瀝青路面施工關鍵參數對抗車轍性能影響研究

朱長青

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司,湖北 武漢 430023）

瀝青路面施工關鍵參數對抗車轍性能影響研究

朱長青

（武漢市政工程設計研究院有限責任公司,湖北 武漢 430023）

通過室內試驗研究,分析了改性劑SBS摻量、油石比、壓實度及空隙率幾個施工關鍵技術參數對瀝青混合料高溫抗車轍性能的影響。結果表明,改性劑SBS的摻入能夠大幅提升其抗車轍性能,壓實度與瀝青混合料動穩定度呈正相關,當瀝青混合料具有最佳的油石比和合適的空隙率時,其高溫抗車轍性能是最好的。

施工關鍵參數；SBS摻量；油石比；壓實度；空隙率

0 引言

我國瀝青路面普遍存在車轍病害的現象,尤其在夏季高溫時段,許多新建高速公路瀝青路面即出現嚴重車轍,如圖1所示。在城市道路中,由于車流量大,經常造成擁堵,行車速度明顯降低,尤其是公交車輛荷載較大,在站臺段,車速減慢,車輛停車、啟動頻繁,形成很大的剪切力,產生了嚴重的車轍。例如,廣州市中山大道快速公交（BRT）試驗線工程在2010年2月通車,8個月后BRT全線站臺段部分車站停靠點就發生了不同程度的早期破壞,經過局部性修補之后,至今仍然存在著嚴重的車轍及坑槽現象,如圖2所示。

圖1 高速公路收費站路面車轍

圖2 廣州BRT公交車停靠站路面車轍

瀝青路面車轍、泛油等病害的出現會引起輪跡處瀝青層厚度減薄,削弱面層及路面結構的整體強度,進而誘發坑槽、水損害等其它病害,危及行車安全,影響汽車行駛舒適性。因此國內外許多專家學者對瀝青路面車轍的影響因素及防治措施都有比較深入的研究。長安大學楊博利用ABAQUS有限元軟件,開展了不同路面結構組合的車轍試驗,以此指導瀝青路面的設計與施工[1]。孔祥杰等針對不同的瀝青混合料及路面結構類型,分析了最大粒徑、結合料類型、集料級配類型等對瀝青路面車轍的影響[2]。栗培龍等通過漢堡車轍試驗系統,針對AC-13、AC-16、AC-20三種混合料在40℃、50℃和60℃三種不同溫度下的車轍試驗數據,建立了瀝青混合料車轍預估模型[3]。高聯斌分別論述了國內常見四種車轍的形成原因,并根據瀝青混合料及施工等方面,分析了其影響因素[4]。因此本文針對瀝青路面施工過程中瀝青混合料的幾個關鍵技術參數——改性瀝青SBS劑量、油石比、壓實度、孔隙率,分析其對瀝青路面車轍的影響。

1 試驗原材料

本文從改性瀝青SBS劑量、油石比、壓實度、孔隙率四個方面,采用最常用的車轍試驗,從施工方面對影響瀝青路面車轍的主要因素進行分析研究。試驗用瀝青改性劑為熱塑性丁苯橡膠SBS改性劑,其外觀為白色條狀,并采用陰離子聚合方法制作,基質瀝青采用SK90#瀝青,不同SBS摻量改性瀝青的各項性能測試結果見表1。

試驗用集料采用玄武巖,其主要性能測試結果見表2。

表1 不同SBS摻量的改性瀝青技術指標

表2 玄武巖粗集料的主要技術指標

車轍板成型采用AC-13級配瀝青混合料,各篩孔通過率見表3。

表3 AC-13級配通過百分率

試驗儀器采用恒溫式瀝青混合料車轍儀,試驗溫度60℃,且保持試驗精度在±1℃范圍內,試驗荷載為0.7 MPa,加載速度為42次/min。

2 試驗結果分析

2.1 改性劑SBS摻量對抗車轍性能影響分析

按照上述試件成型方法,對不同改性劑SBS摻量的車轍板按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTG E20-2011）中T0719的試驗步驟進行車轍試驗。改性劑摻加劑量分別為3.5%、4%、4.5%,試驗溫度60℃,試驗結果見表4,動穩定度與SBS摻量的變化關系如圖3所示。

由表4及圖3可知,隨著改性劑SBS摻量的增大,動穩定度隨著改性劑SBS摻量的增大而增大,但其增加速率有所降低；車轍板的45 min變形和60 min變形隨著SBS摻量的增大都有所下降。可見SBS的加入對瀝青混合料抗車轍性能的提高是顯而易見的,但在實際使用過程中還需考慮瀝青混合料的經濟性,因此在兼顧混合料經濟性的前提下,在實際使用中可適當增加改性劑SBS的摻量。

表4 不同SBS摻量的瀝青混合料車轍試驗結果

圖3 動穩定度隨改性劑SBS摻量的變化曲線

2.2 油石比對抗車轍性能影響分析

目前瀝青混合料設計主要包括級配確定和最佳油石比的確定,因此在集料級配相對固定的情況下,油石比是影響空隙率、瀝青飽和度等馬歇爾技術指標的主要因素。瀝青混合料設計目前主要采用體積設計法或體積分析法。經過多年的試驗研究,瀝青混合料的最佳油石比可采用式（1）確定。

