结构自诊断沥青混凝土的施工工艺研究

孙长军，黄少旭，唐 宁

（1.武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室，武汉 430070；2.唐山曹妃甸发展投资集团有限公司，唐山 063210）

结构自诊断沥青混凝土是一种具有应变和损伤自感知的功能性沥青混凝土。普通沥青混凝土中加入石墨等导电相材料后便具有了优异的导电性能，可以通过某些特性（如电阻）变化，来感知环境的温度、压力及湿度，结构的位移、速度、加速度、应力和应变；材料内部的损伤、裂纹、光、电和磁信号的变化等。可用于建筑结构的振动控制、交通管理、载重测量和建筑安全等。

通过结构自诊断沥青混凝土试验路段的铺筑，结合其自诊断特性要求和路面结构，进行了结构自诊断沥青混凝土的施工工艺研究，为今后自诊断沥青混凝土施工提供参考。结构自诊断沥青混凝土试验路段位于河北省唐山市曹妃甸综合保税区卡口东侧B4路主线右幅，全长约130m。路面结构采用下面层AC－25普通沥青混凝土，中面层6cm AC－20C结构自诊断沥青混凝土，上面层4cm AC－13普通沥青混凝土的结构形式。

1 电极埋铺

结构自诊断沥青混凝土有别于普通沥青混凝土路面，需要在施工前预置自诊断用的电极。该试验段采用电极为1cm×1cm网孔的不锈钢网，裁剪成大小不同网片，电极网埋设位置如图1所示。上部电极网位于AC－13上面层结构自诊断沥青混凝土层AC－20C之间，下部电极网位于结构自诊断沥青混凝土层AC－20C和下承层AC－25之间。

合适尺寸的电极网在固定好之后，沥青撒布车喷洒粘层油后，对电极网片进行界面处理涂抹一定量200目导电石墨，避免其与自诊断混凝土层接触不良。电极布置后路面效果图如图2所示。

自诊断层与面层之间的电极布置方式与下部电极网略有不同。上层电极的埋铺在摊铺碾压之前进行，用铁锹铲除一定量热料，放置电极网，均匀覆盖热料，使电极与混合料嵌挤良好。埋设过程如图3所示。热料覆盖不均匀，碾压之后易出现裂缝。

2 拌合工艺

该结构自诊断沥青混凝土试验段的拌合设备为吉公3250间歇式拌和机，生产能力在3000型以上，冷料仓的数量为5个，热料仓数量5个。设置冷料仓之间的隔板高度不宜低于70cm，避免在生产过程中造成料仓中原材料的混杂。拌和机设有二级除尘装置，一级除尘部分可直接回收使用，二级除尘部分可进入回收粉仓使用。在正式生产前要对设备进行调试，对各集料装置进行标定。

结构自诊断沥青混凝土需要一定的导电性能，这就需要导电石墨颗粒裹覆沥青膜厚适宜。沥青膜太厚，石墨颗粒之间导电通路降低；沥青膜太薄，混合料的力学性能降低。在试拌过程中，根据加入沥青和石墨的先后顺序设计3种不同的拌合方案（a）、（b）、（c），3种拌合方案如图4所示，分别拌合混合料，取样成型马歇尔试件，检测电学参数和力学性能。

按上述方案拌合自诊断沥青混合料并取样成型马歇尔试件，检测其电阻值以及稳定度。实验结果见图5。

由图5可知，先加入石墨后加入沥青，拌制出来的混合料电阻较其他两者偏大，稳定度居中。先加入沥青后加石墨，拌制出来的混合料电阻较小但稳定度也随之降低。考虑到较小电阻情况下要具有较好的稳定度，确定方案（b）为最佳方案。

为方便操作和节约成本考虑，石墨经由一级除尘管道抽入废粉仓定量投放使用。结构自诊断沥青混合料拌合的温度制度沿用普通沥青混合料拌制的相关规范要求。另考虑到加入石墨后，混合料的导热系数增加，故在运输过程中需要加盖双层保温布进行保温。

3 摊铺工艺

在试验路段施工时，摊铺机采用的是两台VOGELE2100型摊铺机。结构自诊断沥青混凝土层摊铺厚度为6cm，松铺系数1.2。

在摊铺过程中，应注意以下几点：1）根据摊铺宽度组装熨平板时，应左右对称、底面平整无错台、连接紧固；2）螺旋布料器的高度应依摊铺层的厚度而调整。其下缘宜高于松铺层顶面10～20mm，可保布料均衡，布料器的长度应适当，其端头宜距熨平板边缘以内15～20cm；3）前夯振幅选择6mm，后夯振幅选择5mm，振动频率为30Hz；4）熨平板的初始工作仰角刻度为20°；5）摊铺机的摊铺速度应根据拌和机的产量、施工机械配套情况及摊铺厚度、摊铺宽度，按2～4m/min予以调整选择，对结构自诊断沥青混凝土宜按1～3m/min的速度摊铺，做到缓慢、均匀、不间断地摊铺；6）采用非接触式平衡梁控制摊铺厚度；7）摊铺机熨平板应提前0.5～1h预热至不低于130℃；8）螺旋布料器内混合料表面以略高于螺旋布料器2/3高度为度，减少摊铺层出现离析现象。

在摊铺过程中还要格外注意防止电极网片移位。施工中还应注意天气变化，在雨天、大风天气或气温低于10℃不得进行沥青混合料摊铺作业。

4 碾压工艺

沥青混合料的压实应尽可能采用重型压路机，并选择合理的压路机组合方式及碾压步骤。初压应在混合料不产生推移、开裂等情况下尽量在较高温度下进行。对粗集料为主的较大粒径的混合料，宜采用振动压路机碾压，振动压路机以遵循“紧跟、慢压、高频、低幅”的原则，即紧跟在摊铺机后面，采取高频率、低振幅的方式慢速碾压。振动压路机的振动频率宜为30～50Hz，振幅宜为0.3～0.8mm。

为了研究结构自诊断沥青混合料合理的压实工艺，选用两组不同压实工艺机械组合。两组不同机械组合见表1。对应于不同碾压遍数，测量现场压实度，并以碾压变数为横坐标，压实度为纵坐标，绘制结构自诊断沥青混凝土压实度变化曲线，如图6所示。

表1 两组不同碾压机械和碾压组合

试验段应按不小于最大理论密度的94%、现场空隙率3%～6%进行控制。由图6可知，两组碾压方案无明显区别，合理的压实遍数为6次，即可达到相关规定要求。但结合后期电学性能的检测结果，方案1的电阻测量结果离散性大，最终选用方案2为合理碾压方案。

5 结 论

a.结构自诊断沥青路面的自诊断模块下部电极埋设采用提前固定的方式，上部电极埋设在施工现场碾压前用热料埋铺。现场实际施工时要注意防止下部电极移位，要重点检查上部电极是否均匀覆盖有热料。

b.兼顾考虑混合料电学和力学性能需要，拌合工艺采用先加入矿料拌合5s，然后石墨粉与沥青同时加入，加入完成后拌合30s即可。

c.由于结构自诊断沥青混凝土电极的埋设，摊铺速度宜按照1～3m/min调整，做到缓慢、均匀、不间断地摊铺。

d.碾压工艺上，达到压实度要求的同时还要考虑电学性能要求，采用方案2作为最佳碾压方案，总共压实6遍即可达到压实度要求。

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