凍融地區(qū)汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)技術(shù)研究

王時(shí)根 （中鐵四局集團(tuán)第一工程有限公司，安徽 合肥 230041）

1 引言

汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)是為測(cè)試汽車(chē)的綜合性能而特別設(shè)計(jì)的專(zhuān)用場(chǎng)地。試車(chē)場(chǎng)的高速環(huán)道、動(dòng)態(tài)廣場(chǎng)、性能路等是汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)的重要組成部分，尤其是高速環(huán)道是供汽車(chē)進(jìn)行連續(xù)高速行駛試驗(yàn)的閉合循環(huán)跑道，測(cè)試汽車(chē)的高速巡航能力，在高速狀況下的傳動(dòng)系統(tǒng)工作狀態(tài)、制動(dòng)和高速耐久性等的相關(guān)性能，是汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)最為重要的汽車(chē)測(cè)試道路之一。

一汽-大眾汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)位于長(zhǎng)春市農(nóng)安縣巴吉壘鎮(zhèn)，總區(qū)域長(zhǎng)7km，寬2km，占地14k㎡，其中試驗(yàn)場(chǎng)核心試驗(yàn)區(qū)域及運(yùn)行控制區(qū)長(zhǎng)6km，寬1km，共6k㎡，一期工程施工區(qū)域占4.5 k㎡。主要包括四大功能區(qū)：高速環(huán)道全長(zhǎng)9942.16m、動(dòng)態(tài)廣場(chǎng)直徑300m、性能試驗(yàn)路、耐久強(qiáng)化路，共有54種特殊路面。其中高速環(huán)道面層分為4層瀝青路面，結(jié)構(gòu)為4cmAC-10F、5cm AC-16F、8cm AC-20F、8cm AC-25F；動(dòng)態(tài)廣場(chǎng)、性能路為3層瀝青路面，分別為4cmAC-10F、5cm AC-16F、8cm AC-25F。

圖1 高速環(huán)道曲線段路面結(jié)構(gòu)

圖2 高速環(huán)道曲線段斷面圖

2 長(zhǎng)春環(huán)境氣候特點(diǎn)及當(dāng)?shù)氐缆窞r青路面裂縫情況

長(zhǎng)春市農(nóng)安縣屬北溫帶大陸性半濕潤(rùn)氣候區(qū)，四季分明，具有春季干燥多風(fēng)、夏季濕熱多雨、秋季涼爽短暫、冬季寒冷漫長(zhǎng)的特點(diǎn)。多年平均降水量為516.1mm。降水時(shí)間多集中于6到9月，6－9月平均降水量為409.8mm，占年平均降水量的79%。年平均蒸發(fā)量為1680mm。年均氣溫為4.7℃。高溫天氣，多出現(xiàn)在7月份，月均氣溫為23℃。最高氣溫達(dá)到35.8℃。最低氣溫多在1月，月平均氣溫為-17℃，極端最低氣溫達(dá)-36℃。

通過(guò)對(duì)長(zhǎng)春周邊地區(qū)高速公路瀝青路面調(diào)查發(fā)現(xiàn)，高速公路瀝青路面裂縫主要是橫向裂縫，有規(guī)律的每隔20～40m就存在一道，彎彎曲曲貫穿整個(gè)橫斷面，與道路中線基本垂直。橫向裂縫兩側(cè)出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)，高低不平，危機(jī)行車(chē)安全和影響試車(chē)效果，縮短道路使用壽命。

圖3 調(diào)查的長(zhǎng)伏公路瀝青路面裂縫

3 本項(xiàng)目高速環(huán)道和動(dòng)態(tài)廣場(chǎng)瀝青路面技術(shù)特點(diǎn)

3.1 高速環(huán)道瀝青路面

高速環(huán)道瀝青面層施工不同于常規(guī)道路平面攤鋪，需要在曲面上完成攤鋪、碾壓。高速環(huán)道曲面最大超高角達(dá)48.8。，為國(guó)內(nèi)汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)高速環(huán)道最大超高角，要求曲面橫斷面一次性攤鋪完成，曲面上不得有縱縫，防止高速車(chē)道瀝青攤鋪滑落、碾壓開(kāi)裂是保證路面質(zhì)量的重點(diǎn)。

3.2 動(dòng)態(tài)廣場(chǎng)瀝青路面

動(dòng)態(tài)廣場(chǎng)是一個(gè)直徑300m的圓，基層為總厚度32cm的級(jí)配碎石，路面結(jié)構(gòu)為三層瀝青，總厚度17㎝，由北向南坡度為0.5%，面積大、坡度小，且項(xiàng)目所在地處于高寒地區(qū)，對(duì)試車(chē)路面的平整性能和抵抗裂縫要求高。

