瀝青混合料漢堡車轍試驗(yàn)條件及評(píng)價(jià)指標(biāo)研究＊

栗培龍 張爭(zhēng)奇 李洪華 王秉綱

(長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 西安 710064)

車轍是我國(guó)高等級(jí)公路瀝青路面的主要損壞類型之一,當(dāng)前主要采用國(guó)產(chǎn)車轍儀評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗車轍性能,對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)及其有效性有待商榷[1-2].漢堡車轍儀可以進(jìn)行不同溫度的干式和浸水、板式和圓柱試件的試驗(yàn),是瀝青路面車轍成因分析和瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)的有效工具,但其試驗(yàn)條件和評(píng)價(jià)指標(biāo)仍存在爭(zhēng)議[3-4].美國(guó)科羅拉多州的有關(guān)研究認(rèn)為,應(yīng)根據(jù)瀝青的PG分級(jí)分別選用40,45,50,55℃的試驗(yàn)溫度,判斷標(biāo)準(zhǔn)均要求作用20 000次的最大車轍深度不大于10 mm;而德克薩斯州的試驗(yàn)溫度均50℃,但要求達(dá)到12.5 mm車轍深度時(shí)的最小次數(shù)不同[5].本文利用從美國(guó)引進(jìn)的漢堡車轍儀進(jìn)行不同試驗(yàn)條件下的車轍試驗(yàn),分析水環(huán)境和溫度對(duì)車轍產(chǎn)生的影響,提出抗車轍性能的合理評(píng)價(jià)指標(biāo),為漢堡車轍儀的推廣應(yīng)用及瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)提供參考.

1 試驗(yàn)材料和方法

采用中海36-1基質(zhì)瀝青和SK-SBS改性瀝青及AC-13和AC-20兩種級(jí)配拌制AC-13J(基質(zhì))、AC-13G(改性)、AC-20J(基質(zhì))、AC-20G(改性)4種混合料.瀝青性能指標(biāo)和集料級(jí)配如表1和表2所列.

表1 瀝青基本指標(biāo)

瀝青混合料是一種感溫性極強(qiáng)的粘彈性材料,溫度越高,瀝青混合料的勁度模量越低,越容易產(chǎn)生車轍.同時(shí),水也是影響瀝青混合料性能的重要因素[6].漢堡車轍儀可以提供不同溫度的浸水和干式試驗(yàn)環(huán)境,何種試驗(yàn)條件和評(píng)價(jià)指標(biāo)更適合評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能仍有待進(jìn)一步研究 .為此,本文將上述4種混合料分別進(jìn)行50℃水浴、60℃水浴和60℃空氣浴的漢堡車轍試驗(yàn),分析不同條件下瀝青混合料的車轍拓展特性,提出合理的評(píng)價(jià)混合料高溫性能的漢堡車轍試驗(yàn)條件,分析現(xiàn)有漢堡車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的不足,討論以車轍變形率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的可行性.

表2 瀝青混合料級(jí)配

2 漢堡車轍試驗(yàn)條件分析

2.1 不同條件下的車轍拓展特性

4種混合料不同條件下的車轍試驗(yàn)結(jié)果如表3～表5所列.

表3 50℃水浴混合料的車轍深度 mm

表4 60℃水浴不同瀝青混合料的車轍深度 mm

表5 60℃空氣浴不同瀝青混合料的車轍深度 mm

分析表3～表5試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：(1)50℃水浴、60℃水浴和60℃空氣浴3種試驗(yàn)條件下瀝青混合料的高溫性能按車轍深度大小排序趨于一致,即AC-20J＞AC-13J＞AC-13G＞AC-20G,可見(jiàn)改性瀝青可以提高瀝青混合料的高溫性能.對(duì)于不同級(jí)配的瀝青混合料,公稱最大粒徑并不是影響車轍深度的決定因素;(2)50℃水浴條件下當(dāng)行走次數(shù)大于3 000時(shí),排序規(guī)律趨于一致,而60℃水浴和60℃空氣浴條件下的次數(shù)分別為8 000次和5 000次,因此,水和溫度都是影響車轍結(jié)果的重要因素,只有當(dāng)測(cè)試次數(shù)足夠時(shí)才能消除壓密對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,準(zhǔn)確反映出混合料的抗車轍性能;(3)60℃水浴的試驗(yàn)條件對(duì)于基質(zhì)瀝青混合料過(guò)于苛刻,試驗(yàn)時(shí)很快出現(xiàn)破壞,水的影響明顯,水損壞嚴(yán)重,而不能真實(shí)反映混合料的高溫抗車轍性能,也就是60℃水浴的試驗(yàn)條件不能用來(lái)評(píng)價(jià)基質(zhì)瀝青混合料的高溫抗車轍性能.

