低標號瀝青在干旱高溫抗車轍地區的路用性能探究

邵明星

（新疆交投建設管理有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830099）

0 引言

目前，在國外尤其是歐洲，低標號瀝青混合料已被廣泛應用，雖然國內道路工作者對于低標號瀝青也做了大量研究，但是低標號瀝青在新疆地區的使用仍屬空白。為使研究更加直觀，更具比較性，本文將采用4種瀝青（50#、70#低標號瀝青和新疆常用90#、SBS改性瀝青）結合新疆高溫抗車轍地區獨特的氣候條件，實施針對性研究。

1 低標號瀝青結合料高溫穩定性

為全面了解低標號瀝青混合料性能，同時檢驗配合比設計，需要對低標號瀝青混合料進行路用性能試驗，同時與新疆地區常用瀝青混合料對比，本文開展了高溫車轍試驗研究，比對了低標號瀝青混合料和新疆常用瀝青混合料在高溫性能方面的優劣。

高溫穩定性通常是指瀝青混合料在荷載作用下抵抗永久變形的能力。新疆高溫抗車轍地區主要氣候要素是高溫，而車轍是研究區域瀝青路面的首要病害，因此本文將重點研究瀝青混合料的高溫穩定性。

1.1 高溫穩定性測試方法與評價指標

瀝青混合料的馬歇爾穩定度和流值屬于經驗性指標，與路面實際產生的車轍破壞相關性較差，因此二者多用于確定瀝青用量和施工質量檢測。作為瀝青混合料的高溫穩定性指標，已逐步要求補做其他試驗或者檢驗，例如車轍試驗和蠕變試驗。

在瀝青混合料的蠕變試驗中，三軸重復加載試驗是比較接近路面實際三位受力狀態的一種，但該試驗對人員和試驗設備的要求很高，且試驗中要求提供恒定或動態的側向壓力，因此很難在工程中大面積推廣。研究將采用車轍試驗和高溫剪切試驗來評價低標號瀝青混合料的高溫穩定性。

大量試驗表明，車轍試驗中，試件上輪轍的產生和發展與實際路面車轍的產生和發展相關性很高，車轍試驗的評價指標動穩定度與瀝青路面的車轍深度也具有相關性，因此如能嚴格把控瀝青混合料的設計，使其動穩定度滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的相關規定，就可以有效控制瀝青路面的車轍破壞。

另一方面，路面的車轍破壞主要由荷載施加的剪應力導致，因此試驗研究采用路面材料剪切儀，通過測試試件高溫時受剪切破壞的剪應力大小，來評價瀝青混合料抵抗高溫剪切變形的能力。

1.2 基于車轍試驗的高溫穩定性評價

1.2.1 車轍試驗方案設計

在新疆高溫抗車轍地區，車轍破壞是路面破壞的主要類型，且多為失穩型車轍。評價車轍性能的方法有三類：第一類為試驗道路現場觀測試驗；第二類是ATP試驗，即足尺加載加速試驗；第三類為傳統的室內輪轍試驗。第三類方法簡單方便，能較好反映瀝青混合料的抗車轍性能，也符合我國《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的要求。試驗研究采用50#、70#、90#和SBS4種瀝青拌制混合料，再采用輪碾法成型300mm×300mm×50mm的車轍板，試件密度為馬歇爾標準擊實試樣密度100%±1%。對于基質瀝青制作的試件，需要養護24h后脫模，對于SBS改性瀝青制作的試件，則需要養護48h后脫模，然后將試樣經保溫后放于車轍儀中實施輪轍試驗，計算其動穩定度。

1.2.2 車轍試驗參數確定

有資料表明，在40℃～60℃范圍內，瀝青混合料的溫度每上升5℃，其變形將增加兩倍。路面長期處于高溫狀態下，必定會加速車轍的發展。而在新疆高溫抗車轍地區，夏季極端溫度可達到40℃，路表溫度時常會超過60℃，因此試驗研究將在60℃和70℃兩種溫度下開展車轍試驗。其中試驗輪與試件接觸壓強為0.7±0.05MPa，位移傳感器測量范圍及精度為0mm～30mm和0.01。試驗輪行走次數為1260次，往返碾壓速度為21次/mm，試驗時間約為60mm。

1.2.3 低標號瀝青混合料車轍試驗的結果及分析

用4種標號瀝青拌制AC-20C瀝青混合料，制作車轍板，分兩組在60℃和70℃下保溫5個小時，開展車轍試驗，并計算其在不同溫度下的動穩定度和升溫后動穩定度削減百分比，所得結果如圖1所示。

