低標號瀝青在福建省瀝青路面中的應用

蔡俊華，童巨聲，馬 濤，黃曉明，嚴二虎

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

0 引言

隨著瀝青路面設計施工體系的完善以及瀝青混合料技術的進步，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]。車轍發展產生的車轍槽不僅會影響路面的排水，加速路面的水損害，而且會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重的車轍病害[4-5]。為應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勢，但該結構的剪應力幾乎完全由瀝青層承擔，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重。此外，福建多山地丘陵，大量的長縱坡使得路面要承受遠大于平原地區的水平力。這些都給面層瀝青混合料的高溫穩定性帶來了更嚴峻的挑戰[6-8]。

為應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用高摻量SBS改性瀝青，并對抗車撤劑的應用做了多條試驗段的探索[5]。盡管SBS改性瀝青由于具有優良路用性能，但不可避免的是，高溫性能優越的高摻量SBS改性瀝青的價格十分昂貴[9-10]。除聚合物改性瀝青外，低標號硬質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號硬質瀝青的基礎性質、PG分級、混合料性能等進行了系統的評價[11-13]。但以動穩定度為單一指標的高溫穩定性評價體系與路面的實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，低標號瀝青的低溫性能較差，價格則更加低廉[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，低標號硬質瀝青若能夠滿足福建省高等級公路的抗車轍需求，將具有極高的應用價值，能夠大幅度降低路面的建設成本[17-19]。

為系統地驗證低標號硬質瀝青在福建省瀝青路面中的適用性，本研究以30#基質瀝青為對象，70#基質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，研究低標號瀝青混合料的抗車轍性能，并著重驗證了30#基質瀝青混合料在極端高溫條件下是否仍具有應用價值。同時，針對室內車轍試驗與實際路面車轍發展規律相差較大的問題，本研究同時實施了縮尺加速加載MMLS試驗，驗證常規室內車轍試驗結果的有效性。

1 材料與試驗方法

1.1 試驗材料

為驗證低標號硬質瀝青的高溫穩定性，本研究選擇30#基質瀝青為試驗對象，以70#基質瀝青與SBS I-D改性瀝青作為參照。試驗中所采用的3種瀝青的基礎性質如表1所示。

表1 試驗用瀝青的基礎性質Tab.1 Basic properties of asphalt in test

如表1所示，與SBS I-D改性瀝青相比，30#基質瀝青的軟化點遠低于SBS改性瀝青，但60 ℃動力黏度與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將形成了絮狀或網狀結構，在短時間內能夠有效限制瀝青的流動，而在動力的擾動中這種聚合物結構將被破壞，使得改性劑的影響減弱。這使得相對靜態的軟化點試驗中SBS改性瀝青優于低標號瀝青，而動態的動力黏度與PG分級的結果則相差很小。

因此，從膠結層層面上，盡管30#基質低溫性能較差，但高溫性質與SBS I-D改性瀝青基本相同。為進一步對30#瀝青的高溫穩定性進行混合料層面的驗證，試驗采用福建省中面層應用廣泛的AC-20C級配，試驗中采用的混合料合成級配如表2所示。試驗采用的集料為石灰巖，滿足《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40—2004)對于高速公路中面層集料的技術要求。配合比設計采用馬歇爾設計法，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

瀝青混合料的抗車轍能力利用瀝青混合料APA試驗儀進行車轍試驗來評價，試驗方法依據AASHTO T340[16]。APA車轍試驗采用芯樣試件，芯樣試件與板型試件雖存在差異，但當試件的厚度、加載輪的尺寸、試驗荷載均相同的情況下，試驗結果與《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)規定的車轍試驗結果是一致的。利用APA試驗儀進行車轍試驗的優勢在于能夠同時進行多個試件的車轍試驗，并能夠方便調節試驗荷載、試驗溫度與荷載加載速率，本研究所采用的APA試驗儀，如圖1所示。

圖1 APA車轍試驗Fig.1 APA rutting test

試驗采用以3種瀝青(道路A級70#基質瀝青、道路A級30#基質瀝青、SBS I-D改性瀝青)為膠結料的AC-20C的瀝青混合料。試件利用旋轉壓實儀成型直徑150 mm，厚度50 mm的圓柱體試件。之后將兩個圓柱體試件經切割后在模具中進行拼接，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。試驗中，鋼輪荷載壓強控制為700 kPa，加載終止條件為累計荷載作用次數達到8 000次，或車轍深度達到12.5 mm。