2.2 水和溫度對(duì)車轍試驗(yàn)結(jié)果影響

由圖1可以得出：(1)4種瀝青混合料的車轍發(fā)展趨勢(shì)的排序一致,按車轍深度大小排序是：60℃水?。?0℃空氣浴＞50℃水浴;(2)溫度對(duì)車轍的發(fā)展影響很大.在50℃水浴條件下,各種瀝青混合料的車轍發(fā)展平緩,車轍比較小,但在60℃水浴條件下產(chǎn)生了嚴(yán)重的車轍,特別是基質(zhì)瀝青混合料的車轍發(fā)展很快,在10 000次左右就發(fā)生破壞(最大深度超過(guò)20 mm);(3)在高溫浸水狀態(tài)下,瀝青混合料的抗車轍能力急劇下降,60℃水浴車轍曲線很快出現(xiàn)拐點(diǎn),而有明顯的水損壞出現(xiàn),說(shuō)明水和高溫的耦合作用對(duì)車轍有很大影響,其原因是水在瀝青混合料中起潤(rùn)滑作用,降低了瀝青與礦料的粘附性,溫度越高,水的這種作用效果越明顯;(4)浸水狀態(tài)和提高溫度都對(duì)車轍有影響,但總體發(fā)展趨勢(shì)比較平緩,50℃水浴條件下無(wú)論是基質(zhì)瀝青混合料還是改性瀝青混合料都沒(méi)有發(fā)生水損壞;同時(shí),雖然提高10℃溫度比水對(duì)車轍的影響稍大,但總體趨勢(shì)基本一致,具有一定可比性;(5)溫度越高,水對(duì)車轍的影響越明顯.在水浴條件下,在60℃時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)有明顯的拐點(diǎn),基質(zhì)瀝青混合料的拐點(diǎn)發(fā)生在5 000次左右,改性瀝青混合料的拐點(diǎn)發(fā)生在10 000次左右,同時(shí)也說(shuō)明改性瀝青可以提高混合料的抗車轍性能.

圖1 不同條件下混合料車轍比較

2.3 不同試驗(yàn)條件的對(duì)比分析

綜合以上分析,水和溫度是影響車轍試驗(yàn)結(jié)果的2個(gè)主要因素,水環(huán)境和提高溫度都將加快車轍發(fā)展.由圖2可知,50℃水浴和60℃空氣浴條件下的車轍深度相關(guān)性很好,相關(guān)系數(shù)在0.93以上,50℃水浴條件下的車轍略小,但總體趨勢(shì)兩者一致,因此可以認(rèn)為50℃水浴條件下的漢堡車轍試驗(yàn)基本可評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫抗車轍性能,從而可知漢堡車轍試驗(yàn)把試驗(yàn)溫度定為50℃具有合理性.

圖2 2種試驗(yàn)條件下車轍深度的相關(guān)性

但是,50℃水浴條件下兩種改性瀝青混合料的區(qū)分度很小,例如20 000次時(shí)的車轍深度AC-13G為2.56 mm,AC-20G為2.47 mm,2個(gè)值很接近,基本在試驗(yàn)誤差范圍內(nèi),而60℃水浴條件下兩者的車轍深度相差3.46 mm,可以明顯區(qū)分兩者的高溫性能,如圖3所示.因此用50℃水浴條件來(lái)評(píng)價(jià)改性瀝青混合料的抗車轍性能有一定的局限性,如果要準(zhǔn)確區(qū)分它們的性能,應(yīng)適當(dāng)提高試驗(yàn)溫度.

圖3 2種溫度水浴車轍深度

綜上所述,漢堡車轍試驗(yàn)50℃水浴條件基本可以用來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫抗車轍性能,而且有水的存在也不一定出現(xiàn)水損害.但應(yīng)該針對(duì)不同的瀝青混合料選用不同的試驗(yàn)溫度,以準(zhǔn)確區(qū)分出瀝青混合料的高溫性能,盡量避免水的影響.針對(duì)我國(guó)的瀝青使用情況,建議B級(jí)瀝青采用45℃,A級(jí)瀝青采用50℃,改性瀝青采用60℃的試驗(yàn)溫度,具體評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定則需要進(jìn)行更深入的研究.

3 漢堡車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.1 現(xiàn)有評(píng)價(jià)指標(biāo)

目前,漢堡車轍試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)有車轍深度、蠕變速率(creep slope)、剝落點(diǎn)(SIP)以及剝落速率(stripping slope)[7].通常用車轍深度和蠕變速率評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能,但分析認(rèn)為這兩個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)存在以下不足.

1)當(dāng)車轍發(fā)展較快時(shí),車轍深度難以統(tǒng)一評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能.如圖4所示,有些混合料很快就破壞,無(wú)法經(jīng)受較大的荷載次數(shù),這樣就無(wú)法用20 000次的車轍深度來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能,必須采用較小作用次數(shù)的車轍深度來(lái)統(tǒng)一評(píng)價(jià).但是,采用較小荷載次數(shù)的車轍深度可能會(huì)出現(xiàn)矛盾的結(jié)論,如5 000次的車轍深度AC-13J小于AC-13G,而8 000次的車轍深度二者卻相反.

