塞內(nèi)加爾高速公路瀝青路面抗車轍技術(shù)

呂歡，蔣勇，張建國(guó)，曾峰

(中國(guó)路橋工程有限責(zé)任公司，北京市 100011)

車轍是瀝青路面最具危害的破壞形式之一，車轍的存在，不僅會(huì)降低路面的路用性能，還會(huì)縮短瀝青路面的使用壽命，甚至危及行車安全。境外某高速公路位于氣候炎熱的西非塞內(nèi)加爾(以下簡(jiǎn)稱“TT項(xiàng)目”)，完全按照法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理。TT項(xiàng)目的瀝青混合料級(jí)配也是將原材料送至法國(guó)，由位于法國(guó)的某國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。項(xiàng)目路面采用全厚式路面結(jié)構(gòu)，從下到上分別為25 cm的水泥改善紅土礫料墊層(GLC)、22 cm的瀝青碎石基層(GB4)、6 cm的瀝青混凝土面層(BBSG3)。塞內(nèi)加爾炎熱的氣候環(huán)境與法國(guó)存在巨大差異，但按照項(xiàng)目合同，項(xiàng)目必須嚴(yán)格執(zhí)行法國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，因此該文依據(jù)法國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，分析評(píng)價(jià)該項(xiàng)目的車轍風(fēng)險(xiǎn)，制定出經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行的技術(shù)對(duì)策，以此解決塞內(nèi)加爾瀝青路面常見車轍問題。

1 TT項(xiàng)目車轍影響因素

1.1 氣候環(huán)境因素

TT項(xiàng)目采用法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，但是塞內(nèi)加爾與法國(guó)相隔較遠(yuǎn)，因此在分析車轍風(fēng)險(xiǎn)原因時(shí)，必須考慮塞內(nèi)加爾與法國(guó)的氣候差異。地理緯度的差異造成塞內(nèi)加爾與法國(guó)氣候存在明顯的差別，位于熱帶的塞內(nèi)加爾，屬于熱帶稀樹草原氣候，終年炎熱；位于溫帶的法國(guó)本土大部分屬于海洋性氣候，冬溫夏涼。圖1、2為TT項(xiàng)目沿線的捷斯、久爾貝勒兩個(gè)城市和法國(guó)巴黎的氣溫與降雨走勢(shì)圖，由圖1、2可見：TT項(xiàng)目沿線在氣候上與法國(guó)有相當(dāng)大的差異，法國(guó)氣溫明顯較低，且月降雨均勻，而塞內(nèi)加爾終年高溫，降雨集中。

圖1 月最高溫平均值走勢(shì)圖

TT項(xiàng)目在PK20與PK110附近埋設(shè)溫度傳感器，測(cè)得BBSG3層底的溫度如圖3所示，BBSG3層底的最高溫達(dá)58.2 ℃，并且每天溫度40 ℃以上的持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)15 h。由此可見：塞內(nèi)加爾終年炎熱的氣候?qū)е耇T項(xiàng)目瀝青路面會(huì)有很高的溫度與較長(zhǎng)的高溫持續(xù)時(shí)間。

圖2 降雨量走勢(shì)圖

圖3 BBSG3層底溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

為研究溫度對(duì)TT項(xiàng)目瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響程度，選用相同的瀝青，采用BBSG3級(jí)配，在不同溫度條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。表1表明：溫度由55 ℃上到70 ℃，每升高5 ℃，動(dòng)穩(wěn)定度下降30%～40%，瀝青高溫穩(wěn)定性隨著溫度的升高迅速下降。

表1 溫度變化對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的影響

TT項(xiàng)目沿線月均氣溫均為30 ℃以上，較高的溫度可導(dǎo)致瀝青變軟，黏結(jié)性能下降，抗變形能力減弱，在渠化交通作用下，瀝青混合料容易產(chǎn)生橫向流動(dòng)變形，隨著變形的不斷積累而在輪跡帶處形成車轍。因此，塞內(nèi)加爾炎熱的氣候條件是產(chǎn)生車轍風(fēng)險(xiǎn)的重要原因。

1.2 瀝青因素

基于法國(guó)瀝青混合料耐疲勞性能突出的設(shè)計(jì)理念，法國(guó)實(shí)驗(yàn)室提供的GB4與BBSG3級(jí)配均按照最大密度理論設(shè)計(jì)，屬于懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)，與中國(guó)習(xí)慣采用的骨架嵌擠型級(jí)配存在很大差異。在保證優(yōu)良抗疲勞性能的同時(shí)，為提高瀝青混合料的抗車轍能力，法國(guó)通常采用較硬的瀝青以提高混合料的“剛度”(例如該項(xiàng)目按照法標(biāo)使用35/50號(hào)瀝青)。因此硬質(zhì)瀝青的品質(zhì)對(duì)于該項(xiàng)目瀝青混合料的抗車轍能力具有重要影響。

