凍融地區汽車試驗場瀝青混合料配合比設計技術研究

王時根 （中鐵四局集團第一工程有限公司，安徽 合肥 230041）

1 引言

汽車試驗場是為測試汽車的綜合性能而特別設計的專用場地。試車場的高速環道、動態廣場、性能路等是汽車試驗場的重要組成部分，尤其是高速環道是供汽車進行連續高速行駛試驗的閉合循環跑道，測試汽車的高速巡航能力，在高速狀況下的傳動系統工作狀態、制動和高速耐久性等的相關性能，是汽車試驗場最為重要的汽車測試道路之一。

一汽-大眾汽車試驗場位于長春市農安縣巴吉壘鎮，總區域長7km，寬2km，占地14k㎡，其中試驗場核心試驗區域及運行控制區長6km，寬1km，共6k㎡，一期工程施工區域占4.5 k㎡。主要包括四大功能區：高速環道全長9942.16m、動態廣場直徑300m、性能試驗路、耐久強化路，共有54種特殊路面。其中高速環道面層分為4層瀝青路面，結構為4cmAC-10F、5cm AC-16F、8cm AC-20F、8cm AC-25F；動態廣場、性能路為3層瀝青路面，分別為4cmAC-10F、5cm AC-16F、8cm AC-25F。

圖1 高速環道曲線段路面結構

圖2 高速環道曲線段斷面圖

2 長春環境氣候特點及當地道路瀝青路面裂縫情況

長春市農安縣屬北溫帶大陸性半濕潤氣候區，四季分明，具有春季干燥多風、夏季濕熱多雨、秋季涼爽短暫、冬季寒冷漫長的特點。多年平均降水量為516.1mm。降水時間多集中于6到9月，6－9月平均降水量為409.8mm，占年平均降水量的79%。年平均蒸發量為1680mm。年均氣溫為4.7℃。高溫天氣，多出現在7月份，月均氣溫為23℃。最高氣溫達到35.8℃。最低氣溫多在1月，月平均氣溫為-17℃，極端最低氣溫達-36℃。

通過對長春周邊地區高速公路瀝青路面調查發現，高速公路瀝青路面裂縫主要是橫向裂縫，有規律的每隔20～40m就存在一道，彎彎曲曲貫穿整個橫斷面，與道路中線基本垂直。橫向裂縫兩側出現錯臺，高低不平，危機行車安全和影響試車效果，縮短道路使用壽命。

圖3 調查的長伏公路瀝青路面裂縫

3 本項目高速環道和動態廣場瀝青路面技術特點

3.1 高速環道瀝青路面

高速環道瀝青面層施工不同于常規道路平面攤鋪，需要在曲面上完成攤鋪、碾壓。高速環道曲面最大超高角達48.8。，為國內汽車試驗場高速環道最大超高角，要求曲面橫斷面一次性攤鋪完成，曲面上不得有縱縫，防止高速車道瀝青攤鋪滑落、碾壓開裂是保證路面質量的重點。

3.2 動態廣場瀝青路面

動態廣場是一個直徑300m的圓，基層為總厚度32cm的級配碎石，路面結構為三層瀝青，總厚度17㎝，由北向南坡度為0.5%，面積大、坡度小，且項目所在地處于高寒地區，對試車路面的平整性能和抵抗裂縫要求高。

4 實地采集路面內部溫度及分布特性

為實地研究路面內部的溫度及分布情況，分別在試車場路面的路面表面5cm深、15cm深和30cm深處埋設了溫度傳感器，溫度傳感器能夠實時監測溫度并記錄數據，溫度數據每半小時記錄一次。在寒冷氣候（12月至次年2月）及炎熱氣候（8月至10月）條件下、經過長達數月的監測記錄，得到路面不同層位的長期溫度變化情況，如圖4所示。

可以看出，在寒冷氣候下，總體上路面的溫度由路表向下越來越高，路表溫度最低。在記錄時期內，一天內的溫度變化中，路表的溫度變化幅度最高，在基層（30cm深處）則變化很小；并且路面內的溫度變化呈現出明顯的滯后性，白天溫度升高時，路表在下午2點左右達到最高溫度，隨后路表以下各層相繼達到最高，夜晚溫度降低時同理。綜合研究路面上面層最易受到極端溫度引起的病害；相較于上面層，路面中、下面層受到外界溫度變化帶來的影響較小。為保證路面的質量，選用PG64-34瀝青作為上面層路面的瀝青結合料，中、下面層選用PG58-28瀝青。

圖4 路面溫度變化

5 瀝青配合比設計關鍵技術

5.1 基于PG分級的瀝青膠結料的選擇

瀝青PG技術包括瀝青膠結料規范、瀝青膠結料試驗以及瀝青膠結料的選擇方法，對瀝青技術指標體系進行了根本性變革，將瀝青的指標與路用性能緊密聯系起來，根據瀝青感溫特性、供用道路交通荷載組成水平、路用性能分類(高溫、低溫、中溫)、瀝青老化前后性質變化等因素來確定瀝青等級。它的顯著特色是一反“固定溫度進行試驗而改變標準值”的辦法，而是采用“標準值不變而改變試驗溫度”的辦法，即“標準是一致的，條件是不同的”。