圖1 動穩定度對比圖

由圖1可以直觀發現，在60℃時SBS的動穩定度高達8000次/mm，其他3種基質瀝青動穩定度也均高于《公路瀝青路面施工技術規范》（JTGF40-2004）的要求，其中低標號的50#瀝青的動穩定度也遠高于常用的90#瀝青；在70℃時50#和70#瀝青的動穩定度也達到了1700/mm和1200/mm，而常用的90#瀝青制作的車轍板則出現了松散，再經一小時的車轍試驗，試件直接松散潰爛。而目前在新疆，90#瀝青是最主要的路面膠結材料。室內高溫車轍試驗間接反映了在試驗研究區域，瀝青路面在長時間高溫度，渠化交通荷載作用下，易產生車轍破壞；另外SBS瀝青雖然在60℃和70℃時表現出較好的高溫穩定性，但其造價較高；與前二者相比，低標號的50#和70#瀝青則顯示出了較好的高溫性能，且性價比較高，能更好地適用于新疆高溫抗車轍地區路面的修筑。綜上，在該地區使用低標號瀝青修筑路面時，車轍試驗應在70℃下開展，采用50#瀝青時，動穩定度值應不小于1500次/mm，采用70#瀝青時，動穩定度值應不小于1000次/mm。

1.3 基于剪切試驗的高溫穩定性評價

瀝青混合料的剪切強度是一項重要的強度指標，瀝青路面的推移、擁包和車轍都是剪切變形的結果。采用剪切試驗可以直接考察瀝青混合料的抗剪切流動變形能力。

1.3.1 剪切試驗方案設計

瀝青混合料在使用過程中實際上處于三向受壓的狀態，而車轍試驗由于試件尺寸有限，試驗加載方法具有局限性，與瀝青混合料實際受力情形差異較大。目前我國修筑的瀝青路面雖然動穩定度滿足了規范要求，但在后續使用過程中，仍然出現了車轍破壞。為使測試條件盡量接近實際受力情況，試驗研究設計了瀝青混合料的剪切試驗。

試驗采用的剪切試驗儀，借鑒了土工直剪試驗方法設計，試驗試件采用馬歇爾試件，試件制作容易，材料使用較少，試驗快速直接，亦便于現場鉆芯取樣制作試件進行試驗。試驗中，馬歇爾試件下部固定于底座下端，上部固定于活動的套筒中，通過電機對試件中部施加橫向剪切力，以穩定速度直剪至試件破壞，剪切儀可以時時記錄試件受力大小和位移大小。

1.3.2 剪切試驗參數確定

考慮到新疆高溫抗車轍地區夏季路面溫度較高，為貼近路面實際使用，采用60℃和70℃兩種溫度開展試驗，試驗試件均為烘箱保溫5個小時后，立即開展剪切試驗。長安大學孫己龍的研究顯示，當剪切速率采用5mm/min時，所測剪切力與剪切位移的變異系數較小，因此試驗研究采用剪切速率為5mm/min。試驗中所測力值為試件所受截面剪力，而非剪應力，試件為標準馬歇爾試件，直徑為101.6±0.2mm，計算截面面積取值為0.00785m2。

1.3.3 低標號瀝青混合料剪切試驗的結果及分析

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》（JTGE20-2011），以50#、70#、90#和SBS4種瀝青制作標準馬歇爾試件，測試其高度，分為50℃和60℃兩組保溫5個小時后，開展剪切試驗，測試試件破壞時的最大位移和剪力，并計算其剪應力和升溫后剪應力削減百分比，所得結果如圖2所示。

圖2 剪應力對比圖

由圖2可以發現，在60℃時，使用50#和70#低標號瀝青試件破壞時，剪切應力達到了0.2093MPa和0.2293MPa，遠高于新疆常用的SBS瀝青，是90#瀝青的數倍；在70℃時，使用兩種低標號瀝青拌制的試件抗剪切應力仍然高于兩種常用瀝青，而且低標號瀝青在升溫后抗剪切應力削減百分比較小，50#瀝青試件削減32.25%，70#瀝青試件削減22.23%，90#瀝青試件削減42%，SBS瀝青試件削減43.62%。考慮到剪應力是造成瀝青路面車轍的主要原因，而在試驗研究區域，常用90#瀝青具有高溫不穩定性，加之長時間的高溫更加劇了車轍病害的發展，在此情況下，低標號瀝青顯示出了較高的抗剪切能力，因此適用于新疆高溫抗車轍地區瀝青路面的修筑。綜上，在該地區使用低標號瀝青修筑路面，應在70℃下開展剪切試驗，采用50#瀝青修筑的混合料剪應力應不小于0.14MPa，采用70#瀝青修筑混合料的剪應力應不小于0.17MPa。

