低標(biāo)號瀝青在福建省瀝青路面中的應(yīng)用

蔡俊華，童巨聲，馬 濤，黃曉明，嚴(yán)二虎

(1. 三明莆炎高速公路有限責(zé)任公司，三明 福建 365000；2. 東南大學(xué) 交通學(xué)院，南京 江蘇 211100；3. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

隨著瀝青路面設(shè)計(jì)施工體系的完善以及瀝青混合料技術(shù)的進(jìn)步，材料松散、路基沉陷等瀝青路面的短期病害逐漸減少。取而代之的，以車轍為代表的長期病害成為我國高等級瀝青路面的主要病害[1-3]。車轍發(fā)展產(chǎn)生的車轍槽不僅會(huì)影響路面的排水，加速路面的水損害，而且會(huì)影響到路面的平整度，降低行車安全。

福建位于我國東南，屬于炎熱多雨型氣候，高溫與雨水的作用使得福建省高速公路一直存在嚴(yán)重的車轍病害[4-5]。為應(yīng)對其軟土路基以及多雨的氣候特征，其高速公路主要采用倒裝式路面。倒裝式路面在防治反射裂縫與路基不均勻沉降上具有優(yōu)勢，但該結(jié)構(gòu)的剪應(yīng)力幾乎完全由瀝青層承擔(dān)，使得倒裝式路面的車轍也較相同情況下的半剛性基層路面的車轍更為嚴(yán)重。此外，福建多山地丘陵，大量的長縱坡使得路面要承受遠(yuǎn)大于平原地區(qū)的水平力。這些都給面層瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性帶來了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[6-8]。

為應(yīng)對高等級公路極高的抗車轍需求，福建省在上面層與中面層中廣泛應(yīng)用高摻量SBS改性瀝青，并對抗車撤劑的應(yīng)用做了多條試驗(yàn)段的探索[5]。盡管SBS改性瀝青由于具有優(yōu)良路用性能，但不可避免的是，高溫性能優(yōu)越的高摻量SBS改性瀝青的價(jià)格十分昂貴[9-10]。除聚合物改性瀝青外，低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青也同樣具有良好的高溫性能。金杰等眾多研究者對低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青的基礎(chǔ)性質(zhì)、PG分級、混合料性能等進(jìn)行了系統(tǒng)的評價(jià)[11-13]。但以動(dòng)穩(wěn)定度為單一指標(biāo)的高溫穩(wěn)定性評價(jià)體系與路面的實(shí)際抗車轍能力之間存在差異，無法確定其是否能夠滿足福建省高速公路的抗車轍需求。

相較于SBS改性瀝青，低標(biāo)號瀝青的低溫性能較差，價(jià)格則更加低廉[14-16]。而福建省冬季氣候溫和，極端最低溫度大于零攝氏度，在部分工程中甚至對材料的低溫性能不作要求。因此，低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青若能夠滿足福建省高等級公路的抗車轍需求，將具有極高的應(yīng)用價(jià)值，能夠大幅度降低路面的建設(shè)成本[17-19]。

為系統(tǒng)地驗(yàn)證低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青在福建省瀝青路面中的適用性，本研究以30#基質(zhì)瀝青為對象，70#基質(zhì)瀝青以及福建省高速公路普遍使用的SBS I-D改性瀝青為對照，研究低標(biāo)號瀝青混合料的抗車轍性能，并著重驗(yàn)證了30#基質(zhì)瀝青混合料在極端高溫條件下是否仍具有應(yīng)用價(jià)值。同時(shí)，針對室內(nèi)車轍試驗(yàn)與實(shí)際路面車轍發(fā)展規(guī)律相差較大的問題，本研究同時(shí)實(shí)施了縮尺加速加載MMLS試驗(yàn)，驗(yàn)證常規(guī)室內(nèi)車轍試驗(yàn)結(jié)果的有效性。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料

為驗(yàn)證低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青的高溫穩(wěn)定性，本研究選擇30#基質(zhì)瀝青為試驗(yàn)對象，以70#基質(zhì)瀝青與SBS I-D改性瀝青作為參照。試驗(yàn)中所采用的3種瀝青的基礎(chǔ)性質(zhì)如表1所示。

