瀝青路面交叉口高溫穩定性關鍵指標分析*

汪 義，王海濤，梅鴿福，王晨煒

(中國核工業中原建設有限公司，北京 100142)

0 引言

目前國內外對瀝青路面車轍問題雖有較多研究，但是針對道路交叉口路面車轍的嚴重狀況進行專門評估和防治研究在國內并不多見。尤其是夏季氣溫高且高溫持續時間長，常年雨水多，而交叉口是道路交通的樞紐位置，交叉口處車速低，車輛加速、減速、轉向等行為較多，且交通渠化嚴重。在環境和荷載因素的綜合作用下，道路交叉口區域容易出現不同程度的車轍、擁包、波浪等病害[1-2]。故針對交叉口路面的特點，應將其與道路主線區別對待，其設計及鋪筑須承受住更惡劣的條件。大量研究發現高溫變形主要存在于瀝青混凝土面層[3]。尤其是在我國，絕大多數瀝青路面都采用強度高和板體性好的半剛性基層，基層及基層以下的變形極小，瀝青面層產生的車轍深度占到總車轍深度的90%以上。因此，在瀝青路面結構與材料設計過程中必須對其高溫性能進行準確評估。然而，我國現行路面設計規范尚未將高溫病害納入設計體系，僅在材料設計階段通過車轍試驗對瀝青混合料的動穩定度提出了要求[4]。但是，僅采用動穩定度指標有很大的局限性，其并不能完全反映實際路面發生的永久變形[5]。因此，在工程實踐中往往會發現即使采用了滿足動穩定度要求的瀝青混合料，路面仍然很快會出現嚴重的車轍病害。這就說明現有規范的試驗方法和指標無法有效地評價和控制實際路面的高溫變形。國內外學者已對瀝青混合料高溫性能開展了很多的研究，相繼提出了一系列室內試驗方法，如馬歇爾試驗、車轍試驗、大型環道/直道試驗、單軸蠕變、三軸蠕變、局部三軸、彎曲蠕變、單軸貫入試驗[6-8]等。然而，其試驗結果與實測的路面永久變形量的相關性很差。這是因為上述方法一般采用的均勻溫度場、恒定加載模式、恒定圍壓以及單層試件等試驗條件，不能準確地模擬路面的實際工作狀態，而這些因素又對瀝青混合料永久變形的發展有著重要的影響[9-10]。已有的室內試驗方法在討論荷載變化時沒有根據道路的實際車型進行分析，同時沒有考慮在實際制動加速度影響下豎向和水平力的變化關系；同時在討論瀝青路面溫度場時，沒有專門針對當地道路所處實際位置的路面在厚度方向的溫度場進行比較分析；未開發能夠反映道路交叉口實際荷載加載方式的瀝青混合料室內高溫蠕變試驗，難以獲取交叉口瀝青路面高溫永久變形特征曲線，從而難以對已有的材料設計進行優化。

1 材料準備及試驗設計

1.1 混合料材料組成

1.1.1瀝青

為研究不同改性瀝青混合料在路面交叉口的高溫穩定性，選取3種類型瀝青材料，包括韓國SK公司生產的高強改性瀝青，SBS改性瀝青和70號普通瀝青。3種瀝青的基本技術指標如表1所示。

表1 3種瀝青基本性能指標

1.1.2集料

室內成型瀝青混合料選用玄武巖集料，該集料質地堅硬，強度較高。礦質填料(粒徑<0.075mm)選用石灰石礦粉，含水率低，親水系數和塑性指數較小。集料與礦粉的各項技術指標均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》的相關要求。

1.1.3纖維

為了確保工程質量，進一步提高瀝青路面的抗裂性能及使用壽命，可在瀝青混合料中加入纖維穩定劑材料。為研究纖維材料對路面交叉口高溫穩定性的影響，選用的纖維穩定劑為玄武巖礦物纖維，纖維添加劑用量為瀝青含量的0.3%。按照《公路瀝青路面施工技術規范》規定的試驗方法測定其主要技術指標，檢測結果符合技術要求。

