抗車轍劑在某高速公路路面工程中的應(yīng)用

殷南東，劉宇飛

（湖南通泰工程有限公司，湖南 長沙 410004）

隨著我國高等級公路建設(shè)事業(yè)的飛速發(fā)展，公路交通量大幅增加，大流量、大軸載交通和交通渠化的加劇，使得路面車轍破壞成為突出的高速公路瀝青路面早期破損形式。路面結(jié)構(gòu)層上部由于受水平、垂直荷載的共同作用，上面層發(fā)生剪切位移。隨著路面結(jié)構(gòu)層位的下移，水平荷載的影響逐漸減小，結(jié)構(gòu)層主要承受垂直荷載的作用，以發(fā)生豎向壓縮變形為主。豎向壓應(yīng)變的峰值位于瀝青面層的中下部，因此，主要承受豎向荷載作用的中面層是瀝青路面車轍產(chǎn)生的根源，尤其是長大縱坡等路段因緊急剎車、車速慢導(dǎo)致輪胎接地時間長，車轍尤為嚴(yán)重。車轍按成因不同分三類：由瀝青路面以下各結(jié)構(gòu)層的永久性變形引起的結(jié)構(gòu)性車轍；由混合料的側(cè)向流動變形引起的失穩(wěn)性車轍；壓密性車轍和磨損性車轍。通過現(xiàn)場調(diào)查并進(jìn)行路面鉆芯和切割取樣分析，綜合室內(nèi)試驗結(jié)果分析，總體來說車轍產(chǎn)生的因素可分為外因和內(nèi)因兩個方面。外部因素主要包括高溫、重荷載、渠化交通、車流量、路面坡度等。內(nèi)部因素主要包括原材料性質(zhì)、材料設(shè)計、施工質(zhì)量控制等。

1 抗車轍劑的作用機(jī)理

預(yù)防車轍的常用措施有：a）調(diào)整礦料級配，采用更粗的級配 級配太粗雖然能改善抗車轍性能，但可能導(dǎo)致混合料離析及水損壞；b）對瀝青進(jìn)行改性 這一措施存在基質(zhì)瀝青與改性劑的相容性問題，而且在運輸和儲存過程中可能出現(xiàn)離析；c）摻加抗車轍劑 在瀝青混合料中摻加各種纖維等抗車轍劑，或采用SMA、LSAM、ATPB等結(jié)構(gòu)層。

抗車轍劑指以預(yù)防瀝青路面車轍病害為主要應(yīng)用目的的瀝青改性劑，這是一種功能上的定義，凡是以抗車轍為目的的相關(guān)瀝青改性劑均為廣義上的抗車轍劑。抗車轍劑的作用機(jī)理主要有以下四方面。

1.1 嵌擠作用

抗車轍劑在施工過程中由于高溫的作用而軟化，這些微粒在碾壓過程中熱成型，相當(dāng)于具有高粘附性的單一粒徑細(xì)集料填充嵌擠到了集料骨架中的空隙，增加了瀝青混合料結(jié)構(gòu)的骨架作用，加強(qiáng)了混合料之間的相互作用力，使混合料之間更加緊密，降低了成型路面的滲透性，同時增加了瀝青混合料承受荷載的能力。

1.2 加筋作用

由于抗車轍劑中聚合物形成的微結(jié)晶區(qū)具有相當(dāng)?shù)膭哦龋诎韬瓦^程中部分拉絲成塑料纖維，在集料骨架內(nèi)搭橋交聯(lián)而形成纖維，具有加筋作用。由于聚合物纖維的存在，它在膠結(jié)料中形成網(wǎng)狀，加強(qiáng)了瀝青礦粉膠結(jié)料體系的相互作用和整體性。

