水對瀝青混合料APA車轍的影響研究

楊嵩橋

（山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030006）

0 引言

隨著對瀝青路面損壞研究的不斷深入，車轍防治已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。為分析、評價(jià)瀝青混合料的抗車轍性能，國內(nèi)外研究人員建立了多種車轍試驗(yàn)方法，其中APA（Asphalt Pavement Analyzer）車轍試驗(yàn)以其可以真實(shí)模擬現(xiàn)場荷載情況的優(yōu)點(diǎn)，近年來在國際上獲得較為廣泛的關(guān)注。謝軍[1]等應(yīng)用瀝青路面分析儀APA對瀝青混合料的水穩(wěn)性進(jìn)行試驗(yàn)研究，對APA浸水車轍試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析，提出了浸水車轍穩(wěn)定度指標(biāo)，并利用該指標(biāo)比較了不同混合料的水穩(wěn)性能。韓海峰[2]等采用APA方法研究了水作用下混合料試件永久變形的表現(xiàn)形式，指出APA測試條件、APA測試條件與試件預(yù)處理方式的交互作用、凍融循環(huán)次數(shù)是導(dǎo)致浸水車轍深度普遍大于干燥車轍深度的主要原因。張超[3]等通過APA試驗(yàn)研究揭示了級配中各檔集料對其高溫性能的影響規(guī)律,提出了各關(guān)鍵篩孔集料篩上剩余質(zhì)量百分率的合理值，為骨架密實(shí)型瀝青混合料設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。張俊標(biāo)[4]等利用數(shù)字圖像處理技術(shù)對RLWT(Rotary Loaded Wheel Tester or Rutmeter)與APA車轍試驗(yàn)的加載模式進(jìn)行了分析，通過量測RLWT試件、APA試件與原樣試件中粗集料顆粒長軸與X軸夾角的差異,得出RLWT與APA車轍試驗(yàn)的加載模式存在較大差異的結(jié)論。曹麗萍[5]等采用APA進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M，對恒溫、變溫下的瀝青混合料變形特性進(jìn)行了研究，并分析了影響因素提出恒溫下瀝青混合料的變形曲線可以分為延遲彈性變形和黏性流動變形階段，第2溫度下的變形特性受荷載作用次數(shù)、荷載大小、溫度、應(yīng)力歷史、間歇時(shí)間以及混合料自身特性的影響。薛忠軍[6]等利用APA對應(yīng)力吸收防水黏結(jié)層SAWI（Stress-absorbingWaterproof Interlayer）進(jìn)行了性能試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明SAWI的疲勞壽命是普通瀝青混凝土的3.32倍，SAWI結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了優(yōu)良的抗反射裂縫能力，SAWI具有低模量、高韌性、高黏性、防滲等優(yōu)點(diǎn)，可以有效地延緩瀝青路面的開裂。Xiao[7-8]等采用APA方法研究了不同瀝青混合料的密實(shí)特性，分析了開級配磨耗層的抗車轍和抗水損害能力。Rushing[9]等利用APA、三軸靜載蠕變和三軸重復(fù)荷載試驗(yàn)評估車轍敏感性，結(jié)果表明增加瀝青混合料的流動時(shí)間、永久應(yīng)變與APA車轍深度的相關(guān)性顯著。Ali[10]等利用APA試驗(yàn)評價(jià)抗車轍性能，測試結(jié)果顯示W(wǎng)MA降低了施工溫度，可能會導(dǎo)致更多由于水分引起的損傷，以及更大的車轍變形。

2001年，NCAT(National Center for Asphalt Technology)評價(jià)了多種抗車轍性能評價(jià)方法，指出APA、HWTD(Hamburg Wheel-tracking Device)、FRT(French Pavement Rutting Tester)、旋轉(zhuǎn)輪轍儀、三軸重復(fù)荷載試驗(yàn)、動態(tài)模量和側(cè)向壓力指示均能得出合理的抗車轍性能評價(jià)，但優(yōu)先推薦采用APA車轍試驗(yàn)。目前，利用APA方法研究瀝青混合料的抗車轍性能已經(jīng)取得了很多成果，但是對于APA車轍試驗(yàn)方法的研究仍然不夠，尤其對試驗(yàn)條件如何影響APA車轍試驗(yàn)結(jié)果缺乏足夠的認(rèn)識。因此，本文通過室內(nèi)試驗(yàn)研究溫度、水對瀝青混合料APA車轍試驗(yàn)結(jié)果的影響，為APA車轍試驗(yàn)方法的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試件制備與試驗(yàn)方案

