高抗車(chē)轍中面層瀝青混合料設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

蔡麗娜

(山西省交通科學(xué)研究院新型道路材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室　太原　030006)

高抗車(chē)轍中面層瀝青混合料設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究

蔡麗娜

(山西省交通科學(xué)研究院新型道路材料國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室太原030006)

摘要集料、瀝青、級(jí)配、油石比等是影響瀝青混合料抗車(chē)轍性能的主要因素，其中瀝青的粘聚力和礦料顆粒之間的嵌擠力起著決定性作用。文中采用8%的巖瀝青和2%的SBS改性劑配置復(fù)合改性瀝青，借鑒Superpave技術(shù)成果，提出高抗車(chē)轍瀝青混合料的級(jí)配范圍；采用馬歇爾試驗(yàn)方法確定最佳油石比。研究表明，高抗車(chē)轍瀝青混合料施工質(zhì)量易于控制，且具有良好的路用性能。

關(guān)鍵詞瀝青路面混合料車(chē)轍Superpave

針對(duì)重載比例大、集卡比例高、交通量大的瀝青道路，以高抗車(chē)轍性能為設(shè)計(jì)目標(biāo)的瀝青混合料設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)路面的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析，瀝青路面最大剪應(yīng)力位于中、下面層，中面層在車(chē)轍方面的貢獻(xiàn)率約在60%，因此，提高中下面層瀝青混凝土的抗車(chē)轍能力能夠有效減小瀝青路面車(chē)轍病害[1]。本文結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)與實(shí)體工程,對(duì)車(chē)轍形成機(jī)理及影響因素進(jìn)行分析；從瀝青膠結(jié)料及級(jí)配方面著手,對(duì)高抗車(chē)轍瀝青混合料的設(shè)計(jì)及應(yīng)用進(jìn)行研究。

1車(chē)轍形成機(jī)理及影響因素分析

1.1　瀝青路面車(chē)轍形成機(jī)理

車(chē)轍的形成及發(fā)展主要分為3個(gè)階段：開(kāi)始的壓密過(guò)程、穩(wěn)定壓密及剪切流動(dòng)變形[2]。當(dāng)瀝青路面達(dá)到規(guī)定壓實(shí)度要求時(shí)，剪切流動(dòng)變形是引發(fā)車(chē)轍病害的主要原因，提高瀝青混合料的骨架結(jié)構(gòu)性能及瀝青膠結(jié)料性能是改善其抗車(chē)轍性能的關(guān)鍵因素。

1.2　瀝青混合料抗車(chē)轍性能的影響因素

(1) 集料性質(zhì)。集料性質(zhì)尤其是骨料的正片狀含量、集料與瀝青的粘附性等指標(biāo)是影響瀝青混合料的重要因素。棱角性良好的集料間能夠形成較強(qiáng)的嵌擠力，提高混合料的整體強(qiáng)度，改善混合料的抗車(chē)轍性能。

(2) 級(jí)配。研究表明，瀝青混合料的抗車(chē)轍性能60%取決于集料間的嵌擠作用，因此必須選擇合理的礦料級(jí)配，構(gòu)成緊密嵌擠型瀝青混合料。級(jí)配過(guò)粗將增大混合料孔隙率，使嵌擠能力降低，導(dǎo)致礦料間的穩(wěn)定性下降，最終表現(xiàn)為動(dòng)穩(wěn)定度降低，抗車(chē)轍性能較差；同時(shí)還會(huì)降低混合料抗?jié)B水性能，引發(fā)水毀病害。過(guò)細(xì)則會(huì)降低粗骨料含量，細(xì)料粉料較多，導(dǎo)致混合料形成懸浮結(jié)構(gòu)，最終也會(huì)降低混合料動(dòng)穩(wěn)定度與抗車(chē)轍性能。