5.1.2 高溫和低溫性能試驗

高溫指標采用DSR（動態剪切流變）試驗，測試原樣瀝青和RTFO老化后的瀝青殘留物，在相應條件下的復合剪切模量（G*）以及相位角（δ），然后計算車轍因子（G*/sinδ），對同時滿足：①原樣瀝青 G*/sinδ≥1.0kPa；②RTFOT之后的瀝青殘留物 G*/sinδ≥2.2kPa；③取二者最高溫度中的低值作為該瀝青的高溫等級。

低溫指標采用DSR（動態剪切流變）和BBR（彎曲梁流變儀）試驗，DSR試驗將RTFOT老化及PAV老化后的瀝青，自34℃起，間隔3℃進行DSR試驗，直至剛好 G*sinδ＞5000kPa，獲取滿足 G*sinδ≤500kPa的最低溫度，從而確定BBR試驗的起始溫度。BBR試驗將經過RTFOT和PAV老化后的瀝青制成12.5mm×12.5mm×6.25mm的小梁，測得不同溫度下（為加快試驗速度，所選測試溫度比實際溫度提高10℃），瀝青膠結料兩個指標：瀝青抵抗恒載的能力S（蠕變勁度）和瀝青勁度變化的速率m，當同時滿足S＜300MPa和m＞0.3時，取該實際溫度為低溫等級。

PG分級標準的試驗、指標及標準值 表1

圖5 DSR原理示意圖

圖6 動態剪切流變儀

經檢測的90#基質瀝青及SBS(I-C)分別按照PG58-28、PG64-34分級要求進行試驗檢測，試驗結果見表2和表3。

可以看到對于3種瀝青樣品，按照針入度等級劃分均為相同等級，但從PG檢測數據來看，即使相同標號的瀝青，其性能差異還比較大。對比以上檢測數據，可以看出，C樣品基質瀝青和C樣品SBS改性瀝青均要優秀于其他兩個樣品，同時可以發現較差的瀝青主要都是由于低溫性能不足，代表高溫性能的車轍因子指標也有所差異，而這些差別是針入度，延度和軟化點等常規實驗難以有效地區分開。

5.2 瀝青混合料技術指標要求及約束試件溫度應力試驗

由于農安縣冬季溫度低、且持續時間長，設計文件要求瀝青混合料為細型（F型）的密實級配型。在配合比設計過程中在以高溫車轍性能為重要驗證指標情況下，增加低溫彎曲和凍融劈裂性能。瀝青混合料的技術指標見表4。

瀝青混合料配合比設計包括三項基本內容：礦料級配設計、最佳瀝青用量和路用性能檢驗。

為進一步評價三種級配的混合料低溫抗裂性能，優選最優級配，采用約束試件溫度應力試驗評價三種配合比。約束試件溫度應力試驗（TSRST）由美國公路研究戰略計劃（SHRP）提出，SHRP提出的典型TSRST儀器如圖7和圖8所示，儀器采用4個溫度傳感器來測定試件表面的溫度，用一個溫度傳感器測定環境箱的溫度，根據環境箱溫度和設定的降溫速率比較來控制是否向環境箱中噴射液氮。當試件在降溫過程中產生收縮時，儀器通過計算機控制步進馬達把試件拉伸到初始的位置，模擬路面的約束作用。這樣就可以測定瀝青溫合料試件在降溫過程中所產生的溫度應力。試驗時可以任意設定一個初始溫度和降溫速率，以測定在不同初始溫度和不同降溫速率下瀝青混合料試件中的溫度應力。

基質瀝青PG檢測結果 表2

SBS（I-C）改性瀝青PG檢測結果 表3

瀝青混合料技術指標要求 表4

(上面層)三種級配的TSRST指標對比 表5

圖7 TSRST試驗示意圖

圖8 TSRST試驗實景圖

對三種級配分別進行TSRST試驗，試驗初始溫度為5℃，降溫梯度為-10℃/h，結果如圖9所示。

圖9 三種級配TSRST結果對比

試驗中試件的溫度應力隨溫度降低而增大，并最終開裂發生破壞。試件在開裂時的溫度和溫度應力即為凍斷溫度和凍斷強度，這是評價混合料的低溫抗裂性能的兩個重要指標。表5列出了三種級配的凍斷溫度和凍斷強度指標對比，對比發現級配C的凍斷溫度最低，凍斷強度最高，因此級配C的低溫開裂性能最好，因此選擇級配C作為最終配合比。

6 結論

通過實地研究路面內部的溫度分布及變化分析，路面的上面層最易受到極端溫度引起的病害；相較于上面層，路面中、下面層受到外界溫度變化帶來的影響較小。為保證路面的質量并充分考慮工程的經濟性，選用PG64-34瀝青作為上面層路面的瀝青結合料，中、下面層選用PG58-28瀝青。

采用PG64-34瀝青的AC-10F混合料的動穩定度明顯高于其余三種采用PG58-28瀝青的混合料，提升瀝青的高溫PG等級可以顯著的提升瀝青混合料高溫性能。對比另外三種PG58-28瀝青混合料，由于更大粒徑的集料顆粒形成的骨架，其承重能力也更大，因此提升了混合料的抗車轍性能。

對于混合料低溫性能，路面上面層最易受低溫影響產生病害，在上面層瀝青混合料的配合比設計過程中專門增加低溫凍斷試驗評價材料的低溫抗裂性能，作為級配優選的依據之一，凍斷溫度最低，凍斷強度最高，因此低溫開裂性能最好。

對于對經過兩個凍融期的現場檢查，道路整體功能優良，高速環道及動態廣場大面積等瀝青試車道路平順，滿足使用功能。