圖4 60℃水浴條件下的漢堡車轍深度

2)蠕變速率對(duì)瀝青混合料的高溫性能區(qū)分度低.由前文分析,3種試驗(yàn)條件下車轍深度排序?yàn)榫呄蛴?＞1＞2＞4,因此該排序能夠較準(zhǔn)確地區(qū)分4種瀝青混合料的高溫性能.但分別用計(jì)算法和回歸法得到的蠕變速率排序并不一致(見(jiàn)表6),規(guī)律性不明顯,不能區(qū)分不同瀝青混合料的高溫性能.

表6 瀝青混合料的蠕變速率 次/mm

此外,同一組試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用計(jì)算法和回歸法得到的蠕變速率并不一致.盡管兩者的車轍深度存在差異,回歸法得到AC13J和AC20J的蠕變速率均為5 000次/mm,可見(jiàn)蠕變速率評(píng)價(jià)抗車轍性能存在局限性,只能作為輔助指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能.

3.2 車轍變形率指標(biāo)

如前所述,漢堡車轍試驗(yàn)的車轍深度和蠕變速率指標(biāo)在評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能的過(guò)程中存在不足.本文提出“車轍變形率”指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能,車轍變形率按式(1)計(jì)算.

4種混合料不同試驗(yàn)條件下的車轍變形率如表7所列,不同試驗(yàn)條件下瀝青混合料高溫性能的排序均為3＞1＞2＞4,這和前文車轍深度最終排序是一致的,可見(jiàn)車轍變形率可以體現(xiàn)瀝青混合料的高溫抗車轍性能.車轍變形率計(jì)算過(guò)程中考慮了最大車轍深度,能夠簡(jiǎn)單有效地橫向比較瀝青混合料的高溫抗車轍性能,方便和其他性能指標(biāo)建立聯(lián)系,因此建議將車轍變形率作為漢堡車轍試驗(yàn)的一個(gè)主要評(píng)價(jià)指標(biāo).

表7 不同試驗(yàn)條件下的車轍變形率

4 結(jié) 論

1)通過(guò)空氣浴、水浴的車轍試驗(yàn)和不同溫度的車轍試驗(yàn)可知,水和提高溫度都會(huì)加劇車轍的產(chǎn)生,但各種試驗(yàn)條件下的車轍發(fā)展趨勢(shì)是一致的,具有一定的可比性.

2)50℃水浴和60℃空氣浴條件下的車轍深度有良好的相關(guān)性,50℃水浴條件下的試驗(yàn)可以反映瀝青混合料的抗車轍性能.但同時(shí)應(yīng)該針對(duì)不同瀝青混合料選用不同的試驗(yàn)溫度,以準(zhǔn)確區(qū)分出瀝青混合料的高溫性能.針對(duì)我國(guó)的瀝青使用情況,建議B級(jí)瀝青采用45℃,A級(jí)瀝青采用50℃,改性瀝青采用55℃或60℃的試驗(yàn)溫度,合理的試驗(yàn)溫度仍有待進(jìn)一步研究.

3)分析了漢堡車轍試驗(yàn)的車轍深度和蠕變速率的不足,提出了車轍變形率指標(biāo),經(jīng)分析認(rèn)為車轍變形率指標(biāo)考慮了最大車轍深度,能夠簡(jiǎn)單有效地橫向比較瀝青混合料的高溫抗車轍性能,可以作為漢堡車轍試驗(yàn)的一個(gè)主要評(píng)價(jià)指標(biāo).

[1]彭 波,袁萬(wàn)杰,陳忠達(dá).用車轍系數(shù)評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗車轍性能[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版,2005,33(12)：84-86.

[2]劉紅瑛,林 立,任 偉.瀝青混合料高溫車轍評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究[J].石油瀝青,2003,17(4)：56-59.

[3]Lu Q,Harvey J T.Evaluation of moisture sensitivity of hot mix asphalt by flexural beam fatigue test[C]// Masad E,Panoskaltsis V P,Wang Linbing.Asphalt Concrete：Simulation,M odeling,and Experimental Characterization.Reston：American Society of Civil Engineers(ASCE),2006：124-133.

[4]Aschenbrener T,Terrel R l,Zamora R A.Comparison of the hamburg wheel tracking device and the environmental conditioning system topavements of known stripping performance[R].ReportNo. CDOT-DTD-R-94-1,Colorado Department of Transportation,Denver,1994.

[5]Allen L,Cooley Jr.Loaded wheel testers in the united states：state of the practice[R].NCAT Report 00-04,2000：10-14.

[6]周 亮,栗培龍,邱 欣.飽水狀態(tài)對(duì)浸水馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版,2008,32(4)：619-622.

[7]Qing L,Harvey J T.Evaluation of hamburg wheel device test by laboratory and field performance data [C]//The 85th Annual Meeting of the Transportation Research Board,Wanshington,D.C.Jan., 2006.