(3) 瀝青膠結(jié)料種類及用量。瀝青膠結(jié)料的性能是決定瀝青混合料抗車(chē)轍性能的關(guān)鍵因素。高軟化點(diǎn)、高粘度能保證瀝青膠結(jié)料具有良好的高溫性能，因此，選擇此類瀝青拌制而成的瀝青混合料通常具有良好的抗車(chē)轍性能；但為了保證混合料具有良好的抗裂性能，還要求瀝青具有較大的針入度。其次瀝青用量也是重要影響因素之一，瀝青用量過(guò)大會(huì)使過(guò)多的瀝青處于游離狀態(tài)，降低集料間的內(nèi)摩擦力；用量過(guò)低則會(huì)導(dǎo)致集料表面瀝青膜太薄，礦料間粘聚力降低。

2高抗車(chē)轍瀝青混合料設(shè)計(jì)方法研究

2.1　瀝青膠結(jié)料的選擇

目前國(guó)內(nèi)外通常通過(guò)采用改性瀝青的方法來(lái)提高高溫性能,從而改善瀝青混合料的抗車(chē)轍性能，其中SBS改性劑、巖瀝青、橡膠瀝青是最為常用的添加劑[3]。SBS改性劑能夠使瀝青韌性提高、軟化點(diǎn)上升、滲透性降低、高溫下的流動(dòng)傾向減弱，還能提高瀝青的剛性、拉伸強(qiáng)度、延性,以及回彈性；而巖瀝青能夠改善瀝青與集料的粘附性，具有良好的抗剝落性能。因此，本文選用SBS改性劑與巖瀝青對(duì)70號(hào)基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性以形成高粘、高彈、高延的復(fù)合改性瀝青。其中巖瀝青摻量為8%，SBS改性劑摻量為2%，復(fù)合改性瀝青技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1　復(fù)合改性瀝青技術(shù)指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果

由表1可見(jiàn)，復(fù)合改性瀝青具有較高的軟化點(diǎn)和較大的延度，說(shuō)明高溫性能及延展性良好。

2.2　級(jí)配范圍的確定

目前國(guó)內(nèi)通常采用AC-20型瀝青混合料鋪筑中面層，配合比設(shè)計(jì)多參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[4]中級(jí)配范圍進(jìn)行級(jí)配選擇，然后通過(guò)馬歇爾試驗(yàn)方法確定最佳油石比。本文綜合考慮Superpave設(shè)計(jì)中禁區(qū)和控制點(diǎn)的要求[5]，并結(jié)合AC-20級(jí)配要求，要求級(jí)配曲線通過(guò)AC-20級(jí)配下限與禁區(qū)下限，以形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)，又具有合適的空隙率，達(dá)到抗車(chē)轍和抗水害的雙重目的。推薦級(jí)配范圍見(jiàn)表2。

表2　高抗車(chē)轍瀝青混合料級(jí)配范圍

3混合料設(shè)計(jì)及性能研究

3.1　配合比設(shè)計(jì)

(1) 級(jí)配的確定。選用石灰?guī)r進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，借鑒Superpave技術(shù)成果，在上述推薦級(jí)配范圍內(nèi)，嚴(yán)格控制4.75 mm關(guān)鍵篩孔與1/2最大公稱尺寸篩孔通過(guò)率，并根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定合理的礦粉用量，保證混合料級(jí)配曲線成S型，從而確保瀝青混合料形成骨架密實(shí)性與均勻性。

根據(jù)上述分析，將關(guān)鍵篩孔4.75 mm通過(guò)率控制在下限與中值之間即為26%~41%；1/2最大公稱尺寸篩孔為9.5 mm，控制在中值與上限之間即為61%~72%；礦粉用量控制在3%~7%。從而獲得高抗車(chē)轍AC-20瀝青混合料級(jí)配，見(jiàn)表3，級(jí)配曲線見(jiàn)圖1。

(2) 油石比的確定。采用馬歇爾試驗(yàn)方法確定高抗車(chē)轍瀝青混合料的油石比，初選3.7%，4.0%，4.3%，4.6%，4.9% 5個(gè)油石比成型標(biāo)準(zhǔn)的馬歇爾試件，測(cè)定其體積參數(shù)、穩(wěn)定度及流值，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表4。

