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            瀝青路面壓實過程均勻性評價與影響因素分析
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            瀝青路面壓實過程均勻性評價與影響因素分析
            2022年10月17日    閱讀量:13214    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

            摘 要

            為準確評價采用全幅攤鋪工藝的路面施工質量,減小離析的概率,首先采用激光斷面儀和無核密度儀兩種無損檢測技術對路面進行檢測,根據所得檢測結果,提出以變異系數為依據評價路面的均勻性程度,在此基礎上研究攤鋪碾壓工藝對路面均勻性的影響規律,并推薦了合理的攤鋪碾壓工藝參數。研究結果表明:以變異系數為評價依據,兩種檢測方法的結果具有一致性;無核密度儀所測數據較多,離析率與變異系數的相關性較好;而激光紋理儀所測數據樣本較少,離析率難以反映路面的均勻狀況;隨攤鋪速度、初壓溫度及初壓速度的增大路面均勻性先變好后變差,而受熨平板振搗頻率影響,振動頻率必須高出一定振搗頻率后,才能使路面的均勻性變好;在攤鋪速度為2.8m/min,當振搗器頻率為20Hz時,熨平板振動器的頻率為30Hz,初壓溫度為158℃,初壓速度選擇3.7m/min時,路面均勻性較好。


            關鍵詞 瀝青路面 | 壓實過程 | 均勻性 | 變異系數 | 影響因素


            長期以來,離析一直是熱拌瀝青生產和施工中的主要問題瀝青網sinoasphalt.com。離析的混合料不符合目標配合比設計中的級配或瀝青含量的要求,造成混合料的毛體積密度和空隙率與設計值存在一定的差異。研究表明:當這種情況發生時,由于剛度、抗拉強度和疲勞壽命的降低,路面的使用壽命會降低。在某些地區,由于施工中產生的離析問題,導致路面早期損壞,對此管養單位每年必須設立專項支出用于路面養護與維修,造成了一定的經濟壓力。


            目前,防止路面離析的研究主要集中在采用試驗室模擬離析對瀝青混合料性能的影響、離析的原因和改善方法、評估檢測路面離析等熱點上。從當前的研究手段出發,普遍存在的問題有:①瀝青路面均勻性評價缺乏真實性。其原因有檢測評價方法主觀因素太強,這種主觀意識太強烈的判別方法顯然缺乏說服力以及評價的數據太少,太單一。對于均勻性檢測的評價方法,當前普遍使用的是視覺識別法、鋪砂法、取樣法。前兩種方法過于依賴檢測員的主觀意識,而取樣這種有損檢測的方法對原路面的影響太大,可用數據太少;②研究手段大部分都禁錮在室內試驗模擬。室內試驗固然簡單快捷、操作性強,但與實際生產中瀝青路面施工的差距較大,并不能反映瀝青路面施工過程的真實情況,同時對于某些施工工藝的控制性因素(例如攤鋪碾壓)無法較好地模擬,而這類施工工藝又恰巧是引起瀝青路面離析的主要原因。


            針對以上問題,該文以某全幅攤鋪工藝條件下300m的試驗路段為依托,首先利用激光斷面構造儀和無核密度儀兩種無損檢測方法評價路面施工的均勻性,建立多指標路面均勻性評價體系,再研究攤鋪碾壓工藝(初壓速度、初壓溫度、攤鋪速度與熨平板的振動頻率)對路面均勻性的影響規律,使之能及時調整,以實現瀝青路面施工的動態控制,減小全幅攤鋪路面的離析概率,提高路面施工質量。


            項目概況


            河(源)惠(州)(東)莞高速公路龍川至紫金段位于廣東省河源市境內,是廣東省高速公路網規劃廣龍高速(S6)的重要組成部分,為東莞、惠州、河源地區通往江西的主要出省通道之一。施工時在主線K98+400~K98+700段(左幅)進行了上面層試驗段鋪筑,試驗段為GAC-16C型瀝青混凝土結構,設計油石比為4.7%,空隙率為4.5%,設計總厚度為4.5cm,全長300m,寬約11.25m。攤鋪采用福格勒2100-3L全幅攤鋪機作業,作業寬度11.5m;采用3臺13t雙鋼輪振動壓路機及3臺30t膠輪壓路機相結合的碾壓組合方式,其中初壓終壓采用雙鋼輪悍馬HD0128V壓路機,復壓采用徐工XP303K膠輪壓路機,碾壓遍數為初壓終壓2遍,復壓4遍。


