重載交通柔性基層瀝青路面的抗車轍性能

趙 若

（邢臺市交通運輸局，河北 邢臺 054000）

0 引言

在我國道路路面施工中，半剛性基層路面因具有較強的承載能力，良好的整體穩(wěn)定性以及耐久性等優(yōu)點而被廣泛采用，但隨著在高等級公路中的深入應(yīng)用，它的一些缺陷也逐漸暴露出來，主要問題就是溫差造成的反射裂縫。為解決這一問題，在路面設(shè)計中引入了瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層。其優(yōu)點主要有：（1）瀝青混合料對于水分的變化不敏感，不易受水損害，不易產(chǎn)生收縮開裂而使面層出現(xiàn)反射裂縫；（2）由于面層和基層材料結(jié)構(gòu)的相似性，路面結(jié)構(gòu)受力、變形更為協(xié)調(diào)；（3）同瀝青面層一起構(gòu)成全厚式瀝青面層，從而使得整個瀝青面層的修筑時間減少；（4）剛度相對較小，減少裂縫產(chǎn)生的幾率。它在保持較高強度、剛度和優(yōu)良的抗疲勞特性基礎(chǔ)上，還能夠有效抑制和減少瀝青路面反射裂縫的產(chǎn)生，具有良好的路用性能。

由于車轍是柔性基層瀝青路面主要破壞模式之一，也是在這種路面結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用過程中最令人擔(dān)心的問題之一。因此，研究瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層路面在重載交通下的路用性能，驗證柔性基層瀝青路面的抗車轍性能，找出適合實際情況的瀝青穩(wěn)定碎石柔性基層瀝青路面的級配設(shè)計方法，對于提高瀝青路面的服務(wù)年限和使用質(zhì)量具有極為重要的意義。

1 不同級配的組成

傳統(tǒng)連續(xù)級配混合料強度主要是靠礦料與瀝青的黏結(jié)力形成，其性能受氣候環(huán)境影響較大，在高溫下易出現(xiàn)高溫車轍，若片面追求粗集料嵌擠作用，最粗集料部分含量過多，級配曲線最大篩孔附近曲線過于陡直，則混合料容易離析。參照東南大學(xué)楊群研究結(jié)論，采用密級配瀝青穩(wěn)定碎石的ATB—25和ATB—30級配組成見表1。

表1 ATB—25、ATB—30礦料級配組成

上述兩種級配是在綜合考慮混合料的結(jié)構(gòu)特點和馬歇爾參數(shù)的差異以及保持連續(xù)型級配特點基礎(chǔ)上，經(jīng)試驗確定的最優(yōu)配比[1-2]。下面將基于重交通荷載特點和瀝青穩(wěn)定基層的性能要求，對瀝青穩(wěn)定碎石基層的力學(xué)強度參數(shù)、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性等影響路用抗車轍性能的因素進行試驗研究。

2 力學(xué)性能檢測

2.1 劈裂試驗

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》進行劈裂試驗（大馬歇爾擊實成型，試件尺寸為Φ152.4mm×95.3mm），針對兩種級配采用韓國 SK的AH—70、中海AH—70和大港AH—50三種瀝青，并按其各自的最佳油石比成型試件進行劈裂試驗，不同瀝青混合料的劈裂強度見表2。

表2 劈裂強度試驗結(jié)果（單位：MPa）

從表2中的數(shù)據(jù)可知，密級配瀝青穩(wěn)定碎石基層的劈裂強度在1.179～1.769MPa之間，平均為1.474MPa。而水泥穩(wěn)定基層90d的劈裂抗拉強度在0.48～0.87MPa之間，平均值為0.67MPa，二灰穩(wěn)定類基層180d劈裂抗拉強度在0.52～0.80MPa之間，平均為0.72MPa[3]?？梢?，瀝青穩(wěn)定碎石基層的劈裂強度比半剛性基層劈裂抗拉強度大，是水泥穩(wěn)定基層的2.2倍，是二灰穩(wěn)定基層的2.1倍。