表3　設(shè)計(jì)級(jí)配

圖1　級(jí)配曲線

油石比/%毛體積相對(duì)密度空隙率/%瀝青飽和度/%礦料間隙率/%穩(wěn)定度/kN流值/0.1mm3.72.4256.454.614.19.623.84.02.4375.560.7149.824.14.32.4494.369.113.91128.94.62.4494.171.114.211.3314.92.4393.477.214.910.335.4要求3~665~75>13>815~40

根據(jù)表4的試驗(yàn)結(jié)果，取毛體積密度與穩(wěn)定度最大值、孔隙率與瀝青飽和度中值所對(duì)應(yīng)油石比的平均值作為OAC1，即OAC1為4.4%；然后確定同時(shí)滿足空隙率、飽和度、穩(wěn)定度、流值技術(shù)要求的油石比區(qū)間，取區(qū)間的OACmin值與OACmax值的平均值作為OAC2，即OAC2=(OACmin+OACmax)/2=(4.15%+4.8%)/2=4.5%；根據(jù)上述結(jié)果最終得出最佳油石比OAC為4.45%。結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，推薦施工時(shí)采用4.4%。

3.2　性能研究

按4.4%的油石比成型試件，并采用相同的級(jí)配拌制基質(zhì)瀝青混合料，與復(fù)合改性瀝青混合料進(jìn)行對(duì)比分析。

(1) 水穩(wěn)定性。采用凍融劈裂試驗(yàn)與浸水馬歇爾試驗(yàn)評(píng)價(jià)高抗車(chē)轍AC-20瀝青混合料的水穩(wěn)定性，殘留穩(wěn)定度和凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比必須滿足規(guī)范中85%和80%的要求，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　水穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)上述結(jié)果知道，高抗車(chē)轍瀝青混合料的殘留穩(wěn)定度高達(dá)93%，凍融劈裂強(qiáng)度比接近90%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通瀝青混合料，且高抗車(chē)轍瀝青混合料具有較大的馬歇爾穩(wěn)定度與劈裂強(qiáng)度。這說(shuō)明高抗車(chē)轍瀝青混合料的力學(xué)性能更好，水穩(wěn)性更優(yōu)。這主要是因?yàn)閺?fù)合改性瀝青粘度大，與集料粘附性較好，抗剝落性能較優(yōu)。

(2) 高溫性能。采用輪碾成型機(jī)碾壓成型尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的車(chē)轍板，養(yǎng)生48 h后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)車(chē)轍試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為60 ℃，時(shí)間為60 min，試驗(yàn)輪壓與標(biāo)準(zhǔn)軸載一致，為0.7 MPa。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6　車(chē)轍試驗(yàn)結(jié)果

由表6可見(jiàn)，高抗車(chē)轍瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)高達(dá)9 858次/mm，是普通瀝青混合料的5倍左右；而相同級(jí)配下普通瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度也達(dá)到1 774次/mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范不低于800次/mm的要求。這主要是因?yàn)樵摷?jí)配為骨架密實(shí)型級(jí)配，骨料之間具有良好的骨架嵌擠作用，混合料強(qiáng)度較高；而符合改性瀝青的軟化點(diǎn)較高，針入度較小，具有良好的高溫性能，因此，高抗車(chē)轍瀝青混合料的高溫抗車(chē)轍性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通瀝青混合料。

4實(shí)體工程應(yīng)用

將上述級(jí)配及油石比的高抗車(chē)轍瀝青混合料應(yīng)用于某實(shí)體工程，研究其工程可行性。該道路為港區(qū)重載公路，重車(chē)比重大，集卡比例高，因此需要提高瀝青路面的抗車(chē)轍性能。施工結(jié)束后對(duì)瀝青路面的壓實(shí)度、滲水系數(shù)、構(gòu)造深度及抗滑擺值進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7　工程檢測(cè)結(jié)果