式中:VMA為瀝青混合料的礦料間隙率,%；Va為瀝青混合料設計空隙率,%；Ra為瀝青混合料相對密度；Rsb為集料平均毛體積相對密度,無量綱,按照式（2）確定。

式中:P1、P2～Pn為各種集料的配比,其和為100,相應的毛體積相對密度為R1、R2～Rn。

在實際配合比設計中通常采用比規范規定的最小礦料間隙率大1%的礦料間隙率。為此,可按式（3）進行最佳油石比的計算。

對基質瀝青混合料采用馬歇爾試驗法確定最佳油石比。按照最佳油石比、最佳油石比±0.3配制三種瀝青混合料,成型車轍板試件并進行60℃車轍試驗,試驗結果見表5,動穩定度與油石比的關系曲線如圖4所示。

表5 不同油石比的瀝青混合料車轍試驗結果

圖4 動穩定度隨油石比變化的關系曲線

由表5及圖4可知,當油石比在最佳油石比上下浮動時,動穩定度也有所變化。隨著油石比增大,動穩定度下降,相比最佳油石比降幅達到9.7%；45 min變形和60 min變形在超過最佳油石比時,相對低于最佳油石比的有較大增加,增幅分別達到4.6%和5.5%,而在低于最佳油石比時,增幅僅為0.1%和1.7%。由此可知,在最佳油石比附近,較大油石比對動穩定度的影響要遠大于較小油石比的影響。

2.3 壓實度對抗車轍性能影響分析

對基質瀝青混合料及改性瀝青混合料分別在不同壓實度下進行車轍試驗,且變換不同的成型溫度,試驗結果見表6、表7,改性瀝青混合料的動穩定度隨壓實度的變化曲線如圖5所示。

表6 基質瀝青混合料不同壓實度下的動穩定度

表7 改性瀝青混合料在不同壓實度下的動穩定度

圖5 改性瀝青混合料動穩定度與壓實度在不同溫度下的關系曲線

由表6、表7及圖5可知,不論是基質瀝青混合料或改性瀝青混合料,其動穩定度均隨著壓實度的增加而增大,即動穩定度與壓實度成正相關,而壓實度又與瀝青混合料的成型溫度相關。基質瀝青在壓實度從93.8%增大到95.9%時,動穩定度增長了4.3%；改性瀝青混合料在壓實度從93.7%增大到96.1%時,動穩定度增長了2.6倍。因此在瀝青路面施工時必須首先選擇合適的壓實溫度,尤其是改性瀝青混合料切忌溫度過低,其次路面壓實必須達到相應的壓實度要求。

2.4 空隙率對抗車轍性能影響分析

對AC-16級配進行調整,得到粗級配、合適級配和細級配三種不同空隙率的級配,見表8。分別按照三種級配成型基質瀝青混合料車轍板,并進行車轍試驗,試驗結果見表9,三種級配的動穩定度對比圖如圖6所示。

表8 三種空隙率級配的各篩孔尺寸通過率

表9 不同空隙率瀝青混合料車轍試驗結果

圖6 不同級配的動穩定度對比圖

由表9及圖6可知,級配偏粗或者偏細,都會直接影響到動穩定度的變化。相比合適級配,粗級配和細級配的動穩定度分別下降30.0%和42.2%,而45 min變形和60 min變形均有所增大。因此瀝青混合料必須選擇合適的級配及空隙率,以此最大限度的降低空隙率對瀝青混合料抗車轍性能帶來的影響。

3 結語

本文通過室內試驗分析了瀝青路面幾個施工關鍵技術參數對混合料高溫車轍性能的影響,為瀝青路面抗車轍性能的防治提供了有效思路,得到以下主要結論:

（1）改性劑SBS的摻入對改性瀝青混合料高溫抗車轍性能有明顯提升,在實際使用中應結合路面施工成本和抗車轍性能,合理確定改性瀝青中SBS的摻量。

（2）在最佳油石比附近,較大的油石比使得瀝青混合料的抗車轍性能有很大的降低,因此應嚴格控制施工中混合料的油石比。

（3）瀝青混合料高溫抗車轍性能與其壓實度成正相關,因此在施工中必須保證合理的路面壓實溫度,滿足規范規定的壓實度要求。

（4）空隙率偏大或偏小,都會使得瀝青混合料抗車轍性能大幅度降低,因此必須控制混合料級配以確保其具有合適的空隙率。

[1]楊博.基于有限元方法的瀝青路面車轍影響因素分析及其應用研究[D].西安:長安大學,2010.

[2]孔祥杰,張金喜,袁曉斌,等.瀝青路面抗車轍性能影響因素研究[J].中外公路,2016(03):43-48.

[3]栗培龍,李洪華,張爭奇,等.瀝青混合料車轍進程影響因素及預估模型研究[J].武漢理工大學學報,2011(07):57-61,93.

[4]高聯斌.瀝青路面車轍類型及影響因素[J].山西建筑,2017(03): 136-137.

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.075

U416.217

A

1009-7716（2017）07-0244-04

2017-03-31

朱長青（1984-）,男,安徽樅陽人,工程師,主要從事城市道路設計,交通規劃,城市交通模型研究等。