4 實(shí)地采集路面內(nèi)部溫度及分布特性

為實(shí)地研究路面內(nèi)部的溫度及分布情況，分別在試車(chē)場(chǎng)路面的路面表面5cm深、15cm深和30cm深處埋設(shè)了溫度傳感器，溫度傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)溫度并記錄數(shù)據(jù)，溫度數(shù)據(jù)每半小時(shí)記錄一次。在寒冷氣候（12月至次年2月）及炎熱氣候（8月至10月）條件下、經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的監(jiān)測(cè)記錄，得到路面不同層位的長(zhǎng)期溫度變化情況，如圖4所示。

可以看出，在寒冷氣候下，總體上路面的溫度由路表向下越來(lái)越高，路表溫度最低。在記錄時(shí)期內(nèi)，一天內(nèi)的溫度變化中，路表的溫度變化幅度最高，在基層（30cm深處）則變化很?。徊⑶衣访鎯?nèi)的溫度變化呈現(xiàn)出明顯的滯后性，白天溫度升高時(shí)，路表在下午2點(diǎn)左右達(dá)到最高溫度，隨后路表以下各層相繼達(dá)到最高，夜晚溫度降低時(shí)同理。綜合研究路面上面層最易受到極端溫度引起的病害；相較于上面層，路面中、下面層受到外界溫度變化帶來(lái)的影響較小。為保證路面的質(zhì)量，選用PG64-34瀝青作為上面層路面的瀝青結(jié)合料，中、下面層選用PG58-28瀝青。

圖4 路面溫度變化

5 瀝青配合比設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

5.1 基于PG分級(jí)的瀝青膠結(jié)料的選擇

瀝青PG技術(shù)包括瀝青膠結(jié)料規(guī)范、瀝青膠結(jié)料試驗(yàn)以及瀝青膠結(jié)料的選擇方法，對(duì)瀝青技術(shù)指標(biāo)體系進(jìn)行了根本性變革，將瀝青的指標(biāo)與路用性能緊密聯(lián)系起來(lái)，根據(jù)瀝青感溫特性、供用道路交通荷載組成水平、路用性能分類(lèi)(高溫、低溫、中溫)、瀝青老化前后性質(zhì)變化等因素來(lái)確定瀝青等級(jí)。它的顯著特色是一反“固定溫度進(jìn)行試驗(yàn)而改變標(biāo)準(zhǔn)值”的辦法，而是采用“標(biāo)準(zhǔn)值不變而改變?cè)囼?yàn)溫度”的辦法，即“標(biāo)準(zhǔn)是一致的，條件是不同的”。

5.1.2 高溫和低溫性能試驗(yàn)

高溫指標(biāo)采用DSR（動(dòng)態(tài)剪切流變）試驗(yàn)，測(cè)試原樣瀝青和RTFO老化后的瀝青殘留物，在相應(yīng)條件下的復(fù)合剪切模量（G*）以及相位角（δ），然后計(jì)算車(chē)轍因子（G*/sinδ），對(duì)同時(shí)滿足：①原樣瀝青 G*/sinδ≥1.0kPa；②RTFOT之后的瀝青殘留物 G*/sinδ≥2.2kPa；③取二者最高溫度中的低值作為該瀝青的高溫等級(jí)。

低溫指標(biāo)采用DSR（動(dòng)態(tài)剪切流變）和BBR（彎曲梁流變儀）試驗(yàn)，DSR試驗(yàn)將RTFOT老化及PAV老化后的瀝青，自34℃起，間隔3℃進(jìn)行DSR試驗(yàn)，直至剛好 G*sinδ＞5000kPa，獲取滿足 G*sinδ≤500kPa的最低溫度，從而確定BBR試驗(yàn)的起始溫度。BBR試驗(yàn)將經(jīng)過(guò)RTFOT和PAV老化后的瀝青制成12.5mm×12.5mm×6.25mm的小梁，測(cè)得不同溫度下（為加快試驗(yàn)速度，所選測(cè)試溫度比實(shí)際溫度提高10℃），瀝青膠結(jié)料兩個(gè)指標(biāo)：瀝青抵抗恒載的能力S（蠕變勁度）和瀝青勁度變化的速率m，當(dāng)同時(shí)滿足S＜300MPa和m＞0.3時(shí)，取該實(shí)際溫度為低溫等級(jí)。

PG分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)、指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)值 表1

圖5 DSR原理示意圖

圖6 動(dòng)態(tài)剪切流變儀

經(jīng)檢測(cè)的90#基質(zhì)瀝青及SBS(I-C)分別按照PG58-28、PG64-34分級(jí)要求進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

可以看到對(duì)于3種瀝青樣品，按照針入度等級(jí)劃分均為相同等級(jí)，但從PG檢測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，即使相同標(biāo)號(hào)的瀝青，其性能差異還比較大。對(duì)比以上檢測(cè)數(shù)據(jù)，可以看出，C樣品基質(zhì)瀝青和C樣品SBS改性瀝青均要優(yōu)秀于其他兩個(gè)樣品，同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)較差的瀝青主要都是由于低溫性能不足，代表高溫性能的車(chē)轍因子指標(biāo)也有所差異，而這些差別是針入度，延度和軟化點(diǎn)等常規(guī)實(shí)驗(yàn)難以有效地區(qū)分開(kāi)。

