低標(biāo)號(hào)瀝青在干旱高溫抗車轍地區(qū)的路用性能探究

邵明星

（新疆交投建設(shè)管理有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830099）

0 引言

目前，在國(guó)外尤其是歐洲，低標(biāo)號(hào)瀝青混合料已被廣泛應(yīng)用，雖然國(guó)內(nèi)道路工作者對(duì)于低標(biāo)號(hào)瀝青也做了大量研究，但是低標(biāo)號(hào)瀝青在新疆地區(qū)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(biāo)號(hào)瀝青和新疆常用90#、SBS改性瀝青）結(jié)合新疆高溫抗車轍地區(qū)獨(dú)特的氣候條件，實(shí)施針對(duì)性研究。

1 低標(biāo)號(hào)瀝青結(jié)合料高溫穩(wěn)定性

為全面了解低標(biāo)號(hào)瀝青混合料性能，同時(shí)檢驗(yàn)配合比設(shè)計(jì)，需要對(duì)低標(biāo)號(hào)瀝青混合料進(jìn)行路用性能試驗(yàn)，同時(shí)與新疆地區(qū)常用瀝青混合料對(duì)比，本文開展了高溫車轍試驗(yàn)研究，比對(duì)了低標(biāo)號(hào)瀝青混合料和新疆常用瀝青混合料在高溫性能方面的優(yōu)劣。

高溫穩(wěn)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(qū)主要?dú)夂蛞厥歉邷?，而車轍是研究區(qū)域?yàn)r青路面的首要病害，因此本文將重點(diǎn)研究瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

1.1 高溫穩(wěn)定性測(cè)試方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)

瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度和流值屬于經(jīng)驗(yàn)性指標(biāo)，與路面實(shí)際產(chǎn)生的車轍破壞相關(guān)性較差，因此二者多用于確定瀝青用量和施工質(zhì)量檢測(cè)。作為瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性指標(biāo)，已逐步要求補(bǔ)做其他試驗(yàn)或者檢驗(yàn)，例如車轍試驗(yàn)和蠕變?cè)囼?yàn)。

在瀝青混合料的蠕變?cè)囼?yàn)中，三軸重復(fù)加載試驗(yàn)是比較接近路面實(shí)際三位受力狀態(tài)的一種，但該試驗(yàn)對(duì)人員和試驗(yàn)設(shè)備的要求很高，且試驗(yàn)中要求提供恒定或動(dòng)態(tài)的側(cè)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(yàn)和高溫剪切試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)低標(biāo)號(hào)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

大量試驗(yàn)表明，車轍試驗(yàn)中，試件上輪轍的產(chǎn)生和發(fā)展與實(shí)際路面車轍的產(chǎn)生和發(fā)展相關(guān)性很高，車轍試驗(yàn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)動(dòng)穩(wěn)定度與瀝青路面的車轍深度也具有相關(guān)性，因此如能嚴(yán)格把控瀝青混合料的設(shè)計(jì)，使其動(dòng)穩(wěn)定度滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的相關(guān)規(guī)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(yīng)力導(dǎo)致，因此試驗(yàn)研究采用路面材料剪切儀，通過(guò)測(cè)試試件高溫時(shí)受剪切破壞的剪應(yīng)力大小，來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料抵抗高溫剪切變形的能力。

1.2 基于車轍試驗(yàn)的高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

1.2.1 車轍試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在新疆高溫抗車轍地區(qū)，車轍破壞是路面破壞的主要類型，且多為失穩(wěn)型車轍。評(píng)價(jià)車轍性能的方法有三類：第一類為試驗(yàn)道路現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)；第二類是ATP試驗(yàn)，即足尺加載加速試驗(yàn)；第三類為傳統(tǒng)的室內(nèi)輪轍試驗(yàn)。第三類方法簡(jiǎn)單方便，能較好反映瀝青混合料的抗車轍性能，也符合我國(guó)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的要求。試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試樣密度100%±1%。對(duì)于基質(zhì)瀝青制作的試件，需要養(yǎng)護(hù)24h后脫模，對(duì)于SBS改性瀝青制作的試件，則需要養(yǎng)護(hù)48h后脫模，然后將試樣經(jīng)保溫后放于車轍儀中實(shí)施輪轍試驗(yàn)，計(jì)算其動(dòng)穩(wěn)定度。