在采取防范車轍風(fēng)險(xiǎn)的措施前，進(jìn)場(chǎng)瀝青的針入度與軟化點(diǎn)頻率分布如圖4、5所示。針入度主要集中在45(0.1 mm)左右，在規(guī)范規(guī)定值35～50(0.1 mm)的偏上限；軟化點(diǎn)主要集中為50～51 ℃，在規(guī)范規(guī)定值50～58 ℃的偏下限。說明進(jìn)場(chǎng)瀝青盡管在合同要求的范圍內(nèi)，但總體偏軟，會(huì)對(duì)GB4與BBSG3的抗車轍性能造成不利的影響。

圖4 瀝青針入度頻率分布圖

圖5 瀝青軟化點(diǎn)頻率分布圖

2 防止車轍風(fēng)險(xiǎn)的措施

為了選取合適的方法提高TT項(xiàng)目道路的抗車轍能力，防止道路出現(xiàn)車轍問題，分別選取可能影響抗車轍能力的多個(gè)變量，進(jìn)行了大量車轍試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析各個(gè)變量對(duì)抗車轍能力的影響程度，進(jìn)而提出解決TT項(xiàng)目車轍風(fēng)險(xiǎn)問題的對(duì)策。

2.1 瀝青品質(zhì)

歐標(biāo)、法標(biāo)大量使用低標(biāo)號(hào)瀝青，與中國(guó)差異很大。法國(guó)用細(xì)級(jí)配、高油石比，增強(qiáng)了路面耐久性，用低標(biāo)號(hào)瀝青，增強(qiáng)了路面剛度和抗車轍能力，這樣瀝青品質(zhì)就成為了問題的關(guān)鍵。為了分析不同品質(zhì)瀝青對(duì)抗車轍能力的影響，找到適合TT項(xiàng)目的瀝青指標(biāo)，分別采用不同品質(zhì)瀝青進(jìn)行車轍試驗(yàn)。

對(duì)于GB4瀝青混合料，在98%壓實(shí)度情況下的試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

由表2可見：瀝青品質(zhì)對(duì)GB4抗車轍能力有顯著的影響。35/50瀝青指標(biāo)范圍過大，不利于實(shí)際工程中的瀝青質(zhì)量控制。對(duì)于硬質(zhì)瀝青，針入度，特別是軟化點(diǎn)指標(biāo)，每變動(dòng)1個(gè)單位，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度都會(huì)有較大變化。送法國(guó)實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的瀝青針入度為41(0.1 mm)，軟化點(diǎn)為53 ℃，其能夠滿足法標(biāo)60 ℃下30 000次輪碾的車轍深度要求，對(duì)應(yīng)的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)也能達(dá)到較高水平。根據(jù)動(dòng)穩(wěn)定度與針入度、軟化點(diǎn)的關(guān)系，考慮到送法國(guó)實(shí)驗(yàn)室的瀝青指標(biāo)，可以在法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)對(duì)瀝青針入度、軟化點(diǎn)增設(shè)內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)，將瀝青針入度控制為35～40(0.1 mm)，軟化點(diǎn)控制為53～58 ℃。

表2 不同瀝青GB4車轍試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于BBSG3瀝青混合料，繪制BBSG3動(dòng)穩(wěn)定度與瀝青的針入度、軟化點(diǎn)關(guān)系如圖6、7所示。采用函數(shù)擬合，針入度為35～40(0.1 mm)時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度為1 594～2 857次/mm；軟化點(diǎn)為53～58 ℃時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度為2 242～3 503次/mm。同樣地，對(duì)于BBSG3層，將瀝青針入度控制為35～40(0.1 mm)，軟化點(diǎn)控制為53～58 ℃，也可以取得不錯(cuò)的動(dòng)穩(wěn)定度提升效果。

圖6 BBSG3動(dòng)穩(wěn)定度與針入度關(guān)系

圖7 BBSG3動(dòng)穩(wěn)定度與軟化點(diǎn)關(guān)系

為了提高GB4、BBSG3層的抗車轍能力，直接將瀝青標(biāo)號(hào)調(diào)低到20/30是個(gè)不錯(cuò)的選擇，但這樣不滿足項(xiàng)目專用條款的規(guī)定，難以執(zhí)行。因此，從項(xiàng)目實(shí)際情況出發(fā)，可以與瀝青供貨商簽訂補(bǔ)充協(xié)議，要求之后的瀝青針入度控制為35～40(0.1 mm)，軟化點(diǎn)控制為53～58 ℃。