1.3 瀝青混合料MMLS試驗

科研與工程實踐中也常使用車轍板的車轍深度以及動穩定度來評價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規程》中的標準車轍試驗，還是本研究中的APA車轍試驗，都僅能夠定性地橫向對比不同瀝青混合料之間的抗車轍性能，其試驗結果往往與實際路面的車轍發展規律存在顯著差異。這是由于車轍試驗中的鋼輪荷載與橡膠輪胎荷載之間存在明顯差異，且在實際路面結構的瀝青混合料受力狀態也與室內車轍試驗中厚度50 mm的車轍試件明顯不同。

為進一步驗證在實際路面結構中，低標號硬質瀝青仍能夠保持與SBS I-D一致的高溫穩定性，研究采用縮尺加速加載設備對30#瀝青混合料性能做進一步的對比測試。本研究采用的小型加速加載設備為南非生產的MMLS-3，如圖2所示。設備可提供最高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際路面結構仍有一定差距，但相較于普通室內車轍試驗，更能夠反映出瀝青混合料在實際路面結構中的高溫穩定性與車轍發展規律。

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

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

設備胎壓控制為690 kPa，以7 200次/h的加載速度累計加載20萬次。試驗進行了60 ℃下3種瀝青混合料的車轍發展趨勢的對比測試，并同時在70 ℃ 條件下對30#基質瀝青混合料的極端高溫性能進行驗證。

2 低標號瀝青混合料高溫穩定性

2.1 瀝青混合料APA車轍試驗結果

圖2為APA車轍試驗結果。從總體趨勢上，3種瀝青混合料的車轍發展曲線具有相似的規律：車轍曲線均是在試驗初期(約2 000次軸載前)存在快速發展階段，之后車轍的發展速度放緩，后期車轍深度增長隨荷載作用次數基本呈線性增長的規律。由圖2可以直觀地看出，70#基質瀝青混合料的高溫穩定性遠弱于30#基質瀝青與SBS改性瀝青混合料，而30#基質瀝青混合料的抗車轍能力與SBS改性瀝青混合料基本相當。在60 ℃的標準試驗溫度以及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#基質瀝青均能夠表現出與SBS I-D改性瀝青相類似的高溫穩定性能。

由圖2(a)，(c)，(e)的橫向對比，70#基質瀝青混合料的高溫穩定性能受溫度的影響遠大于30#基質瀝青與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。該結果與3種瀝青的PG高溫分級結果保持一致。

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

2.2 瀝青混合料MMLS車轍試驗結果

圖3為MMLS小型加速加載試驗結果。從總體趨勢上，3種瀝青混合料的車轍發展基本一致：從試驗加載開始至累計重復荷載2萬次，車轍深度增加迅速；累計荷載2～8萬次，車轍深度增長逐漸放緩；累計荷載8萬次之后，3種瀝青混合料的車轍發展均已達到穩態，車轍發展基本停滯。

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 ℃的試驗條件下，橫向對比3種瀝青混合料，其中30#基質瀝青與SBS I-D改性瀝青的抗車轍性能基本相同。在20萬次的累計重復荷載作用下，二者的車轍深度最終穩定在約2.0 mm，而70#基質瀝青的抗車轍性能僅略弱于30#基質瀝青與SBS改性瀝青，這與APA車轍試驗結果保持一致。

對比70#基質瀝青混合料的試驗結果可以發現，MMLS試驗與APA試驗結果大相徑庭。在APA車轍試驗中，70#基質瀝青混合料的車轍深度在經過初期2～3 mm的快速增長之后，基本處于線性增長的狀態；而MMLS試驗中，70#基質瀝青混合料的車轍發展逐漸收斂，車轍的增加非常緩慢。相較于APA車轍試驗，MMLS試驗的試件厚度更大，加載次數更多，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，后期的車轍發展速度極慢，這使得APA試驗結果與MMLS試驗結果差異減小；而對于抗車轍能力較差的70#瀝青混合料，鋼輪、薄板(50 mm)的車轍試驗與實際路面狀況較大差異。

在70 ℃的試驗條件下，30#基質瀝青混合料的車轍發展規律也與APA車轍試驗結果基本一致。盡管極端高溫使車轍深度由約2.2 mm增長至3.0 mm，但車轍的發展規律并沒有改變，材料并未因極端高溫而出現車轍迅速發展的失穩狀態。

3 結論

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

(1)APA車轍試驗表明，30#基質瀝青在標準試驗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#基質瀝青與SBS I-D改性瀝青的MMLS車轍試驗結果與APA試驗結果一致，驗證了APA試驗結果的有效性。

(4)70#基質瀝青的MMLS車轍試驗與APA車轍試驗結果相差較大，這表明鋼輪、薄板的車轍試驗存在局限性，會使得抗車轍性能較差的混合料車轍發展過快。