1.3 膠結(jié)作用

將抗車轍劑投入瀝青混合料的拌和鍋中，在170～180℃的溫度下，首先通過與礦料干拌，使它軟化，然后繼續(xù)加入瀝青拌和。抗車轍劑顆粒與瀝青間的膠結(jié)作用，使瀝青性能得到改善，提高了瀝青的軟化點，降低了瀝青對溫度的敏感性，增加了瀝青與礦料的粘附能力。

1.4 變形恢復(fù)作用

抗車轍劑的彈性成分在較高溫度時具有使路面的變形部分恢復(fù)彈性的功能，因而減少了成型瀝青路面的永久變形。

2 抗車轍劑的類型

國外的抗車轍劑主要有：法國的PR，主要成分為聚合物；德國的DOMIX，主要成分為塑料改性劑；殼牌瀝青公司的SEAM顆粒等。

國內(nèi)的抗車轍劑主要有：交通運輸部公路科學(xué)研究院研發(fā)的RA瀝青改性劑，是以天然瀝青和高分子化合物聚合而成，為國家火炬計劃產(chǎn)品和國家專利產(chǎn)品；長安大學(xué)公路學(xué)院研發(fā)的BX瀝青混合料添加劑，是在反復(fù)對比試驗的基礎(chǔ)上研發(fā)的高性能路用產(chǎn)品，是一種完全優(yōu)于改性瀝青加工工藝的高性能瀝青混合料改性劑，特別能改善路面低溫抗凍、抗水損、抗車轍等性能，顯著提高瀝青混合料馬歇爾穩(wěn)定度、低溫彎曲應(yīng)變系數(shù)、浸水馬歇爾殘留穩(wěn)定度，與改性瀝青比較，具有使用、存儲、運輸方便，成本低等特點，在使用過程中各項指標(biāo)均高于或等同于SBS改性瀝青。

3 摻加抗車轍劑的瀝青混合料抗車轍性能試驗

婁新高速公路是湖南省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“五縱七橫”中的第三橫——婁底至懷化高速公路的一段，起于上海至昆明國家高速公路婁底互通，止于新化縣城南的新建村，路線長96.71km。原設(shè)計對長大縱坡路段路面未采取特殊措施，而婁底地區(qū)重車較多，受汽車荷載作用，長大縱坡路段路面極易形成車轍、擁包、推移等病害。經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)論證，決定在長大縱坡路段（坡度＞3%以及坡度＞2%且坡長大于1km路段）路面中面層AC—20S瀝青混凝土中摻加抗車轍劑，以提高長大縱坡路段路面抗車轍性能。為保證使用效果，選用兩種抗車轍劑（分別為德國產(chǎn)Duroflex抗車轍劑和國產(chǎn)北美孚玄武巖礦物纖維），對分別摻加這兩種改性劑的AC—20S瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性能（浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗）、高溫穩(wěn)定性能（車轍試驗）以及低溫抗裂性能（低溫小梁彎曲試驗）試驗。

Duroflex抗車轍劑外觀為灰褐色、不規(guī)則固體顆粒狀，其主要物理指標(biāo)見表1。

表1 Duroflex抗車轍劑的主要物理指標(biāo)

北美孚玄武巖礦物纖維是由玄武巖礦石在約1 500℃高溫下熔煉抽絲制成的分散纖維，外觀為平均長度為3～6mm、平均直徑約為5μm的不規(guī)則絮狀纖維，其主要物理指標(biāo)見表2。

表2 北美孚玄武巖礦物纖維的主要物理指標(biāo)

3.1 抗車轍劑摻量

參考相關(guān)文獻(xiàn)并根據(jù)廠商提供的說明書給出的推薦摻量，本次試驗中，Duroflex摻量選定為混合料質(zhì)量的0.3%，對北美孚玄武巖礦物纖維，摻量選定為混合料摻量的0.4%（車轍試驗采用兩組摻量，分別為0.4%和0.5%）

