新疆巖瀝青對高速公路面層抗車轍性能影響研究

彭煒， 彭紅

(1.湖南聯(lián)智橋隧技術(shù)有限公司， 湖南 長沙 410219；2.中咨工程建設(shè)監(jiān)理有限公司 湖南分公司， 湖南 長沙 410000)

中國高速公路早期損害嚴(yán)重，車轍、松散、坑槽、擁包等病害層出不窮，其原因主要是車輛超載、外界環(huán)境作用引起的道路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性不足，使路面養(yǎng)護(hù)周期縮短，養(yǎng)護(hù)成本提高，高速公路通行能力減弱。相對于傳統(tǒng)的SBS、SBR改性瀝青，巖瀝青具有存儲過程中不易離析、硬殼，拌和過程不需要增加特殊設(shè)備等優(yōu)點，且其瀝青膠漿比例、車轍因子高于其他改性瀝青，高溫流變特性也較好。SMA混合料為懸浮骨架型結(jié)構(gòu)，抗車轍、抗疲勞、抗滑等性能與AC型密級配瀝青混合料相比皆處于上風(fēng)。研究表明，巖瀝青SMA-13C混合料能較好地抵抗高溫荷載作用。該文從高速公路面層改性瀝青材料角度，對比分析不同配比瀝青混合料的抗車轍性能。

1 試驗原材料

1.1 瀝青

采用70#基質(zhì)瀝青，其性能指標(biāo)見表1。

表1 70#基質(zhì)瀝青的性能指標(biāo)

巖瀝青的形成環(huán)境較復(fù)雜，沉積時間很長，不同產(chǎn)地生成的巖瀝青在物理、化學(xué)性能上差異較大。青川巖瀝青產(chǎn)于四川青川縣，瀝青含量89.5%，還含有石英、方解石、伊利石、高嶺石等礦物，為黑色塊狀固體，屬脆瀝青類；新疆巖瀝青產(chǎn)自新疆烏爾禾鎮(zhèn)，瀝青含量高達(dá)99.4%，其耐高溫、防老化能力一流。選擇新疆巖瀝青(以下簡稱巖瀝青)，其組分比例為瀝青質(zhì)∶膠質(zhì)∶芳香分∶飽和分=31∶48∶10∶6，技術(shù)指標(biāo)見表2。

表2 新疆巖瀝青的性能指標(biāo)

試驗研究表明，8%新疆巖瀝青與A-70#瀝青摻配時，瀝青混合料的各項試驗指標(biāo)大部分處于最佳，故采用該摻配比例進(jìn)行分析。

1.2 集料

采用輝綠巖作為試驗集料，其性能指標(biāo)見表3。

表3 輝綠巖的性能指標(biāo)

1.3 填料

采用礦粉作為填料，其性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，且潔凈、干燥，是憎水性材料。

1.4 混合料級配

SMA-13C瀝青混合料采用表4所示級配，AC-13C瀝青混合料采用表5所示級配。

表4 SMA-13C瀝青混合料的級配

表5 AC-13C瀝青混合料集料的級配

2 室內(nèi)試驗研究

通過室內(nèi)加速加載試驗?zāi)M路面使用過程，測量各試驗板參數(shù)，分析各試驗參數(shù)的變化。

2.1 瀝青混合料加速加載試驗系統(tǒng)

加速加載試驗系統(tǒng)由0.7 MPa胎壓的橡膠小輪驅(qū)動，橡膠小輪直徑50 cm，其通過摩阻力帶動大輪轉(zhuǎn)動；大輪輪面上設(shè)有8個卡槽，弧形試驗板可放入卡槽中并由螺栓固定在大輪表面，大輪直徑120 cm，轉(zhuǎn)速1.6 r/s；小輪與弧形試件之間保持225 kN的恒定荷載，通過小輪在弧形試件上的作用模擬車輪荷載在高速公路路面上的作用?；⌒卧囼灠逶趬簩嵆尚秃笾糜?5 ℃環(huán)境中養(yǎng)生24 h。

