸料溫度與復壓溫度統計

綜上可知，不同碾壓路段的瀝青混合料無論在礦料級配、瀝青含量與施工溫度控制上均具有良好的一致性，不同方案段落的材料、攤鋪施工、溫度控制等較為均勻，為對比后續不同碾壓方案下的壓實度與抗滑性能提供了良好的前提條件。

3 現場測試

3.1 壓實度與滲水系數測試

瀝青路面材料的密度與介電常數之間存在一定的比例關系，通過無核密度儀的感應板產生探測磁場可以測試獲得瀝青混合料的介電常數，并利用電子部件將場信號進行轉換，最終獲取瀝青路面的平均密度，據此能夠分析瀝青路面的壓實度與均勻性[10-11]。為了研究不同碾壓組合工藝對瀝青路面壓實度的影響，采用PQI380無核密度儀對4個段落進行壓實度檢測(本次測試以最大理論壓實度進行對比)。此外，滲水系數同樣是檢驗瀝青路面密實度的一個重要指標，滲水系數越大，說明瀝青路面的剩余空隙率或內部的連通孔隙較多，路面壓實度與密水性能無法得到充分保證。本次測試在待檢區域共采集1 189個無核密度數據，12個滲水系數數據。數據統計見表1，由無核密度儀測試所得的壓實度分布如圖4所示。

表1 4個碾壓段落壓實度對比統計分析

圖4 不同碾壓方案的壓實度測試結果

根據壓實度測試結果(圖4)可知，方案一(鋼輪7遍+膠輪2遍)與方案二(鋼輪5遍+膠輪2遍)的壓實度均值分別為95.23%與95.72%，且整體路段壓實度不足(處于91%～93%)的比例分別為14.67%和9%，均低于其余兩種碾壓組合工藝。此現象說明鋼輪碾壓次數越多，瀝青路面的壓實度將略有下降。滲水測試結果(圖5)亦表明方案一與方案二的滲水系數(17ml/min和23ml/min)同樣遠大于其余兩種碾壓組合工藝(9ml/min和4ml/min)。

圖5 不同碾壓方案的滲水系數測試結果

分析其原因，主要是由于隨著鋼輪碾壓作用次數增多，瀝青混合料的溫度在鋼輪碾壓階段有所下降，采用膠輪壓路機進行碾壓的時機也相應延后。在溫度較低的情況下，膠輪壓路機的搓揉提漿作用將有所降低，即無法再提高路面的壓實度，同時使得密水性能也出現一定程度的降低。

3.2 抗滑性能測試

構造深度(TD)是瀝青路面抗滑性能驗收的基本指標之一，主要用于評價路面的宏觀粗糙度與排水性能，一般采用人工鋪砂法進行測試，測試結果的準確性受人為影響與試驗熟練度影響較大。而平均斷面深度(MPD)是目前大面積檢測瀝青路面宏觀紋理的常用參數[12-13]，主要通過激光掃描技術(圖6)，獲取路表的輪廓曲線，以100mm為取樣長度，將曲線平均分為兩段，將每一段的峰值取平均值后，與整段的平均值的差值，即可得到MPD。相比TD指標，基于激光紋理掃描技術的MPD指標克服了人工誤差，更能準確反映路表輪廓深度的真實情況。此外，為了更全面地評價瀝青路面的抗滑性能，同時開展了擺式摩擦系數和橫向力系數的測試。各項指標的檢測結果見表2，不同碾壓段落的三維輪廓構造如圖7所示。

圖6 激光紋理掃描技術

表2 路面抗滑性能測試結果

圖7 不同碾壓段落的三維輪廓構造

由表2可知，TD與MPD指標的測試結果具有良好的一致性：方案一與方案二的構造深度(TD)與平均斷面深度(MPD)明顯高于方案三與方案四。此外，從圖7同樣可以發現，方案三與方案四的碾壓路段路表存在較厚的瀝青膠漿，覆蓋了部分表面構造，而方案一與方案四的路表形貌則相對存在更豐富的宏觀構造。說明鋼輪作用次數增多，采用膠輪碾壓的時機越晚，同時隨著瀝青混合料溫度的下降，瀝青路面內部的瀝青膠漿將愈難被搓揉擠壓至路表，有利于表面構造深度指標的提升。