1.1 瀝青混合料組成設(shè)計(jì)與試件制備

表1 殼牌70號基質(zhì)瀝青的技術(shù)性能

為了研究水對APA車轍試驗(yàn)的影響規(guī)律，結(jié)合我國公路項(xiàng)目，運(yùn)用不同的材料組成，設(shè)計(jì)了4種AC-20混合料，2種AC-13的瀝青混合料（分別為AC-20粗型改性瀝青，AC-20粗型基質(zhì)瀝青，AC-20細(xì)型改性瀝青，AC-20細(xì)型基質(zhì)瀝青，AC-13改性瀝青，AC-13基質(zhì)瀝青）。采用殼牌70號基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青2種瀝青，其技術(shù)性能如表1、表2，均符合《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）技術(shù)要求。

表2 SBS改性瀝青的技術(shù)性能

采用AC-20粗型、AC-20細(xì)型、AC-13等3種級配，分別與2種瀝青進(jìn)行拌和，制備6種瀝青混合料。采用馬歇爾設(shè)計(jì)方法確定最佳油石比，如表3所示。

表3 瀝青混合料的設(shè)計(jì)級配與最佳油石比 %

根據(jù)上述材料組成設(shè)計(jì)結(jié)果，采用SGC（Superpave Gyratory Compactor）旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型φ150×75 mm的圓柱體試件，目標(biāo)空隙率分別為4%和7%。

1.2 APA車轍試驗(yàn)方案

分別在干燥和浸水條件進(jìn)行SGC圓柱體APA車轍試驗(yàn)。干燥狀態(tài)下，采用空隙率為4%的試件進(jìn)行APA車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為40℃、50℃、60℃。APA車轍試驗(yàn)是凹形輪通過一根充氣橡膠管間接將力施加在試件上，本文研究中標(biāo)準(zhǔn)輪載為445±22 N，橡膠管標(biāo)準(zhǔn)充氣壓強(qiáng)為690±22 kPa，荷載輪運(yùn)行頻率為60 Hz，即60次往返/min。

浸水狀態(tài)下，分別采用空隙率為4%和7%的試件進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為50℃、60℃，荷載和胎壓為445 N、690 kPa。試驗(yàn)前，均將試件放入APA試驗(yàn)機(jī)內(nèi)，在試驗(yàn)溫度下恒溫6～24個(gè)小時(shí)，保證試件達(dá)到試驗(yàn)溫度并且溫度均衡。

圖1 采用圓柱體試件進(jìn)行APA車轍試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 干燥狀態(tài)下溫度對APA車轍的影響

干燥狀態(tài)3種溫度下，不同類型瀝青混合料的APA車轍深度發(fā)展規(guī)律如圖2～圖4所示。結(jié)果表明，40℃空氣浴、50℃空氣浴、60℃空氣浴3種試驗(yàn)條件下瀝青混合料的高溫性能按車轍深度大小排序趨于一致，即AC-20細(xì)型基質(zhì)＞AC-13基質(zhì)＞AC-20粗型基質(zhì)＞AC-20細(xì)型改性＞AC-13改性＞AC-20粗型改性，由此可見改性瀝青可以提高瀝青混合料的高溫性能。對比不同溫度下的APA車轍試驗(yàn)結(jié)果可知，溫度對車轍的發(fā)展影響非常顯著。在40℃時(shí)，各種瀝青混合料的車轍發(fā)展比較平緩，車轍比較小。50℃時(shí)的車轍是40℃車轍的2～3倍左右，60℃時(shí)的車轍是50℃車轍的1.5倍左右，是40℃時(shí)車轍的3～5倍。

