双层沥青路面压实特性的影响因素

陈 豫，谭云鹏，蒋应军，陈浙江，李寿伟

(1.婺城区公路管理段，浙江 金华 321000；2.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064； 3.金华市公路管理局，浙江 金华 321000)

0 引 言

双层一次摊铺路面是指同时摊铺、同时将上、下面层混合料碾压成型的路面结构。与传统分层摊铺工艺相比，双层一次摊铺工艺是一种“热接热”的新型摊铺工艺，可使两层沥青混合料相互嵌挤，形成良好的整体性，并可节省黏层油，延长压实时间，减小磨耗层厚度[1-3]。压实特性良好的热拌沥青混合料应表现为施工期间易于压实，并达到设计要求的体积参数[4]。双层一次摊铺工艺的专用机械在摊铺作业时对下面层的夯实压实度可达到90%左右[5]，使得沥青混合料更易于压实。

近年来，国内外道路工作者针对双层一次摊铺沥青路面的压实特性进行了一些研究。英国交通运输研究实验室(TRL)的Morgan等研究了双层一次摊铺工艺在大空隙沥青混凝土路面施工中的应用，认为双层一次摊铺技术能够适应不同气候与和环境条件，提高路面压实度；田丰等认为采用戴纳派克摊铺机实施沥青摊铺，可使沥青混合料在较高的温度下延长压实时间，与传统分层摊铺相比至少可提高3%的压实度[6]；石福周通过室内试验结合工程实践，指出在压实设备配置和碾压遍数相同的情况下，上、下沥青层的压实度都比传统分层摊铺有所提高[7]；穆柯通过室内正交试验发现，温度对混合料密度的影响大于厚度对密度产生的影响，并为双层一次摊铺的压实提供了理论依据[8]；王朝辉等采用双层一次摊铺温度散失模型预估有效碾压时间与温度，并铺筑试验路，检测结果表明压实度满足要求，验证了模型的精确性[9]；刘刚等结合双层一次摊铺在浏醴高速公路沥青路面施工中的实际应用情况，进行了现场压实度检验，与分层摊铺工艺对比，发现双层一次摊铺工艺下的沥青面层压实度更高[10]。上述成果并未涉及混合料类型、结构层厚度对双层一次摊铺路面压实特性的影响。鉴于此，本文以10 cm双层沥青路面为研究对象，通过室内击实试验比较了相同压实度下传统分层摊铺工艺和双层一次摊铺工艺所需的压实功，研究了混合料类型、结构层厚度对双层一次摊铺沥青路面压实特性的影响。

1 研究方案

1.1 原材料

1.1.1 沥青

所用沥青为新加坡Esso A-70号道路石油沥青，技术指标见表1。

1.1.2 集料

上面层粗集料采用商洛市商州区兴达采石场生产的斜长角闪岩集料，下面层粗集料、细集料采用洛南县正泰矿业有限公司生产的石灰岩集料，技术指标均满足规范要求。

1.1.3 矿粉

采用洛南县正泰矿业有限公司生产的石灰岩矿粉，技术指标满足规范要求。

1.1.4 黏层油

黏层油采用SBS(I-C)改性沥青，技术指标见表2。

表1 沥青的技术指标

表2 SBS(I-C)改性沥青的技术指标

1.2 试验方案

1.2.1 摊铺工艺对双层路面压实特性的影响

摊铺工艺拟采用分层摊铺、分层压实的传统工艺和双层一次摊铺工艺。结构层厚度拟采用上面层4 cm，下面层6 cm。

传统工艺试件采用《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)中的大型马歇尔击实方法成型，试件直径为152.4 mm，高度由单层摊铺马歇尔试件成型后实测得到。根据试件密度、高度和试模截面积确定沥青混合料质量，用马歇尔击实仪击实混合料双面，然后取出试件。为了模拟厚度为10 cm的结构层，分别成型上、下面层试件，试件总高度为10 cm。

双层一次摊铺马歇尔试件制备工艺如下。

(1)根据下面层混合料的密度、高度和试模截面积确定沥青混合料质量，进行拌合，装入直径为152.4 mm的马歇尔试模，经人工预压初平后放入烘箱中保温。

(2)根据上面层混合料的密度、高度和试模截面积确定沥青混合料质量，进行拌合，取出烘箱中下面层混合料的马歇尔试模，装入拌合完毕的上面层混合料。

(3)用马歇尔击实仪分别双面击实混合料92、112、132、152、172次，然后取出双层一次摊铺马歇尔试件。

1.2.2 路面结构对双层路面压实效果的影响

研究了不同路面结构对双层一次摊铺路面压实特性的影响，结构层厚度拟采用3 cm上面层加7 cm下面层、4 cm上面层加6 cm下面层、5 cm上面层加5 cm下面层3种组合类型，上面层混合料拟采用AC-13、AC-16，下面层混合料拟采用AC-20、AC-25，各混合料矿料级配见表3。采用马歇尔试验方法进行沥青混合料配合比设计，各混合料在最佳油石比下的马歇尔试验结果见表4。

表3 不同类型沥青混合料所用的矿料级配

表4 最佳油石比下的马歇尔试验结果

1.3 压实特性评价方法

1.3.1 密度计算

双层一次摊铺马歇尔试件的密度用加权毛体积密度ρj来表示，并作为双层一次摊铺路面的标准密度，其计算公式为

(1)