表1 試驗(yàn)用瀝青的基礎(chǔ)性質(zhì)Tab.1 Basic properties of asphalt in test

如表1所示，與SBS I-D改性瀝青相比，30#基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)遠(yuǎn)低于SBS改性瀝青，但60 ℃動(dòng)力黏度與SHRP高溫分級甚至高于SBS I-D改性瀝青。SBS改性劑在添加至瀝青中時(shí)將形成了絮狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，在短時(shí)間內(nèi)能夠有效限制瀝青的流動(dòng)，而在動(dòng)力的擾動(dòng)中這種聚合物結(jié)構(gòu)將被破壞，使得改性劑的影響減弱。這使得相對靜態(tài)的軟化點(diǎn)試驗(yàn)中SBS改性瀝青優(yōu)于低標(biāo)號瀝青，而動(dòng)態(tài)的動(dòng)力黏度與PG分級的結(jié)果則相差很小。

因此，從膠結(jié)層層面上，盡管30#基質(zhì)低溫性能較差，但高溫性質(zhì)與SBS I-D改性瀝青基本相同。為進(jìn)一步對30#瀝青的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行混合料層面的驗(yàn)證，試驗(yàn)采用福建省中面層應(yīng)用廣泛的AC-20C級配，試驗(yàn)中采用的混合料合成級配如表2所示。試驗(yàn)采用的集料為石灰?guī)r，滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)對于高速公路中面層集料的技術(shù)要求。配合比設(shè)計(jì)采用馬歇爾設(shè)計(jì)法，70#瀝青、30#瀝青、SBS改性瀝青AC-20C混合料的油石比分別為4.4%,4.3%,4.4%。

表2 AC-20C級配Tab.2 Gradation of AC-20C

1.2 瀝青混合料APA車轍試驗(yàn)

瀝青混合料的抗車轍能力利用瀝青混合料APA試驗(yàn)儀進(jìn)行車轍試驗(yàn)來評價(jià)，試驗(yàn)方法依據(jù)AASHTO T340[16]。APA車轍試驗(yàn)采用芯樣試件，芯樣試件與板型試件雖存在差異，但當(dāng)試件的厚度、加載輪的尺寸、試驗(yàn)荷載均相同的情況下，試驗(yàn)結(jié)果與《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)規(guī)定的車轍試驗(yàn)結(jié)果是一致的。利用APA試驗(yàn)儀進(jìn)行車轍試驗(yàn)的優(yōu)勢在于能夠同時(shí)進(jìn)行多個(gè)試件的車轍試驗(yàn)，并能夠方便調(diào)節(jié)試驗(yàn)荷載、試驗(yàn)溫度與荷載加載速率，本研究所采用的APA試驗(yàn)儀，如圖1所示。

圖1 APA車轍試驗(yàn)Fig.1 APA rutting test

試驗(yàn)采用以3種瀝青(道路A級70#基質(zhì)瀝青、道路A級30#基質(zhì)瀝青、SBS I-D改性瀝青)為膠結(jié)料的AC-20C的瀝青混合料。試件利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型直徑150 mm，厚度50 mm的圓柱體試件。之后將兩個(gè)圓柱體試件經(jīng)切割后在模具中進(jìn)行拼接，拼接處需要保證拼接弦長為50～80 mm。

為充分對比30#基質(zhì)瀝青混合料與SBS I-D改性瀝青混合料的抗車轍能力，研究測試了3種試驗(yàn)溫度(50，60，70 ℃)以及兩種加載速率(50，20次/min)條件下的車轍變形曲線。試驗(yàn)中，鋼輪荷載壓強(qiáng)控制為700 kPa，加載終止條件為累計(jì)荷載作用次數(shù)達(dá)到8 000次，或車轍深度達(dá)到12.5 mm。

1.3 瀝青混合料MMLS試驗(yàn)

科研與工程實(shí)踐中也常使用車轍板的車轍深度以及動(dòng)穩(wěn)定度來評價(jià)瀝青混合料的抗車轍能力。但無論是我國《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中的標(biāo)準(zhǔn)車轍試驗(yàn)，還是本研究中的APA車轍試驗(yàn)，都僅能夠定性地橫向?qū)Ρ炔煌瑸r青混合料之間的抗車轍性能，其試驗(yàn)結(jié)果往往與實(shí)際路面的車轍發(fā)展規(guī)律存在顯著差異。這是由于車轍試驗(yàn)中的鋼輪荷載與橡膠輪胎荷載之間存在明顯差異，且在實(shí)際路面結(jié)構(gòu)的瀝青混合料受力狀態(tài)也與室內(nèi)車轍試驗(yàn)中厚度50 mm的車轍試件明顯不同。

