高性能瀝青路面空隙率對路面耐用性的影響研究與應用

遲福橋，韓玉成

（中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

瀝青路面的空隙率是瀝青路面設計與施工驗收的關鍵性指標之一，這是因為瀝青路面使用性能很大程度上取決于瀝青混合料的體積特性，主要以瀝青混合料的空隙率、瀝青飽和度和礦料間隙率等來表征。

1 背景

哥斯達黎加32 號公路修復與擴建項目是中美洲洲際公路中大西洋走廊的主要干線，運輸非常繁忙。全年日照變化相差不到1 小時，這就意味著在哥斯達黎加全年的溫度都非常穩定。

設計依據AASHTO 1993 路面設計指南和哥斯達黎加當地要求，確定本項目主線、互通和PSV 采用高性能瀝青混合料面層，上面層為5cm 的SUP-13 高性能瀝青混合料，公稱最大粒徑為12.5mm。

2 瀝青路面上面層配合比簡述

2.1 基質瀝青及改性

基質瀝青采用哥斯達黎加當地公司（AC-30）的瀝青，改性劑采用墨西哥廠家的Elvaloy? 5170 丁苯橡膠SBR 改性劑（摻量為1.5%）和PPA 多聚磷酸穩定劑（摻量為0.2%）。

根據當地計算分析系統哥斯達黎加國家試驗室對區域性能等級定為PG76-22，如圖1 所示。

圖1 瀝青混合料性能等級劃分圖

2.2 瀝青骨料及填料

SUP-13 瀝青混合料配合比集料采用河料通過顎破+反擊破生產。通過瀝青拌合站熱料振動篩分為0～3mm、3～6mm、6～11mm、11～16mm 四檔熱料進行拌合，填料使用當地石灰巖質礦山開采的碎石進行加工磨細作為填料。

2.3 瀝青混合級配

瀝青上面層混合級配如圖2 所示。

圖2 上面層混合料級配曲線圖

3 壓實瀝青混合料漢堡車轍試驗方法

壓實瀝青混合料漢堡車轍試驗方法是美國國家公路與運輸協會為了測試瀝青混合料車轍和受潮等原因引起的過早破壞的敏感性程序。由于浸水條件并且輪轍次數高為20000 次，可以間接地反映出現場瀝青路面由于空隙率原因所導致的路面耐用性指標。計算總變形量、剝落斜率和剝落變形拐點來評價瀝青混合料的抗水損壞性能，使用蠕變斜率來評價瀝青混合料的高溫抗車轍性能。

漢堡車轍儀器是直徑203.2±2.0mm，寬47±0.5mm的鋼輪放在試樣的中心點上方，鋼輪的負載為703±4.5N，鋼輪在試樣上做往復運動，鋼輪每分鐘通過試樣52±2 次，在試樣上鋼輪的速度為0.305±0.02m/s；保存數據。如圖3 所示。

圖3 漢堡車轍根據曲線斜率確定車轍次數圖

4 瀝青路面上面層空隙率選擇及影響

瀝青路面的空隙率是影響其路用性能的一個重要指標，一般來說瀝青路面使用壽命的減少是由于現場壓實的壓實密度過低（由漏壓或壓實遍數過少）而使空隙率變大。對于層厚比較薄的上面層，NCAT（美國國家瀝青技術中心）強調了保持攤鋪機熨平板高度一致的重要性，并且需要在混合料冷卻前碾壓完成，首先要控制好現場熱拌瀝青混合料的空隙率，其次是粗骨料的比例和瀝青混合料的礦料間隙率（VMA）。隨著粗骨料比例的增加，滲透率增加，但在空隙率一定的情況下，隨著瀝青混合料的礦料間隙率（VMA）的增加而降低。所以Brown 等人2004 在NCHRP（美國國家公路合作研究計劃）報告的531 中提到，隨著高性能瀝青方法在1994年美國公路機構報告中增加了關于生產不透水瀝青路面所需的現場空隙率，表明現場的空隙率范圍必須介于3%～8%之間。