2.2 瀝青混合料級(jí)配

由上文對(duì)GB4與BBSG3級(jí)配分析可知，GB4與BBSG3均為懸浮密實(shí)型結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)對(duì)于道路的抗車轍能力是不利的。法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)級(jí)配要求較為寬泛，而項(xiàng)目專用條款給出的級(jí)配上下限也較為寬泛，因此可以考慮在允許范圍內(nèi)，對(duì)級(jí)配進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)粗處理，以提高抗車轍能力。為了從級(jí)配調(diào)整角度尋求提高瀝青混合料抗車轍性能的辦法，對(duì)于GB4，選取項(xiàng)目專用條款規(guī)定GB4級(jí)配下限、嵌擠型結(jié)構(gòu)的ATB25兩種級(jí)配，按照單一粒徑精配的方法配料，完成馬歇爾試驗(yàn)確定毛體積密度與最佳油石比后進(jìn)行車轍試驗(yàn)；對(duì)于BBSG3，選取調(diào)粗的BBSG級(jí)配，完成馬歇爾試驗(yàn)確定毛體積密度與最佳油石比后進(jìn)行車轍試驗(yàn)。5種級(jí)配的對(duì)比圖如圖8、9所示。調(diào)整級(jí)配后的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能如表3所示。

圖8 GB4與調(diào)粗級(jí)配對(duì)比

圖9 BBSG3與調(diào)粗級(jí)配對(duì)比

由表3可知：對(duì)于BBSG3，將其級(jí)配調(diào)粗，可以將其動(dòng)穩(wěn)定度提升15.9%,為1 785次/mm，提升效果不明顯。對(duì)于與GB4相關(guān)的3種混合料試驗(yàn)結(jié)果，ATB25動(dòng)穩(wěn)定度最大，GB4級(jí)配下限次之，而GB4級(jí)配動(dòng)穩(wěn)定度最小，這與3種混合料的粗細(xì)程度相契合。當(dāng)GB4調(diào)整到級(jí)配下限時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度可提升14.2%,為2 158.5次/mm，提升效果依然有限；如果將級(jí)配調(diào)整到嵌擠型結(jié)構(gòu)的ATB25，可以將動(dòng)穩(wěn)定度提升1倍,為3 753.9次/mm，可見將級(jí)配調(diào)整為嵌擠型結(jié)構(gòu)可以很好地提高混合料的高溫穩(wěn)定性，但是這樣就突破了項(xiàng)目專用條款的限制，難以實(shí)現(xiàn)。

表3 不同級(jí)配對(duì)高溫穩(wěn)定性的影響

對(duì)于TT項(xiàng)目，將瀝青混合料級(jí)配調(diào)至嵌擠型結(jié)構(gòu)是能夠解決車轍風(fēng)險(xiǎn)問題的有效措施，也是中國(guó)高速公路經(jīng)常采用的抗車轍措施，但是由于項(xiàng)目專用條款對(duì)級(jí)配的限定，無法將瀝青混合料調(diào)整至嵌擠型結(jié)構(gòu)，但是如果僅僅將級(jí)配在規(guī)定范圍內(nèi)調(diào)粗，又無法達(dá)到理想的提升效果，并且生產(chǎn)中容易使級(jí)配超出規(guī)定范圍。因此，只通過級(jí)配調(diào)整來提升TT項(xiàng)目路面動(dòng)穩(wěn)定度的方法不切項(xiàng)目實(shí)際，略微調(diào)粗級(jí)配僅可作為提升抗車轍能力的輔助手段。

2.3 瀝青含量

過多的瀝青用量將在瀝青混合料中形成游離自由瀝青，在高溫條件下，這部分自由瀝青可在荷載作用下發(fā)生明顯的流動(dòng)變形，從而導(dǎo)致混合料的永久塑性變形，發(fā)生車轍病害。因此，可以考慮通過適當(dāng)降低油石比來提高抗車轍能力。

由于TT項(xiàng)目專用條款要求油石比范圍為4%±0.3%，選取GB4級(jí)配與GB4級(jí)配下限，分別采用4.0%與4.3%兩種油石比進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4。