1.2.2 車轍試驗(yàn)參數(shù)確定

有資料表明，在40℃～60℃范圍內(nèi)，瀝青混合料的溫度每上升5℃，其變形將增加兩倍。路面長(zhǎng)期處于高溫狀態(tài)下，必定會(huì)加速車轍的發(fā)展。而在新疆高溫抗車轍地區(qū)，夏季極端溫度可達(dá)到40℃，路表溫度時(shí)常會(huì)超過(guò)60℃，因此試驗(yàn)研究將在60℃和70℃兩種溫度下開展車轍試驗(yàn)。其中試驗(yàn)輪與試件接觸壓強(qiáng)為0.7±0.05MPa，位移傳感器測(cè)量范圍及精度為0mm～30mm和0.01。試驗(yàn)輪行走次數(shù)為1260次，往返碾壓速度為21次/mm，試驗(yàn)時(shí)間約為60mm。

1.2.3 低標(biāo)號(hào)瀝青混合料車轍試驗(yàn)的結(jié)果及分析

用4種標(biāo)號(hào)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(gè)小時(shí)，開展車轍試驗(yàn)，并計(jì)算其在不同溫度下的動(dòng)穩(wěn)定度和升溫后動(dòng)穩(wěn)定度削減百分比，所得結(jié)果如圖1所示。

圖1 動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)比圖

由圖1可以直觀發(fā)現(xiàn)，在60℃時(shí)SBS的動(dòng)穩(wěn)定度高達(dá)8000次/mm，其他3種基質(zhì)瀝青動(dòng)穩(wěn)定度也均高于《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTGF40-2004）的要求，其中低標(biāo)號(hào)的50#瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度也遠(yuǎn)高于常用的90#瀝青；在70℃時(shí)50#和70#瀝青的動(dòng)穩(wěn)定度也達(dá)到了1700/mm和1200/mm，而常用的90#瀝青制作的車轍板則出現(xiàn)了松散，再經(jīng)一小時(shí)的車轍試驗(yàn)，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(jié)材料。室內(nèi)高溫車轍試驗(yàn)間接反映了在試驗(yàn)研究區(qū)域，瀝青路面在長(zhǎng)時(shí)間高溫度，渠化交通荷載作用下，易產(chǎn)生車轍破壞；另外SBS瀝青雖然在60℃和70℃時(shí)表現(xiàn)出較好的高溫穩(wěn)定性，但其造價(jià)較高；與前二者相比，低標(biāo)號(hào)的50#和70#瀝青則顯示出了較好的高溫性能，且性價(jià)比較高，能更好地適用于新疆高溫抗車轍地區(qū)路面的修筑。綜上，在該地區(qū)使用低標(biāo)號(hào)瀝青修筑路面時(shí)，車轍試驗(yàn)應(yīng)在70℃下開展，采用50#瀝青時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度值應(yīng)不小于1500次/mm，采用70#瀝青時(shí)，動(dòng)穩(wěn)定度值應(yīng)不小于1000次/mm。

1.3 基于剪切試驗(yàn)的高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

瀝青混合料的剪切強(qiáng)度是一項(xiàng)重要的強(qiáng)度指標(biāo)，瀝青路面的推移、擁包和車轍都是剪切變形的結(jié)果。采用剪切試驗(yàn)可以直接考察瀝青混合料的抗剪切流動(dòng)變形能力。

1.3.1 剪切試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

瀝青混合料在使用過(guò)程中實(shí)際上處于三向受壓的狀態(tài)，而車轍試驗(yàn)由于試件尺寸有限，試驗(yàn)加載方法具有局限性，與瀝青混合料實(shí)際受力情形差異較大。目前我國(guó)修筑的瀝青路面雖然動(dòng)穩(wěn)定度滿足了規(guī)范要求，但在后續(xù)使用過(guò)程中，仍然出現(xiàn)了車轍破壞。為使測(cè)試條件盡量接近實(shí)際受力情況，試驗(yàn)研究設(shè)計(jì)了瀝青混合料的剪切試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用的剪切試驗(yàn)儀，借鑒了土工直剪試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)，試驗(yàn)試件采用馬歇爾試件，試件制作容易，材料使用較少，試驗(yàn)快速直接，亦便于現(xiàn)場(chǎng)鉆芯取樣制作試件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中，馬歇爾試件下部固定于底座下端，上部固定于活動(dòng)的套筒中，通過(guò)電機(jī)對(duì)試件中部施加橫向剪切力，以穩(wěn)定速度直剪至試件破壞，剪切儀可以時(shí)時(shí)記錄試件受力大小和位移大小。