2.2 抗壓回彈模量

采用大馬歇爾擊實成型試件進行混合料單軸壓縮抗壓回彈模量試驗，不同瀝青混合料的無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果見表3，抗壓回彈模量試驗結(jié)果見表4。

表3 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果（單位：MPa）

表4 抗壓回彈模量試驗結(jié)果（單位：MPa）

從表4數(shù)據(jù)可知，瀝青穩(wěn)定碎石基層的無側(cè)限抗壓強度在6.17～10.21MPa之間，平均為8.19MPa。大于水泥穩(wěn)定碎石（7d無側(cè)限抗壓強度在3～6MPa之間）和二灰穩(wěn)定類基層（7d無側(cè)限抗壓強度在0.8～1.2MPa之間）半剛性材料強度，表明密級配瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料具有較好的抗壓性能；瀝青穩(wěn)定碎石基層的抗壓回彈模量在1531～1725MPa之間，平均為1 628MPa。比水泥穩(wěn)定類（均值為1 375MPa）和二灰穩(wěn)定類（均值為1 351MPa）基層稍大，可見其具有較大的剛度。

2.3 水穩(wěn)定性

進入瀝青穩(wěn)定碎石基層中的水分會使瀝青的黏附性和瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料強度降低，從而導(dǎo)致瀝青穩(wěn)定碎石基層及面層在車輛荷載作用下過早破壞。因此，對兩種級配、三種不同瀝青選用3.5%、4.0%的油石比進行浸水馬歇爾試驗，試驗結(jié)果見表5。

表5 浸水馬歇爾試驗結(jié)果

從表5數(shù)據(jù)可知，不同級配、不同種類瀝青的浸水馬歇爾的殘留穩(wěn)定度相差不多，其浸水馬歇爾的殘留穩(wěn)定度都在80%以上，大于規(guī)范規(guī)定的75%的要求。瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料水穩(wěn)定性較好。

2.4 凍融劈裂試驗

以一定的油石比，采用大馬歇爾擊實法成型的圓柱體試件，擊實次數(shù)為雙面各75次進行凍融劈裂試驗，結(jié)果見表6。

表6 凍融劈裂試驗結(jié)果

由表6數(shù)據(jù)可得如下結(jié)論。

（1）級配、瀝青均對瀝青穩(wěn)定碎石混合料的水穩(wěn)定性有一定影響，ATB—25級配的凍融劈裂強度最大，ATB—30級配的凍融劈裂強度次之。黏性大、稠度高的瀝青能提高瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料的水穩(wěn)定性。

（2）瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料試驗級配的凍融劈裂強度都接近或大于80%，表明瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料具有良好的抗水損害能力。

綜上所述可以得出，瀝青穩(wěn)定碎石混合料強度較高，高溫穩(wěn)定性和低溫抗裂性均能夠得到保證，水穩(wěn)定性好，具有優(yōu)良的路用性能。

3 高溫條件下車轍動穩(wěn)定度試驗檢測

在滿足力學(xué)性能基礎(chǔ)上，進行瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料高溫抗車轍試驗檢測。研究表明[3]，基層所面臨的環(huán)境條件沒有面層嚴峻，位于路面下10cm左右的瀝青穩(wěn)定基層，其溫度已經(jīng)低于氣溫，當氣溫過高，如達到23℃時，10cm下的溫度可能高于氣溫，但不會相差太大，可以認為，較高溫度下的瀝青穩(wěn)定基層的平均溫度可以近似用氣溫來表示；另外路面下11cm處的最高溫度一般低于45℃[4]，因此，本研究除了采用60℃溫度外，還采用了30℃、45℃兩個溫度進行對比研究。車轍試件采用輪碾成型機成型，車轍試驗機采用曲柄連桿驅(qū)動試驗臺的行走方式，試驗輪往返碾壓速度為42次/min，輪壓采用0.7MPa。通過對輪碾成型試件取芯，測試芯樣密度，來選定最終碾壓次數(shù)。