由表4可知：對(duì)于GB4級(jí)配，降低0.3%的油石比可以將動(dòng)穩(wěn)定度提升13.9%至2 153.5次/mm；對(duì)于GB4級(jí)配下限，降低0.3%的油石比可以將動(dòng)穩(wěn)定度提升6.4%至2 158.5次/mm。二者的提升效果均不明顯，并且法標(biāo)要求GB4的豐度系數(shù)大于等于2.9，若降低油石比，容易導(dǎo)致豐度系數(shù)不足。對(duì)于GB4，適當(dāng)調(diào)低油石比只可作為改善抗車轍性能的方法，并不能作為解決車轍問題的辦法。

表4 油石比與高溫穩(wěn)定性關(guān)系

對(duì)于BBSG3，為了保證豐度系數(shù)，法標(biāo)NF EN13108-1建議的最小瀝青含量為5%，項(xiàng)目外委法國(guó)實(shí)驗(yàn)室確定的最佳油石比已經(jīng)在下限附近，因此，在油石比上，BBSG3可調(diào)整范圍有限。

2.4 抗車轍劑

結(jié)合塞內(nèi)加爾既有高速公路經(jīng)驗(yàn)，可以采用在瀝青混合料中摻加抗車轍劑的方法來提高抗車轍能力，國(guó)內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)表明，抗車轍劑可以大幅度提高道路的抗車轍性能。

為了研究抗車轍劑摻量對(duì)瀝青路面抗車轍性能的影響規(guī)律，獲得經(jīng)濟(jì)有效的抗車轍劑的摻量，選取TT項(xiàng)目所用的GB4與BBSG3兩種級(jí)配，摻入不同劑量的抗車轍劑，分別按照馬歇爾擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得集料毛體積密度，然后精配，成型車轍板試件，進(jìn)行車轍試驗(yàn)，結(jié)果如圖10、11所示。

圖10 抗車轍劑摻量與GB4動(dòng)穩(wěn)定度關(guān)系圖

圖11 抗車轍劑摻量與BBSG3動(dòng)穩(wěn)定度關(guān)系圖

由圖10、11可知：抗車轍劑改善瀝青混合料抗車轍性能的效果顯著，隨著抗車轍劑摻量的增加，混合料的動(dòng)穩(wěn)定度呈上升趨勢(shì)。

對(duì)于GB4，當(dāng)抗車轍劑添加量從0%增加到0.3%時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度增加緩慢；當(dāng)摻量從0.3%增加到0.5%時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度迅速增大；當(dāng)摻量從0.5%增加到0.6%，動(dòng)穩(wěn)定度增長(zhǎng)變緩，出現(xiàn)這種現(xiàn)象與抗車轍劑在瀝青混合料中的形態(tài)和分布密度有關(guān)。由于抗車轍劑摻量為0.4%～0.5%時(shí)，GB4的動(dòng)穩(wěn)定度增加明顯，動(dòng)穩(wěn)定度可達(dá)到5 000～7 000次/mm，已能夠滿足TT項(xiàng)目抗車轍要求，因此，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，對(duì)于GB4，抗車轍劑摻量為0.4%～0.5%較為合適。

對(duì)于BBSG3，當(dāng)抗車轍劑的添加量從0%增加到0.2%時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度增加幅度較小；當(dāng)摻量從0.2%增加到0.6%時(shí),動(dòng)穩(wěn)定度迅速增大?？紤]到經(jīng)濟(jì)性與抗車轍效用，對(duì)于BBSG3，抗車轍劑摻量選用0.5%～0.6%較為合適。

對(duì)于TT項(xiàng)目部分車速較慢的特殊路段，比如匝道、爬坡、收費(fèi)站附近，可以考慮在BBSG3層中添加抗車轍劑來提高其高溫穩(wěn)定性。

2.5 壓實(shí)度水平

合理提升壓實(shí)度能夠增加瀝青混合料的致密程度，從而增加內(nèi)摩阻角，提高內(nèi)摩阻力，提高路面抗車轍能力。為探究壓實(shí)度對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度的影響，選用BBSG3級(jí)配，采用98%、100%、102%共3檔壓實(shí)度，動(dòng)穩(wěn)定度平均值如圖12所示。