1.4 新疆高溫抗車轍區高溫評價指標與要求

采用高溫車轍試驗和高溫剪切試驗，分別在60℃和70℃下對4種瀝青混合料試件開展對比試驗，試驗表明，低標號瀝青混合料的動穩定度雖然低于SBS改性瀝青，高于新疆常用的90#瀝青，其剪切應力也大于常用的90#瀝青，表現出良好的高溫穩定性，適宜于新疆高溫抗車轍地區瀝青路面的修筑。同時，試驗提出了在新疆高溫抗車轍區使用低標號瀝青的高溫推薦指標，車轍試驗應在70℃下開展，采用50#瀝青動穩定度值應不小于1500次/mm，采用70#瀝青動穩定度值應不小于1000次/mm；另外應在70℃下開展剪切試驗，采用50#瀝青修筑的混合料其剪應力應不小于0.14MPa，采用70#瀝青修筑混合料其剪應力應不小于0.17MPa。

2 低標號瀝青混合料在新疆高溫抗車轍區的應用

新疆高溫抗車轍地區自然條件特殊，因此，使用普通90#瀝青修筑的瀝青路面，在夏季持續高溫，重載和渠化交通情況下，極易產生車轍病害。采用添加造價高昂的改性劑改善路面性能成本過高，不利于當地經濟可持續發展，而低標號瀝青成本較低，在抗車轍病害能力上具有很大潛能。另一方面，低標號瀝青在新疆地區的使用仍處于科學研究狀態，尚無實體路段的鋪筑，因此，在室內理論分析及試驗研究的基礎上，在新疆高溫抗車轍區，首次使用低標號瀝青（庫車天環50#瀝青和70#瀝青）鋪筑試驗段，來檢驗其對瀝青路面使用性能的改善效果。

阿喀高速為阿克蘇至喀什高速公路，是新疆“十二五”期間構建“五橫七縱”高等級公路網中的第三橫，連接阿克蘇、阿圖什、喀什等3座南疆重鎮，跨越3個地州，線路全長428.49km，是我國目前路線里程最長的高速公路，其全線采用雙向四車道高速公路標準建設，設計時速為100km～120km，路基寬度維持28m，項目總投資約為123億元。2014年8月，在阿喀高速三標段鋪設低標號試驗路段。所謂低標號路段就是用50#和70#瀝青代替原有的常規瀝青（新疆使用較為普遍的為90#瀝青），應用于阿喀高速的中面層，以檢驗低標號瀝青對高速公路高溫抗車轍性能的影響。選取k1399+550～k1400+840左幅為試驗路段鋪設段落，全長1290m。其中，k1399+550～k1400+200鋪設50#瀝青路面中面層，k1400+200～k1400+840鋪設70#瀝青路面中面層。

試驗路的檢測主要測試路面的平整度、滲水性，通過鉆心取樣測試混合料的壓實度、體積指標和馬歇爾試驗指標。

2.1 滲水性檢測

滲水性檢測主要測試水量從100ml降到500ml所需時間，是直觀反映路面空隙率和壓實度的重要指標，需要在路面施工結束后進行測試。中面層試驗段須在鋪筑后的第二天，檢測道路滲水性，結果如表1所示。

表1 路面滲水性檢測表

表1所測數據中，滲水最大值為115.9ml/min，滿足《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）中關于密集配瀝青混合料滲水系數不大于120ml/min的要求。

2.2 平整度檢測

瀝青混合料從拌和到鋪筑的過程中都可能會出現離析現象。因此必須采取各種措施（諸如裝料時前后挪動汽車，攤鋪時及時收攤鋪機料斗，經常檢查螺旋布料器等），從嚴控制瀝青混合料的離析，否則會引起局部松鋪系數的波動，或引起攤鋪面的拉痕而造成縱橫向局部微小的波浪，從而影響路面平整度。

結合拌和能力和平整度的要求，將攤鋪速度控制在2m/min～4m/min以內。

路段用路面平整度儀測量平整度，牽引汽車保持5km/h～12km/h的速度勻速駛過被選中的測量路段，當路面狀況不良時，應適當減緩行駛速度，測量結果如表2所示。

表2 路段平整度檢測表

《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004）對于高速公路質量控制做出規定，連續測定中面層平整度的標準差不大于1.5mm做出由表2中的數據可知，在所選取的路段內，連續式平整度儀所輸出的20個標準差中，僅有4個數據超過了1.5mm，因此可以認定該試驗路段平整度滿足要求。

2.3 鉆芯取樣

鉆芯取樣結果如表3所示。

表3 鉆芯取樣結果

由表3中鉆芯取樣數據可以看出，各項指標滿足50#和70#瀝青混合料生產配合比驗證的要求。其中兩處高度不足50mm的芯樣，差值也在設計值的5%以內。