5.2 瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)要求及約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)

由于農(nóng)安縣冬季溫度低、且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)計(jì)文件要求瀝青混合料為細(xì)型（F型）的密實(shí)級(jí)配型。在配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中在以高溫車(chē)轍性能為重要驗(yàn)證指標(biāo)情況下，增加低溫彎曲和凍融劈裂性能。瀝青混合料的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表4。

瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)包括三項(xiàng)基本內(nèi)容：礦料級(jí)配設(shè)計(jì)、最佳瀝青用量和路用性能檢驗(yàn)。

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)三種級(jí)配的混合料低溫抗裂性能，優(yōu)選最優(yōu)級(jí)配，采用約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)評(píng)價(jià)三種配合比。約束試件溫度應(yīng)力試驗(yàn)（TSRST）由美國(guó)公路研究戰(zhàn)略計(jì)劃（SHRP）提出，SHRP提出的典型TSRST儀器如圖7和圖8所示，儀器采用4個(gè)溫度傳感器來(lái)測(cè)定試件表面的溫度，用一個(gè)溫度傳感器測(cè)定環(huán)境箱的溫度，根據(jù)環(huán)境箱溫度和設(shè)定的降溫速率比較來(lái)控制是否向環(huán)境箱中噴射液氮。當(dāng)試件在降溫過(guò)程中產(chǎn)生收縮時(shí)，儀器通過(guò)計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)馬達(dá)把試件拉伸到初始的位置，模擬路面的約束作用。這樣就可以測(cè)定瀝青溫合料試件在降溫過(guò)程中所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力。試驗(yàn)時(shí)可以任意設(shè)定一個(gè)初始溫度和降溫速率，以測(cè)定在不同初始溫度和不同降溫速率下瀝青混合料試件中的溫度應(yīng)力。

基質(zhì)瀝青PG檢測(cè)結(jié)果 表2

SBS（I-C）改性瀝青PG檢測(cè)結(jié)果 表3

瀝青混合料技術(shù)指標(biāo)要求 表4

(上面層)三種級(jí)配的TSRST指標(biāo)對(duì)比 表5

圖7 TSRST試驗(yàn)示意圖

圖8 TSRST試驗(yàn)實(shí)景圖

對(duì)三種級(jí)配分別進(jìn)行TSRST試驗(yàn)，試驗(yàn)初始溫度為5℃，降溫梯度為-10℃/h，結(jié)果如圖9所示。

圖9 三種級(jí)配TSRST結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)中試件的溫度應(yīng)力隨溫度降低而增大，并最終開(kāi)裂發(fā)生破壞。試件在開(kāi)裂時(shí)的溫度和溫度應(yīng)力即為凍斷溫度和凍斷強(qiáng)度，這是評(píng)價(jià)混合料的低溫抗裂性能的兩個(gè)重要指標(biāo)。表5列出了三種級(jí)配的凍斷溫度和凍斷強(qiáng)度指標(biāo)對(duì)比，對(duì)比發(fā)現(xiàn)級(jí)配C的凍斷溫度最低，凍斷強(qiáng)度最高，因此級(jí)配C的低溫開(kāi)裂性能最好，因此選擇級(jí)配C作為最終配合比。

6 結(jié)論

通過(guò)實(shí)地研究路面內(nèi)部的溫度分布及變化分析，路面的上面層最易受到極端溫度引起的病害；相較于上面層，路面中、下面層受到外界溫度變化帶來(lái)的影響較小。為保證路面的質(zhì)量并充分考慮工程的經(jīng)濟(jì)性，選用PG64-34瀝青作為上面層路面的瀝青結(jié)合料，中、下面層選用PG58-28瀝青。

采用PG64-34瀝青的AC-10F混合料的動(dòng)穩(wěn)定度明顯高于其余三種采用PG58-28瀝青的混合料，提升瀝青的高溫PG等級(jí)可以顯著的提升瀝青混合料高溫性能。對(duì)比另外三種PG58-28瀝青混合料，由于更大粒徑的集料顆粒形成的骨架，其承重能力也更大，因此提升了混合料的抗車(chē)轍性能。

對(duì)于混合料低溫性能，路面上面層最易受低溫影響產(chǎn)生病害，在上面層瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)過(guò)程中專(zhuān)門(mén)增加低溫凍斷試驗(yàn)評(píng)價(jià)材料的低溫抗裂性能，作為級(jí)配優(yōu)選的依據(jù)之一，凍斷溫度最低，凍斷強(qiáng)度最高，因此低溫開(kāi)裂性能最好。

對(duì)于對(duì)經(jīng)過(guò)兩個(gè)凍融期的現(xiàn)場(chǎng)檢查，道路整體功能優(yōu)良，高速環(huán)道及動(dòng)態(tài)廣場(chǎng)大面積等瀝青試車(chē)道路平順，滿足使用功能。