3.1 不同混合料級配對車轍的影響

在60℃試驗溫度條件下，采用韓國SK的AH—70瀝青進行車轍試驗，測得9種不同級配（由細到粗） 下，ATB—25（1～5#） 和 ATB—30（6～9#）（前文所提級配分別為2#和7#）瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料的動穩(wěn)定度[5]（見圖1）。

圖1 不同級配瀝青混凝土柔性基層穩(wěn)定度結(jié)果

由圖1可得如下結(jié)論。

（1）對于ATB—25試驗級配，動穩(wěn)定度的大小順序為 2#級配＞3#級配＞4#級配＞5#級配＞1#級配。對于ATB—30試驗級配，則為7#級配＞8#級配＞6#級配＞9#級配。動穩(wěn)定度的大小順序與級配粗細順序并不一致，表明級配過粗和過細，動穩(wěn)定度都會下降?？梢?，瀝青混合料的級配與空隙率對其抗車轍能力有顯著影響。

（2）形成骨架嵌擠結(jié)構(gòu)的2#、3#、4#、7#、8#級配的動穩(wěn)定比未形成嵌擠結(jié)構(gòu)的5#、9#級配的動穩(wěn)定度大40%左右，這表明對瀝青穩(wěn)定碎石混合料來說，級配粗集料形成嵌擠結(jié)構(gòu)能大大提高其抗車轍能力。

3.2 不同混合料瀝青含量對車轍的影響

對ATB—25和ATB—30級配，采用韓國SK的AH—70瀝青，在不同瀝青含量條件下的車轍試驗結(jié)果見表7。

表7 不同瀝青含量瀝青混凝土柔性基層的動穩(wěn)定度（單位：次/mm）

由表7可知，在相同溫度條件下，瀝青含量越高，動穩(wěn)定度降低得越明顯。

3.3 不同試驗溫度對車轍的影響

對兩種級配在30℃、45℃、60℃不同溫度條件下進行車轍試驗，可知動穩(wěn)定度隨著溫度升高而迅速下降，溫度對不同級配的影響是不同的，ATB—30級配的動穩(wěn)定度受溫度影響比ATB—25級配更顯著。對于ATB—25級配，30℃動穩(wěn)定度是45℃動穩(wěn)定度的1.64倍，是60℃動穩(wěn)定度的2.65倍；對于ATB—30級配，30℃動穩(wěn)定度是45℃動穩(wěn)定度的1.68倍，是60℃動穩(wěn)定度的3.51倍。

4 結(jié)論

綜上所述，瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料車轍試驗的動穩(wěn)定度與級配、瀝青用量、溫度等密切相關(guān)?，F(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》規(guī)定普通瀝青混合料的動穩(wěn)定度不應(yīng)低于800次/mm，本文試驗級配的動穩(wěn)定度都超過了這個標準。因此，只要選用合適的級配及瀝青用量，瀝青穩(wěn)定碎石基層混合料可以具有良好的高溫穩(wěn)定性，抗車轍性能十分顯著。邢臨高速公路在K0+000～K15+600段，進行了柔性基層瀝青路面鋪筑試驗，選用瀝青碎石用作上基層材料。經(jīng)過幾年觀察，該路段車轍病害較其他路段無明顯差異，后期養(yǎng)護成本較低，證明瀝青混合料柔性基層抗車轍性能能滿足高等級公路需要。

[1] 楊群，黃曉明.瀝青穩(wěn)定基層混合料變形性能試驗研究[J].東南大學(xué)學(xué)報，2001，31（5）：48-53．

[2] 楊群，黃曉明.瀝青穩(wěn)定基層混合料設(shè)計方法研究[J].東南大學(xué)學(xué)報，2001，31（3）：44-47．

[3] 沙慶林.高等級公路半剛性基層瀝青路面[M].北京：人民交通出版社，1998.

[4] 韓子?xùn)|．道路結(jié)構(gòu)溫度場研究[D]．西安：長安大學(xué)，2001．

[5]David E Newcomb,Mark Buncher,Ira J Huddleston.Con?cepts of Perpetual Pavements[J].TRB Circular No.503:Per?petual Bituminous Pavements,2001(12)：4-11.