由表7可見(jiàn)，高抗車(chē)轍瀝青混合料實(shí)體工程的壓實(shí)度能夠得到較好保證，滲水系數(shù)、構(gòu)造深度及抗滑擺值都能夠滿足規(guī)范要求。這說(shuō)明混合料施工質(zhì)量易于控制，且具有良好的路表性能。

對(duì)該路段的車(chē)轍深度進(jìn)行跟蹤觀察，并進(jìn)行鉆心取樣測(cè)試上、下面層厚度，評(píng)價(jià)混合料的抗車(chē)轍性能。檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表8。

表8　車(chē)轍深度及面層厚度檢測(cè)結(jié)果

從表8中工后1年與工后的面層厚度差值可以計(jì)算得出，經(jīng)過(guò)1年的車(chē)輛荷載作用，上面層的壓密變形為6.0 mm，占該路段平均車(chē)轍深度(8.2 mm)的70%以上；下面層壓密變形僅為2.1 mm，說(shuō)明下面層混合料具有良好的抗車(chē)轍性能。

5結(jié)語(yǔ)

車(chē)轍的形成及發(fā)展主要分為開(kāi)始的壓密過(guò)程、穩(wěn)定壓密及剪切流動(dòng)變形3個(gè)階段；集料、瀝青、級(jí)配、油石比等是影響瀝青混合料抗車(chē)轍性能的主要因素，其中瀝青的粘結(jié)力和礦料顆粒之間的嵌擠力起著決定性作用。本文采用8%的巖瀝青和2%的SBS改性劑配置復(fù)合改性瀝青；借鑒Superpave技術(shù)成果，提出高抗車(chē)轍改性瀝青混合料的級(jí)配范圍；嚴(yán)格控制4.75 mm關(guān)鍵篩孔與1/2最大公稱尺寸篩孔通過(guò)率及礦粉用量，設(shè)計(jì)成S形級(jí)配曲線，從而確保瀝青混合料形成骨架密實(shí)性與均勻性。室內(nèi)試驗(yàn)與工程實(shí)踐表明，高抗車(chē)轍瀝青混合料施工質(zhì)量易于控制，且具有良好的路用性能。

參考文獻(xiàn)

[1]關(guān)偉.瀝青路面車(chē)轍形成機(jī)理及影響因素分析[J].山西交通科技,2006(5):30-33.

[2]高立波,哲人,鄧昌寧.高速公路瀝青路面車(chē)轍的產(chǎn)生機(jī)理及主要影響因素分析[J].沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008(1):67-71.

[3]宋家楠,黃治冶,徐向輝.膠粉/SBS復(fù)合改性瀝青與SBS改性瀝青、橡膠瀝青的基本性能比較研究[J].北方交通,2012(7):3-5.

[4]JTG F40-2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5]許志鴻,陳興偉,劉紅,等. Superpave級(jí)配范圍[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào),2003(3):1-6.

Design and Application Research on Asphalt Mixture with High Rutting

Resistance Performance in the Middle Surface Layer

CaiLina

(Shanxi Transportation Research Institute, National and Local Joint Engineering

Laboratory of Advanced Road Materials, Shanxi Taiyuan 030006 China)

Abstract：Aggregates, asphalt, grading, whetstone ratio are the major factors affecting rutting resistance performance of asphalt mixture, adhesion of asphalt and wedging force between mineral aggregate particles play decisive roles. In this paper, 8% rock asphalt and 2% SBS modifier were used to configure complex modified asphalt. Gradation range of asphalt mixture with high rutting resistance performance was made out with reference to the Superpave technological achievements. At last, the optimum asphalt ratio was determined by Marshall Test Methods. The studies have shown that the construction quality of asphalt mixture with high anti-rutting performance is easy to control, and the road performance of mixture is well.

Key words:asphalt pavement; mixture; rutting; superpave

收稿日期：2015-10-16

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.041