為進(jìn)一步驗(yàn)證在實(shí)際路面結(jié)構(gòu)中，低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青仍能夠保持與SBS I-D一致的高溫穩(wěn)定性，研究采用縮尺加速加載設(shè)備對30#瀝青混合料性能做進(jìn)一步的對比測試。本研究采用的小型加速加載設(shè)備為南非生產(chǎn)的MMLS-3，如圖2所示。設(shè)備可提供最高7 200次/h的加載速度，以及厚度最高125 mm的混合料試件。125 mm的混合料試件盡管與實(shí)際路面結(jié)構(gòu)仍有一定差距，但相較于普通室內(nèi)車轍試驗(yàn)，更能夠反映出瀝青混合料在實(shí)際路面結(jié)構(gòu)中的高溫穩(wěn)定性與車轍發(fā)展規(guī)律。

圖2 APA車轍試驗(yàn)變形曲線Fig.2 Deformation curves of APA rutting test

試驗(yàn)采用3種瀝青(道路A級70#基質(zhì)瀝青、道路A級30#基質(zhì)瀝青、SBS I-D改性瀝青)的AC-20C的瀝青混合料。試驗(yàn)首先利用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型直徑150 mm，厚度125 mm的圓柱體試件，之后按照MMLS-3設(shè)備的模具尺寸進(jìn)行切割。

設(shè)備胎壓控制為690 kPa，以7 200次/h的加載速度累計(jì)加載20萬次。試驗(yàn)進(jìn)行了60 ℃下3種瀝青混合料的車轍發(fā)展趨勢的對比測試，并同時(shí)在70 ℃ 條件下對30#基質(zhì)瀝青混合料的極端高溫性能進(jìn)行驗(yàn)證。

2 低標(biāo)號瀝青混合料高溫穩(wěn)定性

2.1 瀝青混合料APA車轍試驗(yàn)結(jié)果

圖2為APA車轍試驗(yàn)結(jié)果。從總體趨勢上，3種瀝青混合料的車轍發(fā)展曲線具有相似的規(guī)律：車轍曲線均是在試驗(yàn)初期(約2 000次軸載前)存在快速發(fā)展階段，之后車轍的發(fā)展速度放緩，后期車轍深度增長隨荷載作用次數(shù)基本呈線性增長的規(guī)律。由圖2可以直觀地看出，70#基質(zhì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性遠(yuǎn)弱于30#基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青混合料，而30#基質(zhì)瀝青混合料的抗車轍能力與SBS改性瀝青混合料基本相當(dāng)。在60 ℃的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度以及70 ℃ 的極端高溫條件下，以及在兩種不同的荷載加載速率下30#基質(zhì)瀝青均能夠表現(xiàn)出與SBS I-D改性瀝青相類似的高溫穩(wěn)定性能。

由圖2(a)，(c)，(e)的橫向?qū)Ρ龋?0#基質(zhì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能受溫度的影響遠(yuǎn)大于30#基質(zhì)瀝青與SBS I-D改性瀝青混合料。70#瀝青混合料8 000次荷載后的車轍深度由50 ℃的2.4 mm增長至60 ℃的4 mm，但70 ℃的極端高溫使得車轍深度急劇增長至約10 mm，這表明70#瀝青混合料無法滿足70 ℃極端高溫條件下的高溫穩(wěn)定性要求。而30#瀝青與SBS改性瀝青混合料在8 000次累荷載作用后的車轍深度隨溫度的增長僅有小幅度上升。該結(jié)果與3種瀝青的PG高溫分級結(jié)果保持一致。

橫向比較圖2(a)～(f)可以發(fā)現(xiàn)，車轍試驗(yàn)的荷載加載速率并不改變車轍發(fā)展趨勢。事實(shí)上，車轍的發(fā)展與荷載的作用時(shí)間具有明顯的相關(guān)性，較慢的荷載碾壓速率相當(dāng)于荷載作用時(shí)間的增長，試驗(yàn)條件20次/min的荷載作用總時(shí)間為50次/min的荷載作用總時(shí)間的2.5倍。