圖2 干燥狀態(tài)40℃下瀝青混合料APA車轍發(fā)展規(guī)律

圖3 干燥狀態(tài)50℃下瀝青混合料APA車轍發(fā)展規(guī)律

圖4 干燥狀態(tài)60℃下瀝青混合料APA車轍發(fā)展規(guī)律

2.2 浸水APA車轍的發(fā)展規(guī)律

不同溫度和干濕狀態(tài)下，4%和7%空隙率瀝青混合料APA車轍深度發(fā)展規(guī)律如圖5～圖8所示。水浴條件下的APA車轍試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)集料和瀝青的界面經(jīng)歷了開裂、瀝青片狀剝落及瀝青剝離的過程。這種集料與瀝青黏附性的下降也導(dǎo)致瀝青混合料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的降低，較干燥條件下的APA車轍試驗(yàn)產(chǎn)生了更大的車轍。

圖5 60℃水浴條件下瀝青混合料APA車轍發(fā)展規(guī)律（4%空隙率）

圖6 60℃水浴條件下瀝青混合料APA車轍發(fā)展規(guī)律（7%空隙率）

圖7 50℃水浴條件下瀝青混合料APA車轍發(fā)展規(guī)律（4%空隙率）

圖8 50℃水浴條件下瀝青混合料APA車轍發(fā)展規(guī)律（7%空隙率）

定義車轍比為干燥車轍深度與浸水車轍深度的比值，車轍比越大，表明瀝青混合料的水穩(wěn)定性能越好。根據(jù)不同浸水條件下的APA車轍深度，計(jì)算了車轍比，結(jié)果如圖9～圖12所示。

分析結(jié)果表明，改性瀝青混合料車轍比更大，它表現(xiàn)出更優(yōu)的水穩(wěn)定性能。主要是由于聚合物改性瀝青的黏性較基質(zhì)瀝青的大，且存在較多的極性物質(zhì)，并具有良好的潤濕性。AC-13改性和AC-13基質(zhì)由于使用了花崗巖這種酸性石料，較其他幾種采用石灰?guī)r混合料的水穩(wěn)定性能較差，尤其以AC-13基質(zhì)瀝青混合料更為明顯，車轍比最小，且60℃試驗(yàn)后車轍試件大量剝落，被壓散。

對比不同碾壓次數(shù)車轍比，可以看出隨著碾壓次數(shù)的增加，干濕狀態(tài)對應(yīng)的車轍比增大，水的影響逐漸減小。隨著荷載輪的重復(fù)作用，瀝青混合料更加致密，空隙率進(jìn)一步減小，集料骨架的抗力增大，雖然孔隙水壓力也有所增大，但相比于集料骨架抗力的增大幅度要小，所以水的影響是逐漸減小。同時(shí)還可以發(fā)現(xiàn)，25次和4 000次下的車轍比對混合料水穩(wěn)定性能的排序都不穩(wěn)定，8 000次荷載作用下的車轍比對混合料水穩(wěn)定性能的排序較為穩(wěn)定。因此，在水穩(wěn)定性能評價(jià)試驗(yàn)中還要保證APA設(shè)備8 000次的碾壓次數(shù)，不宜將25次、4 000次碾壓次數(shù)得到的試驗(yàn)結(jié)果用于評價(jià)水穩(wěn)定性能。

圖9 60℃不同碾壓次數(shù)下4%空隙率試件車轍比

圖10 60℃不同碾壓次數(shù)下7%空隙率試件車轍比

圖11 50℃不同碾壓次數(shù)下4%空隙率試件車轍比

圖12 50℃不同碾壓次數(shù)下7%空隙率試件車轍比

3 結(jié)論

a）溫度對車轍的發(fā)展影響非常大。在40℃時(shí)，各種瀝青混合料的車轍發(fā)展比較平緩，車轍深度比較小；50℃的車轍深度是40℃車轍深度的2～3倍；60℃的車轍深度是50℃車轍深度的1.5倍左右。

b）水浴條件下的APA車轍試驗(yàn)過程中，集料與瀝青黏附性的下降也導(dǎo)致瀝青混合料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的降低，較干燥條件下的APA車轍試驗(yàn)產(chǎn)生了更大的車轍。

c）對比不同碾壓次數(shù)車轍比，可以看出隨著碾壓次數(shù)的增加，干濕狀態(tài)對應(yīng)的車轍比增大，水的影響逐漸減小。

d）在水穩(wěn)定性能評價(jià)試驗(yàn)中還要保證APA設(shè)備8 000次的碾壓次數(shù)，不宜將25次、4 000次碾壓次數(shù)得到的試驗(yàn)結(jié)果用于評價(jià)水穩(wěn)定性能。