            抽取瀝青混合料進行燃燒篩分試驗,用以檢驗混合料的礦料級配與瀝青含量。用于試驗的瀝青混合料均在拌和樓處的運料車上均勻取樣,且在試驗室內采用四分法均勻取樣進行燃燒篩分試驗。試驗級配檢測結果如圖1所示,與配合比設計時的級配比較,抽檢的混合料級配變異不大;混合料瀝青用量控制較好,檢測的油石比為4.72%,與設計油石比4.7%相差較小。以上檢測結果表明路面材料符合設計標準,故由此造成路面離析的概率較小。

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            路面均勻性評價

            激光紋理儀評價法


            (1)檢測原理與方案


            歐美大地TM2路面激光紋理儀主要用于測量道路表面的宏觀紋理和微觀紋理,通過表面紋理的指標來評價路面的抗滑性能、吸收噪音的性能以及抵抗車輪輪胎阻力的能力。其測試原理是使用線掃描激光器對路面進行掃描,通過測量的高程來計算平均斷面構造深度MPD指標用于評價路面的粗糙程度。


            采用激光紋理儀對樁號K98+400~K98+700段進行表面構造深度測試。為了減少其他因素對研究的干擾和更好地控制研究樣本,按每60m分段,將300m的試驗路分為5段區域取樣,各不影響,編號分別為A、B、C、D、E。選取的測試位置為:按照距中央分隔帶1.75、3.75、5.75、7.75、9.75m縱向連續測試5個斷面,如圖2所示,輸出每10m的激光斷面構造深度MPD(mm)的平均值,以構造深度越大顏色越深為原則繪制瀝青層構造深度分布云圖,結果如圖3所示。

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            (2)檢測結果分析


            由圖3可知:靠路邊緣的兩條測線顏色偏深,說明構造深度較深,此時粗集料較多細集料較少。分析其原因:由于下承層的橫斷面高程差引起,當采用全幅攤鋪時,由于攤鋪寬度較大,螺旋布料器向兩端輸送混合料的距離過長,在高程差的影響下,會使得一側的粗集料相對另一側減少,而高程較低的一側會有更多的粗集料,因此攤鋪成型的路面在高程較低的一側粗顆粒熱料集中,細集料及瀝青含量少,表面構造較深。


            利用數理統計方法對試驗路檢測數據進行分析,確定試驗段測評區域表面構造深度數學期望值及判定離析程度的區間。參考張肖寧、王端宜提出的劃分標準,將離析劃分為4個等級:細離析、無離析、粗離析、重度離析。判定標準及分布情況如表1、2所示。

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            由表1可看出:總試驗路段無離析占94.67%,粗離析占5.33%,無區域細離析與重度離析。以離析率和變異系數為評價指標,其中離析率為檢測數據中離析數據個數(包括細離析、粗離析和重離析)與總數據個數的比值;變異系數為數據標準差與平均數的比值。由表2可知:各路段變異系數和離析率較小,路表面顆粒分布均勻性較好。


            無核密度儀評價法

            (1)檢測原理與方案


            無核密度儀的工作原理是根據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,通過感應板產生探測磁場來測試壓實瀝青混合料的介電常數,然后利用電子部件將場信號轉換成密度。根據測試區域的測試密度計算相應的壓實度及空隙率,評價路面壓實情況。