2.2 瀝青混合料MMLS車轍試驗(yàn)結(jié)果

圖3為MMLS小型加速加載試驗(yàn)結(jié)果。從總體趨勢上，3種瀝青混合料的車轍發(fā)展基本一致：從試驗(yàn)加載開始至累計(jì)重復(fù)荷載2萬次，車轍深度增加迅速；累計(jì)荷載2～8萬次，車轍深度增長逐漸放緩；累計(jì)荷載8萬次之后，3種瀝青混合料的車轍發(fā)展均已達(dá)到穩(wěn)態(tài)，車轍發(fā)展基本停滯。

圖3 不同瀝青混合料MMLS車轍深度曲線Fig.3 MMLS rutting depth curves of different asphalt mixtures

在60 ℃的試驗(yàn)條件下，橫向?qū)Ρ?種瀝青混合料，其中30#基質(zhì)瀝青與SBS I-D改性瀝青的抗車轍性能基本相同。在20萬次的累計(jì)重復(fù)荷載作用下，二者的車轍深度最終穩(wěn)定在約2.0 mm，而70#基質(zhì)瀝青的抗車轍性能僅略弱于30#基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青，這與APA車轍試驗(yàn)結(jié)果保持一致。

對比70#基質(zhì)瀝青混合料的試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，MMLS試驗(yàn)與APA試驗(yàn)結(jié)果大相徑庭。在APA車轍試驗(yàn)中，70#基質(zhì)瀝青混合料的車轍深度在經(jīng)過初期2～3 mm的快速增長之后，基本處于線性增長的狀態(tài)；而MMLS試驗(yàn)中，70#基質(zhì)瀝青混合料的車轍發(fā)展逐漸收斂，車轍的增加非常緩慢。相較于APA車轍試驗(yàn)，MMLS試驗(yàn)的試件厚度更大，加載次數(shù)更多，但后期的車轍深度反而更小。對于30#瀝青與SBS改性瀝青混合料，由于其抗車轍能力較強(qiáng)，后期的車轍發(fā)展速度極慢，這使得APA試驗(yàn)結(jié)果與MMLS試驗(yàn)結(jié)果差異減小；而對于抗車轍能力較差的70#瀝青混合料，鋼輪、薄板(50 mm)的車轍試驗(yàn)與實(shí)際路面狀況較大差異。

在70 ℃的試驗(yàn)條件下，30#基質(zhì)瀝青混合料的車轍發(fā)展規(guī)律也與APA車轍試驗(yàn)結(jié)果基本一致。盡管極端高溫使車轍深度由約2.2 mm增長至3.0 mm，但車轍的發(fā)展規(guī)律并沒有改變，材料并未因極端高溫而出現(xiàn)車轍迅速發(fā)展的失穩(wěn)狀態(tài)。

3 結(jié)論

福建省高等級公路的氣候特性、交通特性、路面結(jié)構(gòu)特性決定了路面對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性具有極高的要求。為探究在福建省公路建設(shè)中低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青代替SBS改性瀝青的可行性，本研究以30#瀝青為對象，研究低標(biāo)號硬質(zhì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。本研究的結(jié)論如下：

(1)APA車轍試驗(yàn)表明，30#基質(zhì)瀝青在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)溫度與極端高溫條件下均具有良好的抗車轍性能，其高溫穩(wěn)定性僅略弱于在福建省廣泛使用的SBS I-D改性瀝青，可以取代SBS I-D改性瀝青在上面層與中面層的使用。

(3)30#基質(zhì)瀝青與SBS I-D改性瀝青的MMLS車轍試驗(yàn)結(jié)果與APA試驗(yàn)結(jié)果一致，驗(yàn)證了APA試驗(yàn)結(jié)果的有效性。

(4)70#基質(zhì)瀝青的MMLS車轍試驗(yàn)與APA車轍試驗(yàn)結(jié)果相差較大，這表明鋼輪、薄板的車轍試驗(yàn)存在局限性，會(huì)使得抗車轍性能較差的混合料車轍發(fā)展過快。