基于國內(nèi)車轍試驗的Superpave瀝青混凝土高溫抗變形性能研究

劉 歡，肖 強

（1.湖北交投高速公路運營集團有限公司，武漢 430074；2.湖北交投智能檢測股份有限公司，武漢 430100）

交通道路的面層主要有瀝青路面和水泥路面2種形式，分別采用瀝青混凝土和水泥混凝土鋪筑。瀝青路面因具有舒適度高、噪音低和易于維修等一系列的優(yōu)點被廣泛使用；水泥路面強度高、脆性大，在一些長期處于重交通的地方使用較多，如收費站，同時其也被廣泛應用于農(nóng)村道路的硬化工程中。因而，相比而言，瀝青路面更適合在高等級公路中使用。

在設(shè)計瀝青混凝土時，馬歇爾設(shè)計方法和Superpave設(shè)計方法是2種常用的方法[1-2]。馬歇爾設(shè)計方法因操作簡便，且配套設(shè)備比較價廉，在國內(nèi)被廣泛采用；Superpave設(shè)計方法則是美國戰(zhàn)略公路研究計劃（SHRP）的重要成果之一[3-4]。瀝青路面在建設(shè)時，主要靠壓路機對瀝青混凝土的揉搓、碾壓作用成型路面。而馬歇爾設(shè)計方法在設(shè)計瀝青混凝土時，主要依賴于擊實儀對混凝土的擊實作用來成型瀝青混凝土試件；而Superpave設(shè)計方法則依賴于能對瀝青混凝土實施旋轉(zhuǎn)揉搓效應的旋轉(zhuǎn)壓實儀來成型瀝青混凝土試件[5]，因而這一過程較接近路面建設(shè)時的實際情況。另外，Superpave設(shè)計方法設(shè)計出的瀝青混凝土性能非常優(yōu)良。出于這幾個方面的原因，近些年Superpave設(shè)計方法在國內(nèi)一些高等級路面工程的建設(shè)中也得到了應用。

瀝青是一種溫敏性材料，因而車載作用使瀝青混凝土在高溫環(huán)境下有產(chǎn)生車轍破壞的潛能。例如，夏季瀝青路面縱向上常見的坑槽就是瀝青流變疊加車載破壞造成的。因此，在瀝青混凝土的設(shè)計階段及瀝青路面服役過程中，檢測瀝青混凝土的高溫抗變形性能是獲得性能優(yōu)異瀝青混凝土及保障瀝青路面服役性能的關(guān)鍵工作之一。根據(jù)我國現(xiàn)行的JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》[6]，采用普通車轍儀評價瀝青混凝土的高溫性能，而Superpave瀝青混凝土的高溫性能評價則通過與其配套使用的專用設(shè)備——漢堡車轍儀來完成。普通車轍試驗方法和漢堡車轍試驗方法的不同主要表現(xiàn)在試件成型方法和高溫性能評價方法上。前者采用的是輪碾成型的瀝青混凝土板狀試件，后者則是采用的旋轉(zhuǎn)壓實成型的瀝青混凝土圓柱體適當切割后拼接而成的試件；前者通過車轍深度和動穩(wěn)定度指標評價瀝青混凝土的高溫抗變形性能，后者則通過變形曲線上蠕變段到剝落段的拐點對應的碾壓次數(shù)SIP來評價瀝青混合料的高溫抗變形性能。

普通車轍儀最早由英國運輸與道路研究試驗所（TRRL）開發(fā)，目前國內(nèi)許多設(shè)備廠商也能自行生產(chǎn)該類設(shè)備。該類設(shè)備不僅操作過程簡單，而且價格便宜；漢堡車轍儀則需從國外進口，成本高且操作過程稍顯復雜，在國內(nèi)的使用還是受到限制。另外，JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[7]對瀝青混凝土高溫性能的要求也是基于普通車轍試驗提出的，所以在國內(nèi)瀝青路面工程建設(shè)及檢測中，主要還是依賴于普通車轍試驗結(jié)果來評價瀝青路面的高溫穩(wěn)定性。考慮到Superpave設(shè)計方法設(shè)計的瀝青混凝土不僅性能優(yōu)越，而且與路面實際情況更符合，因而很有必要基于普通車轍儀設(shè)計一種適用于評價Superpave瀝青混凝土高溫性能的方法，以此來降低Superpave瀝青混凝土的車轍試驗成本。

1 原材料及試驗方法

本研究采用的粗集料和細集料為玄武巖，填料采用石灰石礦粉，瀝青為SBS改性瀝青。采用Superpave設(shè)計方法和馬歇爾設(shè)計方法分別設(shè)計瀝青混凝土，使兩者的合成級配盡量比較接近。普通車轍試驗儀采用的模具尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，馬歇爾設(shè)計方法設(shè)計的瀝青混凝土用于制備尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的板狀試件，作為對照組使用。

為與普通車轍試驗儀的模具尺寸相匹配，制備Superpave瀝青混凝土試件時，將直徑為150 mm的旋轉(zhuǎn)壓實試件切割成厚度為50 mm的圓餅；再沿豎直方向?qū)A餅進行對稱切割，保證2切割面間的距離為100 mm；按照類似的操作制備3個瀝青混凝土塊，在模具中將其拼接在一起，周圍空隙采用水泥混凝土填充；待水泥混凝土固化后，即完成普通車轍試驗用Superpave瀝青混凝土試件的制備，如圖1所示。車轍試驗過程：采用寬度為5 cm的鋼輪沿瀝青混凝土試件表面中部區(qū)域持續(xù)往復碾壓1 h；按照式（1）計算動穩(wěn)定度。采用的試驗溫度為50℃、60℃、70℃；采用的胎壓為0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa。