在對碾壓完成后的施工路段用鉆機進行取樣，進行空隙率檢測時選用直徑不小于101mm 鉆頭，檢測瀝青路面永久變形時選用直徑150mm 鉆頭。

通過對哥斯達黎加32 公路施工工藝相同的路面取芯檢測永久變形按照AASHTO T324 壓實瀝青混合料漢堡車轍試驗進行統計，如圖4 所示：

圖4 漢堡車轍數據統計圖

通過上表可以看出瀝青路面的空隙率對路面的使用性能非常重要，此試驗數據表明在瀝青路面空隙率高于7%后，瀝青路面的使用壽命開始呈現減少趨勢，而瀝青路面空隙率高于10%，瀝青路面的使用壽命將出非常明顯的下降，降低了瀝青路面的耐用性，隨之而來的就會使路面出現松散、坑洞等病害。

當瀝青路面空隙率低于2%時，由于瀝青路面內部的自由瀝青在較高的氣溫受熱膨脹，會導致瀝青路面出現泛油狀態，這會造成路面摩擦系數較小，對行車安全構成嚴重威脅，而且面層的瀝青含量越來越少，最后導致路面損壞。

考慮到項目所在區域屬于高溫氣候，在空隙率達到2%時路面容易出現路面損壞，為保證常年高溫下自由瀝青在瀝青路面內部的膨脹空間，應使空隙率控制在2.5%以上。另從空隙率與車轍變形關系圖（圖5）中可以看出在空隙率在10%時永久變形變化還在控制范圍內，但是由于所在項目區域氣候條件是降雨比較多的路段所以應嚴格控制，控制空隙率最大為9%。而CR2010中表示現場空隙率控制在3%～8%之間是可以接收。

圖5 空隙率與永久變形關系圖

5 瀝青路面空隙率對現場的應用

根據上文試驗結論可判斷出SUP-13 瀝青面層空隙率在3%～8%是可以接受的，而在空隙率2.5%～3%和8%～9%必須鉆取直徑為150mm 的芯樣用于漢堡車轍測試（AASHTO T324），如不合格必須銑刨。

而瀝青下面層SUP-19 中空隙率在2.5%～3%鉆取直徑為150mm 的芯樣進行APA 永久變形測試（AASHTO T340）結果符合要求后，在鋪設SUP-13 瀝青之前，在該區域鋪設玻纖格柵，如果結果不符合，則必須進行處理。空隙率在8%～9%之間直接在該區域鋪設玻纖格柵然后鋪設SUP-13 瀝青即可。一般選用彈性模量較小的玻纖格柵因其自身具有強度高、伸長率低、耐高溫、重量輕、韌性好、耐腐蝕、壽命長等特點。增大玻纖格柵的彈性模量會增大瀝青層底的應力，模量越大，裂縫尖端的應力會越小，一般不采用。作為強度高、韌性好的玻纖格柵，其作用是抑制應力，釋放應變，同時作為瀝青路面加筋材料，提高兩層結構的抗拉和抗剪能力，從而達到減少裂縫的目的玻纖格柵在瀝青路面夾層中，能夠將上述的壓應力與拉應力分散，在兩塊受力區域之間形成緩沖帶，在這里應力逐步變化而不是突變，減少了應力突變對瀝青面層的破壞。同時玻纖格柵的低延伸率減小了路面的彎沉量，保證了路面不會發生過渡變形。耐高溫車轍，在瀝青路面夾層中使用玻纖格柵，其在瀝青面層中起到骨架作用。瀝青混合料中集料貫穿于格柵間，形成復合力學嵌鎖體系，限制集料運動，增加了瀝青面層中的橫向約束力，瀝青面層中各部分彼此牽制，防止了瀝青面層的推移，從而起到抵抗車轍的作用。

此方法已得到哥斯達黎加當地監理認可，并開始實施。

6 結論

在國內不管是上面層還是下面層都使用車轍試驗機來檢測動穩定度，在我國南方地區夏季持續高溫，降雨量大，只是考慮到高溫車轍沒有考慮到路面浸水的條件，而漢堡車轍試驗方法是在浸水條件下檢測，既能評價上面層的抗水損害性能，也可以評價高溫抗車轍性能，這是可以推廣應用的。

瀝青混合料生產因骨料級配變化原因會導致空隙率有差異，若要將瀝青路面實現較小差異，前期應考察瀝青的骨料級配必須進行控制其穩定單個級配不能相差太大，試驗室需要特別關注瀝青混合料理論最大相對密度。

現場采用核子密度儀檢測壓實度并對其取芯檢測空隙率兩者進行對比，嚴格控制瀝青路面空隙率，現場空隙率控制范圍宜在5%左右，現場確定碾壓遍數后不得隨意更改。