1.3.2 剪切試驗(yàn)參數(shù)確定

考慮到新疆高溫抗車轍地區(qū)夏季路面溫度較高，為貼近路面實(shí)際使用，采用60℃和70℃兩種溫度開展試驗(yàn)，試驗(yàn)試件均為烘箱保溫5個(gè)小時(shí)后，立即開展剪切試驗(yàn)。長(zhǎng)安大學(xué)孫己龍的研究顯示，當(dāng)剪切速率采用5mm/min時(shí)，所測(cè)剪切力與剪切位移的變異系數(shù)較小，因此試驗(yàn)研究采用剪切速率為5mm/min。試驗(yàn)中所測(cè)力值為試件所受截面剪力，而非剪應(yīng)力，試件為標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，直徑為101.6±0.2mm，計(jì)算截面面積取值為0.00785m2。

1.3.3 低標(biāo)號(hào)瀝青混合料剪切試驗(yàn)的結(jié)果及分析

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20-2011），以50#、70#、90#和SBS4種瀝青制作標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，測(cè)試其高度，分為50℃和60℃兩組保溫5個(gè)小時(shí)后，開展剪切試驗(yàn)，測(cè)試試件破壞時(shí)的最大位移和剪力，并計(jì)算其剪應(yīng)力和升溫后剪應(yīng)力削減百分比，所得結(jié)果如圖2所示。

圖2 剪應(yīng)力對(duì)比圖

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，在60℃時(shí)，使用50#和70#低標(biāo)號(hào)瀝青試件破壞時(shí)，剪切應(yīng)力達(dá)到了0.2093MPa和0.2293MPa，遠(yuǎn)高于新疆常用的SBS瀝青，是90#瀝青的數(shù)倍；在70℃時(shí)，使用兩種低標(biāo)號(hào)瀝青拌制的試件抗剪切應(yīng)力仍然高于兩種常用瀝青，而且低標(biāo)號(hào)瀝青在升溫后抗剪切應(yīng)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%?？紤]到剪應(yīng)力是造成瀝青路面車轍的主要原因，而在試驗(yàn)研究區(qū)域，常用90#瀝青具有高溫不穩(wěn)定性，加之長(zhǎng)時(shí)間的高溫更加劇了車轍病害的發(fā)展，在此情況下，低標(biāo)號(hào)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(qū)瀝青路面的修筑。綜上，在該地區(qū)使用低標(biāo)號(hào)瀝青修筑路面，應(yīng)在70℃下開展剪切試驗(yàn)，采用50#瀝青修筑的混合料剪應(yīng)力應(yīng)不小于0.14MPa，采用70#瀝青修筑混合料的剪應(yīng)力應(yīng)不小于0.17MPa。

1.4 新疆高溫抗車轍區(qū)高溫評(píng)價(jià)指標(biāo)與要求

采用高溫車轍試驗(yàn)和高溫剪切試驗(yàn)，分別在60℃和70℃下對(duì)4種瀝青混合料試件開展對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，低標(biāo)號(hào)瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)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(yīng)力也大于常用的90#瀝青，表現(xiàn)出良好的高溫穩(wěn)定性，適宜于新疆高溫抗車轍地區(qū)瀝青路面的修筑。同時(shí)，試驗(yàn)提出了在新疆高溫抗車轍區(qū)使用低標(biāo)號(hào)瀝青的高溫推薦指標(biāo)，車轍試驗(yàn)應(yīng)在70℃下開展，采用50#瀝青動(dòng)穩(wěn)定度值應(yīng)不小于1500次/mm，采用70#瀝青動(dòng)穩(wěn)定度值應(yīng)不小于1000次/mm；另外應(yīng)在70℃下開展剪切試驗(yàn)，采用50#瀝青修筑的混合料其剪應(yīng)力應(yīng)不小于0.14MPa，采用70#瀝青修筑混合料其剪應(yīng)力應(yīng)不小于0.17MPa。