3.2 油石比

采用SBS改性瀝青，不摻加任何添加劑時，AC—20S混合料的最佳油石比為4.4%，參考相關(guān)文獻(xiàn)并根據(jù)經(jīng)驗，摻加Duroflex抗車轍劑和玄武巖礦物纖維后，油石比一般會相應(yīng)增加。試驗室采用4.5%的油石比對兩種抗車轍劑分別成型馬歇爾試件并實測孔隙率等體積指標(biāo)，結(jié)果見表3。

表3 AC—20S瀝青混合料馬歇爾體積指標(biāo)

從表3可以看出，各項指標(biāo)均滿足要求。因此，摻加兩種抗車轍劑后的混合料最佳油石比均選定為4.5%。

3.3 摻抗車轍劑瀝青混合料試驗驗證

根據(jù)以上礦料級配、抗車轍劑摻量、油石比以及拌和參數(shù)，成型相應(yīng)的試件進(jìn)行浸水馬歇爾試驗、凍融劈裂試驗、車轍試驗以及低溫小梁彎曲試驗來驗證摻加抗車轍劑后的混合料的水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性以及低溫抗裂性能，并與不摻抗車轍劑的混合料的相關(guān)性能進(jìn)行對比。

3.3.1 浸水馬歇爾試驗

雙面擊實75次成型馬歇爾試件，進(jìn)行浸水馬歇爾試驗，試驗結(jié)果見表4。

表4 浸水馬歇爾試驗結(jié)果

3.3.2 凍融劈裂試驗

雙面擊實50次成型馬歇爾試件，進(jìn)行凍融劈裂試驗，試驗結(jié)果見表5。

表5 凍融劈裂試驗結(jié)果

3.3.3 車轍試驗

在60℃、輪胎接地壓強(qiáng)0.7MPa條件下進(jìn)行車轍試驗以檢驗混合料的高溫穩(wěn)定性。其中，Duroflex摻量為0.3%，玄武巖礦物纖維摻量分別為0.4%、0.5%兩種，試驗結(jié)果見表6。

表6 車轍試驗結(jié)果

由車轍試驗結(jié)果可以看出，摻加兩種抗車轍劑后，瀝青混合料動穩(wěn)定度均有顯著提高：

a）摻0.3%的Duroflex后，混合料的動穩(wěn)定度平均為9511次／mm，碾壓60min車轍變形平均深度為1.461mm；

b）摻0.4%的Duroflex后，動穩(wěn)定度平均為8 619次／mm，碾壓60min車轍變形平均深度為1.902mm；

c）摻0.5%玄武巖礦物纖維動穩(wěn)定度平均為10 195次／mm，碾壓60min車轍變形平均深度為1.289mm，試驗完成后試件外觀無明顯轍痕。

3.3.4 低溫小梁彎曲試驗

對摻0.3%Duroflex和摻0.4%玄武巖礦物纖維的兩組瀝青混合料進(jìn)行低溫小梁彎曲試驗以驗證摻加抗車轍劑后混合料的低溫抗裂性能。試驗條件取溫度為－10℃，加載速率為50mm／min。試驗結(jié)果見表7。

表7 低溫小梁彎曲試驗結(jié)果

由低溫小梁彎曲試驗結(jié)果可以看出，摻加0.3%Duroflex的混合料極限破壞應(yīng)變平均為3 100με，摻加0.4%玄武巖礦物纖維的混合料極限破壞應(yīng)變平均為3 236με，均能夠滿足施工指導(dǎo)意見要求，且比不摻抗車轍劑時有顯著提高。

4 結(jié)論

通過對摻加Duroflex抗車轍劑和北美孚玄武巖礦物纖維的瀝青混合料進(jìn)行水穩(wěn)定性、高溫穩(wěn)定性以及低溫抗裂性試驗，結(jié)果表明各項性能均能滿足要求，在一定的摻量下，對于提高混合料的高溫穩(wěn)定性均具有顯著的作用，可以較好地提高瀝青路面的抗車轍性能。

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