            檢測方案如圖4所示,以激光斷面構造深度檢測方案為基礎,橫斷面上距離中央分隔帶0.75m開始,每隔1m測試1次,測試11個斷面;縱斷面每隔5m測試1次,總長300m,測試61個斷面,共測試671個點??紤]到數據較多,同時也為與激光斷面儀所測數據統一,將9個無核密度儀的測點數據均值與一段激光斷面儀的數據等價,同樣也將300m的試驗段按每60m一段分為5段,根據芯樣的密度標定無核密度儀之后進行現場密度測定,根據計算法得到的試驗路理論最大相對密度(2.700)計算各測試點的現場空隙率,以空隙率越大顏色越深為原則繪制瀝青層空隙率分布云圖,如圖5所示。

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            (2)檢測結果分析


            由圖5可以看出:與激光紋理儀所反映的位置一致,主要出現在路邊緣的位置,路面空隙率較大,建議采取有效措施減少邊部離析,提升路面整體壓實質量。其余區域空隙率基本為3.5%~5.5%,滿足路面使用對空隙率的要求,路面壓實程度較好。測試路段空隙率均值為5.00%,滿足設計要求,但路面空隙率存在一定的離散性,變異系數達18.96%,即有部分空隙率偏小或過大的位置存在。


            參考文獻[17],并根據現場空隙率指標控制要求劃分判定離析程度標準的區間,判定標準及分布情況如表3、4所示。按照離析標準對測試數據進行統計分析,圖3結果表明:整個試驗段中,無離析占81.52%,粗離析占16.39%,細離析占2.09%,路面的整體性一般。

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            由表4可以看出:C段的變異系數與離析率較大,說明施工均勻性效果較差,而E段的變異系數和離析率較小,說明施工均勻性效果較好;變異系數與離析率具有一致性,變異系數大的路段離析率同樣偏大。而由激光斷面儀所測表2中數據可見,變異系數與離析率關聯性較差,這是由于樣本數據太少,導致評價結果不統一。因此,對于數據樣本較少的檢測方式,可以用變異系數量化評價路面均勻性,當數據樣本較多時,用變異系數或離析率都能有效地評價路面的離析程度。


            考慮到激光斷面儀評價指標中離析率較小的緣故,無法有效區分路面的離析程度,故以變異系數為評價指標,來比較5段試驗路的均勻性,兩種不同的測試方法比較結果如圖6所示。

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            由圖6可知:無核密度儀所測數據的變異系數普遍要高于激光斷面儀,這是因為無核密度儀的檢測的是點,而激光斷面儀的檢測方式則是一段連續的路面,測試方法本身的差異造成了數據離散的差異;對兩種不同的檢測方法所檢測出的不同路段的結果加以定量分析,兩種檢測方法對于路面的均勻性評價具有一致性,均勻性從好到差依次為路段E、A、B、D、C,說明兩種測試方法都能反映出路面的離析程度。將兩種檢測方式所得的結果繪制成散點圖,經線性擬合之后如圖7所示。

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            由圖7可知:兩種檢測方法所得指標的相關系數為0.82,表明相關性較強,隨著空隙率的增大,構造深度線性增大,這在另一方面證明了兩種檢測方法的一致性。


            瀝青路面均勻性影響因素分析


            以兩種檢測結果的變異系數均值為評價依據,對5段路段的施工均勻性進行量化,研究攤鋪碾壓工藝對路面均勻性的影響規律。


            攤鋪工藝對均勻性的影響


            選擇A、B兩段研究攤鋪工藝對均勻性的影響規律。對于A段,首先依據經驗控制好熨平板振動頻率、初壓溫度與初壓速度。攤鋪速度按10m分段設計,分別為2.3、2.6、2.9、3.2m/min總計4個速度,以每10m橫斷面檢測數據的變異系數為衡量標準,研究攤鋪速度對路面均勻性的影響規律,結果如圖8所示。


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            由圖8可知:擬合曲線的相關系數為0.85,說明攤鋪速度與變異系數有較強的相關性;隨攤鋪速度的增大,變異系數先減后增,當攤鋪速度為2.8m/min時,變異系數最小,說明此時的路面均勻性最好。