式中：hs、hx为上、下面层的厚度(cm)；ρs、ρx为上、下面层混合料的毛体积密度(g·cm-3)。

1.3.2 压实度

传统的分层摊铺路面的压实度kc以单层摊铺马歇尔试件实测毛体积密度ρc和试件标准毛体积密度ρ的比值来计算。双层一次摊铺路面压实度ks以双层一次摊铺马歇尔试件实测毛体积密度ρs和加权毛体积密度ρj的比值来计算，即

(2)

1.3.3 混合料压实功

压实功以落锤势能消耗来计[11]，试验仪器采用大型马歇尔击实仪，击实锤质量为10.210 kg，从457.2 mm的高度自由落下，完成正、反面击实。由于每次的击实功均相同，压实仅与击实次数相关，因此本文以击实次数来评价压实功，并与传统路面结构上面层4 cm厚AC-13、下面层6 cm厚AC-20作对比。《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)中公路热拌沥青混合料的验收质量标准为：压实度不得低于实验室标准密度的98%。成型马歇尔试件以压实度达到98%时对应的击实次数为准，传统摊铺工艺下试件的击实次数记为Nc，双层一次摊铺工艺下试件的击实次数记为Ns。

2 试验结果及分析

2.1 摊铺工艺对压实特性的影响

2.1.1 传统分层摊铺工艺下的压实度与击实次数

4 cm厚AC-13混合料及6 cm厚AC-20混合料的压实度与击实次数之间的关系见表5、图1。

由表5可知，若采用传统摊铺工艺制备上面层4 cm厚AC-13、下面层6 cm厚AC-20的马歇尔试件，压实度达到98%时击实次数为113次。

2.1.2 双层一次摊铺工艺下的压实度与击实次数

不同类型沥青混合料双层一次摊铺路面的压实度与击实次数之间的关系见表6和图2。

表5 传统摊铺工艺下不同类型沥青混合料的压实度达到98%所需击实次数

表6 双层一次摊铺工艺下不同类型沥青混合料的压实度达到98%所需击实次数

图1 传统摊铺工艺下不同类型沥青混合料的压实曲线及拟合公式

图2 双层一次摊铺工艺下不同类型沥青混合料的压实曲线及拟合公式

由表5、6可知，随着混合料粒径的增加，所需的击实次数随之增大，不同类型混合料的双层一次摊铺马歇尔试件压实度达到98%时，击实次数均小于传统摊铺工艺下的上面层4 cm厚AC-13、下面层6 cm厚AC-20的马歇尔试件。这主要是因为，双层一次摊铺工艺使得两层混合料相互嵌挤，更易于压实。因此，采用双层一次摊铺工艺更易于沥青混合料的压实。

2.2 混合料类型和结构层厚度对压实特性的影响

不同混合料类型、结构层厚度的双层一次摊铺路面压实度ks随击实次数Ns变化的压实曲线见图3。

图3 不同混合料类型的双层一次摊铺路面压实曲线

由图3可知，对于不同沥青混合料类型组合的马歇尔试件，压实度随着击实次数的增加而逐渐增大。压实度为98%时的击实次数见表7。

由表7可知，压实度达到98%时，与用传统工艺施工的上面层4 cm厚AC-13、下面层6 cm厚AC-20沥青路面的击实次数对比，发现采用双层一次摊铺工艺，除了上面层AC-16、下面层AC-25，其他类型路面结构的击实次数均少于传统路面。混合料类型为上面层AC-13加下面层AC-20时击实次数最少，比上面层AC-16加下面层AC-20、上面层AC-13加下面层AC-25以及上面层AC-16加下面层AC-25的击实次数平均减少4.1%、6.7%和13.8%；混合料类型相同时，上、下面层厚度的变化对双层一次摊铺路面压实的影响很小，击实次数变化不超过10%。由文献[12]可知，温度对混合料密度的影响程度大于厚度对密度的影响。双层一次摊铺工艺延长了有效碾压时间，总厚度一致时，上、下面层厚度并非影响压实特性的主要因素。对于下面层混合料，AC-25的公称粒径比AC-20大，AC-25的集料间嵌挤力和内摩阻力也更大；对于上面层，AC-16的集料间嵌挤力和内摩阻力大于AC-13。由文献[13]可知，在混合料压实过程中，集料颗粒的重新组合受到集料之间摩擦力的阻抗，当材料内摩擦角最小时，很小的压实功就能使混合料充分压实。因此，从易于压实的角度考虑，建议双层一次摊铺路面采用上面层3 cm厚AC-13、下面层7 cm厚AC-20的结构。

表7 双层一次摊铺路面的击实次数与相对击实次数

3 结 语

(1)研究了摊铺工艺对压实特性的影响，结果表明：压实度达到98%时，对于上面层4 cm、下面层6 cm的双层沥青路面，不同类型混合料的双层一次摊铺马歇尔试件击实次数均小于传统摊铺工艺下的上面层AC-13、下面层AC-20马歇尔试件。因此，采用双层一次摊铺工艺更易于压实。

(2)研究了混合料类型、结构层厚度对双层一次摊铺路面压实特性的影响，结果表明：压实度为98%时，混合料类型为上面层AC-13加下面层AC-20时击实次数最少，比上面层AC-16加下面层AC-20、上面层AC-13加下面层AC-25以及上面层AC-16加下面层AC-25的击实次数平均可减少4.1%、6.7%和13.8%；混合料类型相同时，上、下面层厚度的变化对双层一次摊铺路面压实的影响很小，击实次数变化不超过10%。从易于压实的角度考虑，建议双层一次摊铺路面采用上面层3 cm厚AC-13、下面层7 cm厚AC-20的结构。