2 低標(biāo)號(hào)瀝青混合料在新疆高溫抗車轍區(qū)的應(yīng)用

新疆高溫抗車轍地區(qū)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(xù)高溫，重載和渠化交通情況下，極易產(chǎn)生車轍病害。采用添加造價(jià)高昂的改性劑改善路面性能成本過(guò)高，不利于當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，而低標(biāo)號(hào)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(biāo)號(hào)瀝青在新疆地區(qū)的使用仍處于科學(xué)研究狀態(tài)，尚無(wú)實(shí)體路段的鋪筑，因此，在室內(nèi)理論分析及試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，在新疆高溫抗車轍區(qū)，首次使用低標(biāo)號(hào)瀝青（庫(kù)車天環(huán)50#瀝青和70#瀝青）鋪筑試驗(yàn)段，來(lái)檢驗(yàn)其對(duì)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(gòu)建“五橫七縱”高等級(jí)公路網(wǎng)中的第三橫，連接阿克蘇、阿圖什、喀什等3座南疆重鎮(zhèn)，跨越3個(gè)地州，線路全長(zhǎng)428.49km，是我國(guó)目前路線里程最長(zhǎng)的高速公路，其全線采用雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)時(shí)速為100km～120km，路基寬度維持28m，項(xiàng)目總投資約為123億元。2014年8月，在阿喀高速三標(biāo)段鋪設(shè)低標(biāo)號(hào)試驗(yàn)路段。所謂低標(biāo)號(hào)路段就是用50#和70#瀝青代替原有的常規(guī)瀝青（新疆使用較為普遍的為90#瀝青），應(yīng)用于阿喀高速的中面層，以檢驗(yàn)低標(biāo)號(hào)瀝青對(duì)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(yàn)路段鋪設(shè)段落，全長(zhǎng)1290m。其中，k1399+550～k1400+200鋪設(shè)50#瀝青路面中面層，k1400+200～k1400+840鋪設(shè)70#瀝青路面中面層。

試驗(yàn)路的檢測(cè)主要測(cè)試路面的平整度、滲水性，通過(guò)鉆心取樣測(cè)試混合料的壓實(shí)度、體積指標(biāo)和馬歇爾試驗(yàn)指標(biāo)。

2.1 滲水性檢測(cè)

滲水性檢測(cè)主要測(cè)試水量從100ml降到500ml所需時(shí)間，是直觀反映路面空隙率和壓實(shí)度的重要指標(biāo)，需要在路面施工結(jié)束后進(jìn)行測(cè)試。中面層試驗(yàn)段須在鋪筑后的第二天，檢測(cè)道路滲水性，結(jié)果如表1所示。

表1 路面滲水性檢測(cè)表

表1所測(cè)數(shù)據(jù)中，滲水最大值為115.9ml/min，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）中關(guān)于密集配瀝青混合料滲水系數(shù)不大于120ml/min的要求。

2.2 平整度檢測(cè)

瀝青混合料從拌和到鋪筑的過(guò)程中都可能會(huì)出現(xiàn)離析現(xiàn)象。因此必須采取各種措施（諸如裝料時(shí)前后挪動(dòng)汽車，攤鋪時(shí)及時(shí)收攤鋪機(jī)料斗，經(jīng)常檢查螺旋布料器等），從嚴(yán)控制瀝青混合料的離析，否則會(huì)引起局部松鋪系數(shù)的波動(dòng)，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(jié)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(nèi)。

路段用路面平整度儀測(cè)量平整度，牽引汽車保持5km/h～12km/h的速度勻速駛過(guò)被選中的測(cè)量路段，當(dāng)路面狀況不良時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減緩行駛速度，測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 路段平整度檢測(cè)表

《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004）對(duì)于高速公路質(zhì)量控制做出規(guī)定，連續(xù)測(cè)定中面層平整度的標(biāo)準(zhǔn)差不大于1.5mm做出由表2中的數(shù)據(jù)可知，在所選取的路段內(nèi)，連續(xù)式平整度儀所輸出的20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差中，僅有4個(gè)數(shù)據(jù)超過(guò)了1.5mm，因此可以認(rèn)定該試驗(yàn)路段平整度滿足要求。

2.3 鉆芯取樣

鉆芯取樣結(jié)果如表3所示。

表3 鉆芯取樣結(jié)果

由表3中鉆芯取樣數(shù)據(jù)可以看出，各項(xiàng)指標(biāo)滿足50#和70#瀝青混合料生產(chǎn)配合比驗(yàn)證的要求。其中兩處高度不足50mm的芯樣，差值也在設(shè)計(jì)值的5%以內(nèi)。