圖1 普通車轍試驗用Superpave瀝青混凝土試件的制備過程

式中：DS為動穩(wěn)定度，次/mm；l60和l45為輪碾壓時間分別為60 min、45 min時，瀝青混凝土試件的最大車轍深度，mm。

2 結(jié)果與討論

瀝青在常溫下雖然是固體狀態(tài)，但其是一種溫敏性的材料，隨著溫度的升高，其流變性質(zhì)逐漸加強，變得易流淌；同時在車載的作用下，瀝青路面會產(chǎn)生不可恢復的永久變形。這種變形破壞會隨著路面溫度和車載的升高進一步變得嚴重。因而本研究可以結(jié)合這一被公認的變化規(guī)律，以常規(guī)板狀試件的車轍試驗結(jié)果為參考，分析采用本研究中設(shè)計方法成型的Superpave瀝青混凝土試件是否表現(xiàn)出與常規(guī)車轍試驗結(jié)果類似的變化規(guī)律，以此判斷本研究提出的試件制備方法是否適用。

瀝青混凝土2類試件在不同溫度及不同輪碾壓力下的動穩(wěn)定度結(jié)果分別如圖2和圖3所示。可見，不管是采用常規(guī)方法制備的板狀瀝青混凝土試件還是采用改進方法制備的Superpave瀝青混凝土試件，兩者動穩(wěn)定度均隨測試溫度和胎壓的升高而快速減小。說明瀝青混凝土抗變形能力對溫度和荷載非常敏感。

圖2 常規(guī)板狀試件的動穩(wěn)定度試驗結(jié)果

圖3 Superpave瀝青混凝土試件的動穩(wěn)定度試驗結(jié)果

具體來看，當測試溫度從50℃升高至70℃時，在0.7 MPa胎壓下，常規(guī)板狀瀝青混凝土試件的動穩(wěn)定度從5 120次/mm下降至2 410次/mm，下降了約53%；在0.8 MPa下，動穩(wěn)定度則從4 165次/mm下降至1 812次/mm，下降幅度約為56%；在0.9 MPa下，動穩(wěn)定度則從2 906次/mm下降至1 204次/mm，下降幅度約為59%。可見隨著胎壓的增加，動穩(wěn)定度下降幅度也在逐漸上升。整體上來看，當溫度和胎壓分別達到70℃和0.9 MPa時，相比溫度為50℃、胎壓為0.7 MPa時的起始狀態(tài)，瀝青混凝土的動穩(wěn)定度衰減了76%，下降幅度非常顯著。這進一步支撐了瀝青混凝土抗變形能力對溫度和車載變化十分敏感的結(jié)論。

對于采用改進方法制備的Superpave瀝青混凝土試件，如圖3所示，在相同試驗條件下，其動穩(wěn)定度總小于常規(guī)板狀瀝青混凝土試件；但其動穩(wěn)定度隨溫度和胎壓的變化趨勢與常規(guī)板狀試件相類似。當測試溫度從50℃升高至70℃時，在0.7 MPa胎壓下，Superpave瀝青混凝土試件的動穩(wěn)定度從3 805次/mm下降至1 912次/mm，下降了約50%；在0.8 MPa下，動穩(wěn)定度則從3 309次/mm下降至1 196次/mm，下降幅度約為64%；在0.9 MPa下，動穩(wěn)定度則從2 211次/mm下降至608次/mm，下降幅度約為73%。其動穩(wěn)定度下降幅度同樣表現(xiàn)出隨胎壓增加而快速拉大的特點。綜合溫度和胎壓2方面的變化來看，當溫度升高至70℃、胎壓增加至0.9 MPa時，Superpave瀝青混凝土試件的動穩(wěn)定度相比溫度為50℃、胎壓為0.7 MPa的初始狀態(tài)降低了84%。動穩(wěn)定度的衰減程度高于普通板狀瀝青混凝土試件。

對于常規(guī)方法制備的瀝青混凝土和改進方法制備的Superpave瀝青混凝土，2類試件的車轍變形特征與動穩(wěn)定度的變化規(guī)律非常相似，如圖4和圖5所示。具體來看，在相同的試驗條件下，Superpave瀝青混凝土試件的最大車轍深度總大于常規(guī)板狀瀝青混凝土試件。當溫度升高至70℃、胎壓增加至0.9 MPa時，常規(guī)板狀瀝青混凝土試件的車轍深度相比溫度為50℃、胎壓為0.7 MPa的初始狀態(tài)提高了4.9倍；Superpave瀝青混凝土試件的車轍深度則提高了3.9倍。不同于動穩(wěn)定度的衰減程度，Superpave瀝青混凝土試件的最大車轍深度增加幅度要小于常規(guī)板狀瀝青混凝土試件。

圖4 常規(guī)板狀試件的車轍深度試驗結(jié)果

圖5 Superpave瀝青混凝土試件的車轍深度試驗結(jié)果

3 結(jié)論

車轍試驗結(jié)果表明，對于采用改進方法制備的Superpave瀝青混凝土試件，在相同試驗條件下，雖然試件具體的動穩(wěn)定度和車轍深度不同于普通的板狀瀝青混凝土試件。但Superpave瀝青混凝土試件的車轍試驗結(jié)果依然能正確反映出溫度和車載壓力大小對瀝青混凝土高溫性能的影響規(guī)律。證明本研究設(shè)計的適用于國產(chǎn)車轍試驗的Superpave瀝青混凝土試件制備方法是有效的。