另外，從表2可以發現，除方案四以外，其余三種碾壓組合工藝的橫向力系數與擺式摩擦系數測試結果均較為接近，分別在66BPN和74BPN左右。方案四的橫向力系數和擺式摩擦系數分別為70.14BPN和77BPN，略高于其余三種碾壓組合方案。究其原因，可能是因為方案四碾壓路段的路表膠漿較多，且尚未經受過多的車輛荷載作用，膠漿與擺式摩擦系數測試儀的橡膠塊、橫向力系數車的測試輪之間的粘滯效應較強，從而使該方案的測試結果偏大。

3.3 輪廓峰頂夾角分析

級配設計、施工工藝的不同將影響粗顆粒之間的嵌擠狀態，導致路表顆粒呈現不同直立狀態(與水平呈直角、銳角、鈍角等)和構造形式(圖8)，從而影響輪胎的抗滑效果[14-15]。尤其是降雨造成路面潮濕的狀態下，路表微觀紋理的抗滑效應將大幅下降，此時宏觀構造與輪胎間的抗滑將成為關鍵。其中，與路面形成銳角或處于直立狀態的顆粒能夠提高與輪胎的機械咬合力，增大輪胎的剪切形變，從而提高瀝青路面與輪胎直接的摩擦力與粘滯效應。因此，研究不同碾壓組合工藝與路表顆粒的宏觀輪廓峰頂夾角之間的關系，統計并分析各種狀態下的集料顆粒分布概率，對提高瀝青路面抗滑性能具有一定意義。本文通過激光紋理掃描并重構路面輪廓構造圖的方式，利用計算機編程對顆粒與路面之間的宏觀輪廓峰頂夾角進行統計分析，結果見表3。

圖8 顆粒與路面之間的宏觀輪廓峰頂夾角

表3 顆粒宏觀輪廓峰頂夾角分布概率 (單位：%)

由表3可知，四個碾壓路段各狀態下的顆粒宏觀輪廓峰頂夾角分布概率基本一致：小于45°的分布概率基本為6%，處于45°～90°的分布概率基本為6.5%，處于90°～135°的分布概率基本為17%，處于135°～180°的分布概率基本為70.5%。說明在同一級配下，瀝青路面表面顆粒與路面的輪廓峰頂夾角與碾壓組合作用方式、膠輪壓路機的碾壓時機并不存在密切的關聯性。究其原因，可能是在初壓階段或復壓的初始階段，混合料溫度較高的情況下，路表集料顆粒在鋼輪壓路機的振動碾壓作用下發生一定的空間轉動與重新排列，并達到穩定嵌擠的狀態。因此，復壓后半階段鋼輪壓路機作用次數的增多與膠輪壓路機的搓揉作用，均未對顆粒與路面之間的宏觀輪廓峰頂夾角造成影響。

另外，在對四個碾壓路段進行巡查時發現，方案一的碾壓路段出現較多表面集料被壓碎磨光的現象。結合以上分析可知，集料在復壓后半階段已經基本達到骨架嵌擠的狀態。在此狀態下，若仍然增加采用鋼輪振動碾壓的次數，很大程度上會對集料的表面棱角甚至集料本身造成破壞，導致表面集料被壓碎、磨光，因此，最終綜合考慮選擇方案三。

4 結語

本文通過借助無核密度儀、激光掃描技術、常規抗滑測試與滲水試驗對四類不同碾壓組合工藝下的瀝青路面進行了壓實度與抗滑性能的綜合評價，并就碾壓組合工藝對瀝青路面壓實度與抗滑性能的影響進行了研究分析，得出如下結論：

(1)瀝青路面施工過程中碾壓組合工藝的不同，對瀝青路面的壓實度與構造深度具有一定的影響。鋼輪壓路機作用次數越多，膠輪碾壓實施的時間越晚，瀝青路面的壓實度會相對越小，表面構造深度相對越大。

(2)相同實施條件下，不同碾壓組合工藝對瀝青路面的擺式摩擦系數、橫向力系數與集料宏觀輪廓峰頂夾角的影響不明顯。

(3)激光掃描技術檢測得到的構造深度結果與傳統鋪砂法試驗結果一致性較好，能有效區分不同碾壓方案的抗滑性能差異。