2.2 試驗過程

試驗分為4組：第一組采用8%新疆巖瀝青+A-70#基質(zhì)瀝青，集料級配為SMA-13C，油石比分別為3.5%、4%、4.5%、5%，每種油石比制作2塊弧形試驗板，進(jìn)行2次平行試驗；第二組也采用8%新疆巖瀝青+A-70#基質(zhì)瀝青，集料級配為AC-13C，油石比同第一組，每種油石比制作2塊弧形試驗板，進(jìn)行2次平行試驗；第三組采用70#基質(zhì)瀝青，集料級配為SMA-13C，油石比同第一組，每組油石比制作2塊試驗板；第四組采用70#基質(zhì)瀝青，集料級配為AC-13C，油石比同第一組，每組油石比制作2塊試驗板。

試驗系統(tǒng)加載500次后，采集弧形試驗板第一組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，包括重量mi0、車轍深度Di0，隨后將它們再次嵌入加速加載系統(tǒng)大輪中，調(diào)好參數(shù)，繼續(xù)試驗。小輪轉(zhuǎn)動5 000次后，暫停試驗，取下弧形試驗板，檢測其重量mi1、車轍深度Di1。之后在小輪轉(zhuǎn)動5萬、10萬、20萬、30萬、50萬、100萬次的時間節(jié)點取下試驗板，測量mi、Di、BPNi等試驗數(shù)據(jù)。其他各組進(jìn)行相同操作，得到試驗數(shù)據(jù)。

2.3 試驗數(shù)據(jù)分析

2.3.1 同組試驗數(shù)據(jù)對比

第一組弧形試驗板在加載次數(shù)完成后的試驗數(shù)據(jù)見表6、表7。

表6 SMA-13C巖瀝青混合料的車轍深度

表7 SMA-13C巖瀝青混合料的損失質(zhì)量

由表6可知：油石比為4.5%時，SMA-13C瀝青混合料的車轍深度增速最慢，增幅最?。挥褪刃∮?.5%時，試件最后均損壞；油石比為5%時，試件受荷載作用10萬次后，車轍發(fā)育深度最大?；旌狭嫌褪仍酱?，柔性更佳，越容易變形；油石比越小，粘附集料的能力越差，越容易損壞。

由表7可知：隨荷載作用次數(shù)的增加，巖瀝青混合料的質(zhì)量損失逐漸增加?；旌狭嫌褪仍酱?，包裹集料的瀝青越多，越難掉落集料，質(zhì)量損失越小。

2.3.2 不同組試驗數(shù)據(jù)對比

取4組試驗中油石比為4.5%的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ?，結(jié)果見表8、圖1。

表8 油石比為4.5%時各組試驗的車轍深度

圖1 油石比為4.5%時各組試驗的車轍深度發(fā)展趨勢

由圖1可知：各組試驗的車轍深度與試驗加載次數(shù)的對數(shù)呈線性關(guān)系，可決系數(shù)基本在0.94以上，擬合程度良好。隨加載次數(shù)的增加，車轍深度不斷增長，但增長速率減緩。

為更直觀地分析各試驗組的材料性能，對比分析各組路面結(jié)構(gòu)的使用壽命。根據(jù)相關(guān)試驗研究結(jié)果，加速加載系統(tǒng)試驗累計加載次數(shù)與路面累計軸載作用次數(shù)Ne呈正比關(guān)系，試驗加載次數(shù)=車道系數(shù)×輪跡分布系數(shù)×Ne；高速公路交通量等級為重時，設(shè)計年限(15年)內(nèi)路面累計軸載作用次數(shù)為2 600萬次/車道。根據(jù)上述室內(nèi)試驗結(jié)果，油石比為4.5%時，試驗板車轍深度超過10 mm后基本損壞。綜上，得到表9所示各試驗組路面結(jié)構(gòu)的模擬使用壽命。

由表9可知：相對于密實型結(jié)構(gòu)AC-13，SMA-13的抗車轍性能優(yōu)勢明顯；巖瀝青的摻入可使路面結(jié)構(gòu)使用壽命增加42%～54%。

表9 各組試驗路面結(jié)構(gòu)模擬使用壽命

3 結(jié)論

采用路面加速加載試驗系統(tǒng)模擬不同面層混合料車轍深度隨荷載作用次數(shù)的發(fā)展過程，得出以下結(jié)論；

(1) 新疆巖瀝青混合料在抗車轍性能方面的最佳油石比為4.5%。

(2) SMA-13瀝青混合料比AC-13瀝青混合料具有更強的抗車轍能力。

(3) 新疆巖瀝青混合料比基質(zhì)瀝青混合料具有更強的抗車轍性能。