圖12 動(dòng)穩(wěn)定度與壓實(shí)度關(guān)系圖

由圖12可知：壓實(shí)度每提升2%，BBSG3動(dòng)穩(wěn)定度能夠提升17%～45%，提升效果顯著。TT項(xiàng)目在施工過程中，與壓實(shí)度相關(guān)的主要有兩個(gè)因素：壓實(shí)功和壓實(shí)溫度。因此，可通過適當(dāng)提升壓實(shí)功和壓實(shí)溫度來提高壓實(shí)程度，進(jìn)而提升路面抗車轍能力。由于項(xiàng)目專用條款規(guī)定現(xiàn)場(chǎng)空隙率的范圍為4%～8%，范圍較大，可以在施工過程中對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行施工控制，使現(xiàn)場(chǎng)空隙率進(jìn)一步向下限偏移，盡量控制在4%～6%，從而提升路面整體壓實(shí)程度，進(jìn)而提升路面抗車轍能力。

3 抗車轍措施方案的確定

根據(jù)前文試驗(yàn)分析，控制瀝青品質(zhì)、特殊路段采用抗車轍劑、控制現(xiàn)場(chǎng)空隙率是TT項(xiàng)目防止車轍問題切實(shí)可行的手段。為了防止車轍病害，結(jié)合TT項(xiàng)目的實(shí)際情況以及工期進(jìn)度，擬采取如下措施：

(1)與瀝青供貨商簽訂補(bǔ)充協(xié)議，要求之后瀝青的針入度為35～40(0.1 mm)，軟化點(diǎn)為53～58 ℃。

(2)對(duì)于較大爬坡、收費(fèi)站、重載車較多的匝道等交通量大且車速慢的特殊路段，在BBSG3中摻加0.5%的抗車轍劑，其他風(fēng)險(xiǎn)較低的特殊路段在BBSG3中摻加0.3%的抗車轍劑。

(3)在鋪筑瀝青混合料時(shí)嚴(yán)格控制壓實(shí)功，適當(dāng)提高碾壓溫度，并以芯樣的實(shí)際空隙率作為控制施工質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，要求現(xiàn)場(chǎng)空隙率為4%～6%。

(4)提前在主路的第一層GB4上修筑BBSG試驗(yàn)段，開放施工車輛進(jìn)行碾壓，監(jiān)測(cè)車轍發(fā)展情況。

4 抗車轍措施的實(shí)施效果

從2017年12月開始，TT項(xiàng)目開始采取以上措施解決車轍風(fēng)險(xiǎn)問題。圖13為GB4混合料采取措施前后對(duì)比，采取措施前，動(dòng)穩(wěn)定度集中為2 500次/mm左右，采取措施提升抗車轍能力后，動(dòng)穩(wěn)定度集中為3 500次/mm左右，提升了40%，取得了較好的效果。

圖13 GB4動(dòng)穩(wěn)定度頻率統(tǒng)計(jì)圖

對(duì)于BBSG3層，動(dòng)穩(wěn)定度頻率分布如圖14所示。由圖14可知：分布圖上明顯出現(xiàn)了3個(gè)峰值，分別集中在動(dòng)穩(wěn)定度為3 000次/mm附近的不摻加抗車轍劑路段、7 000～8 000次/mm附近的摻加0.3%抗車轍劑的特殊路段、10 000～11 000次/mm附近的摻加0.5%抗車轍劑的特殊路段。由此可見，采取以上措施后，BBSG3層的抗車轍能力也獲得了很大的提升。

圖14 BBSG3動(dòng)穩(wěn)定度頻率統(tǒng)計(jì)圖

此外，為了確保瀝青混合料不出現(xiàn)車轍問題，在某些路段，還在碾壓成型后的路面上使用切割機(jī)直接切取車轍板，進(jìn)行車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，這些位置均未摻加抗車轍劑。

表5 現(xiàn)場(chǎng)切取車轍板動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

由表5可知：在采取上述措施后，瀝青層都具有很高的動(dòng)穩(wěn)定度，路面具有非常高的抗車轍能力。

綜上可以看出，TT項(xiàng)目在采取一系列提升道路抗車轍能力的措施后，解決了車轍隱患問題，取得了令人滿意的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

由于歷史原因，塞內(nèi)加爾修建的公路大多采用與其氣候差異巨大的法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，再加之中法兩國(guó)瀝青混合料設(shè)計(jì)和施工理念、方法的差異性，對(duì)TT項(xiàng)目路面的抗車轍能力提出了巨大的挑戰(zhàn)。該文通過對(duì)影響道路抗車轍能力各個(gè)因素的逐一分析并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，找到了既滿足法國(guó)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和項(xiàng)目專用技術(shù)條款要求，又技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行的解決方案，避免了塞內(nèi)加爾常見的瀝青路面車轍問題，取得了良好的應(yīng)用效果。