            當攤鋪速度較小時,攤鋪至路面上的瀝青受熨平板的振動影響時間較長,在過度振動的影響下會出現粗細集料分開的離析狀況,而當攤鋪速度較快時,混合料在螺旋布料器中二次攪拌的時間過短,也容易引起粗細集料的不均而引發離析,故攤鋪速度不宜過快或過慢。


            與A段的研究方案類似,亦將B段按10m每小段分為6段,在其他工藝相同的情況下研究熨平板振動頻率對路面均勻性的影響,考慮到攤鋪機行進的穩定性,在熨平板振搗器固定頻率為20Hz時選擇振動器頻率為15、20、25、30Hz,將檢測數據繪制成散點圖并擬合,結果如圖9所示。

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            由圖9可知:擬合曲線的相關系數為0.72,說明振動頻率與變異系數存在一定的相關性;當振動頻率為15~25Hz時,變異系數較大,擬合曲線出現小幅拱形,在20Hz時變異系數達到最大值,表明此時路面的均勻性較差;當振動頻率大于25Hz時,變異系數迅速下降,路面均勻性變好。這是因為當振動器的頻率為20Hz時與振搗器的頻率相同,會發生共振效應,在共振效應的影響下,瀝青混合料的振動過度,從而引起了粗細集料和自由瀝青的分離,造成了路面的離析。為了避免這一情況的發生,振動器的頻率要盡量遠離振搗器的頻率,同時振頻又不宜過小。當振搗器頻率為20Hz時,推薦振動器的頻率為30Hz。

            碾壓工藝對均勻性的影響


            剩余C、D、E3段用于研究碾壓工藝對均勻性的影響規律。在C段中研究初壓溫度對路面均勻性的影響,用溫度槍檢測初壓溫度的大小,以10m的溫度均值為一個數據,分別為155、158、160、162、165℃總計5個溫度,檢測結果如圖10所示。

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            由圖10可知:散點圖的數據離散性較大,擬合曲線的相關系數為0.53,說明初壓溫度與變異系數的相關性一般;當初壓溫度超過158℃后,變異系數增幅較明顯,說明此時的路面均勻性較差。當初壓溫度較大時,瀝青的黏度較小流動性較大,在攤鋪碾壓作用下會將自由瀝青壓至局部空隙率較大的位置引起離析,而當初壓溫度較低時,瀝青黏度較大流動性較小,也容易引起分布不均而引發離析,故必須選擇適宜的初壓溫度。


            考慮到碾壓組合為2臺鋼輪壓路機并行,為了排除交接位置的干擾,選擇D、E兩段中距中央分隔帶1.75、5.75、9.75m的縱斷面數據的變異系數為衡量標準,總計6個數據,分析初壓速度對變異系數的影響,結果如圖11所示。

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            由圖11可知:擬合曲線的相關系數為0.71,表明初壓速度與變異系數之間存在一定的相關性;隨初壓速度的增加,變異系數先減后增,在初壓速度為3.7m/min左右時變異系數最低,說明此時路面的均勻性最好。當初壓速度較低時,溫度下降過快,難以在有效的時間內達到理想的壓實效果,當初壓速度較高時,又會引起壓實功不足,這兩種情況都會引起路面的離析。


            結論

            (1)以變異系數為評價依據,激光紋理儀與無核密度儀的檢測結果具有一致性;無核密度儀采用測點的方法,所測數據較多,離析率與變異系數的相關性較好;而激光紋理儀采用一段連續路面的均值作為評價依據,數據樣本較少,離析率難以反映路面的均勻狀況,推薦采用變異系數來評價路面的均勻性。


            (2)隨攤鋪速度、初壓溫度與初壓速度的增大路面均勻性先變好后變差,而受熨平板振搗頻率的影響,振動頻率必須高出一定振搗頻率之后,才能使路面的均勻性變好。


            (3)此次試驗路的檢測結果表明:攤鋪速度為2.8m/min;當振搗器頻率為20Hz時,熨平板振動器的頻率為30Hz;初壓溫度為158℃;初壓速度選擇3.7m/min時,路面的均勻性較好。


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            標簽:今日頭條,行業新聞,施工案例,技術中心,瀝青混凝土
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