1.1.4配合比設計

結合江蘇省新沂市華裕路(S505—新北路)新建工程，選取車行道表面層的粗型密級配細粒式瀝青混合料(AC-13C)，最大公稱粒徑為13.2mm，其礦料推薦配合比如表2所示。選用3種瀝青材料，包括高強瀝青，SBS改性瀝青和70號普通瀝青，分別進行配合比設計。對于SBS改性瀝青，分別設計添加玄武巖纖維和不添加玄武巖纖維兩種類型混合料。通過馬歇爾設計方法確定不同瀝青和纖維組合的最佳油石比，目標空隙率為4%，具體的宏觀體積參數如表3所示，均符合相關技術要求。

1.2 動態蠕變試驗

1.2.1試驗介紹

本研究采用重復加載下的動態蠕變試驗來評價不同瀝青混合料的高溫穩定性能。試驗過程參照美國瀝青協會試驗規程AASHTO TP79-13來進行。試件尺寸為直徑100mm、高度150mm的圓柱體，每種試驗條件需準備3個平行試件。試驗采用UTM-25萬能試驗機進行加載，加載前需將試件放入環境箱中進行保溫，考慮江蘇地區夏季高溫實際狀況，溫度設置為60℃，保溫時間為4h。保溫結束后可開始試驗。

表2 AC-13C混合料礦料級配范圍

表3 不同瀝青混合料的體積參數

1.2.2試件制備

通過旋轉壓實儀在室內成型直徑150mm、高度180mm的圓柱體試件。然后采用室內切割裝置，去除試件兩段空隙率較大的區域，獲取大圓柱體試件中部直徑150mm、高度150mm的部分。通過室內鉆芯，最終獲取直徑100mm、高度150mm的標準圓柱體試件用于動態蠕變試驗的加載。

1.2.3加載模式改進方法

標準動態蠕變試驗的重復加載周期為1s，采用半正弦波加載力，加載時間為0.1s，卸載時間為0.9s。加載應力選擇標準軸載0.7MPa，試驗終止條件為荷載作用次數達到10 000次或者豎向累積壓應變超過100 000με。考慮路面交叉口車輛的行駛速度快慢不統一，同時由于信號控制，存在車輛停止等候以及加減速的問題，因此，道路交叉口位置的交通荷載作用特征難以用一種加載模式來代表。而不同的加載狀態導致車輛影響路面的作用時間差別巨大，因此有必要考慮實際交叉口路面車輛行駛的不同加載狀態。本研究基于實際道路交叉口車輛行駛狀態和駕駛行為的調研，確定4種不同的交通荷載加載模式，包括常速行駛、減速行駛、低速行駛和停止4種。依據不同的交通荷載加載狀態，結合標準動態蠕變試驗的動態加載方式，對標準加載模式進行改進，如表4所示。其中，常速行駛對應的是標準動態蠕變的加載模式，相當于車輛的行駛速度為64km/h[11]?？紤]交叉口處，車輛行駛速度會放緩，根據規范規定，交叉口通行車速采用0.6的衰減系數進行計算，因此，減速行駛的速度設定為40km/h，對應的單周期加載時間為0.163s。考慮在交通量較大的高峰時段，交叉口區域通常出現擁堵狀況，此時車輛是低速通過交叉口，設定低速行駛的速度為20km/h，對應的加載時間為0.325s。考慮完全擁堵狀況，車輛出現排隊停止現象，此時不存在卸載過程，因此采用靜態加載模式，加載時間為300s。同時，考慮車輛的制動性能和安全距離等，根據已有研究[12]，設定常速行駛車輛間距為16m，減速行駛車頭間距為10m，低速行駛車頭間距為4m，相應計算得到卸載時間分別為0.9s，0.9s和0.72s。

表4 不同加載模式的加載和卸載時間

1.2.4指標定義

瀝青混合料的高溫永久變形曲線如圖1所示，主要分為3個階段。第1階段為初始壓密階段，該階段混合料的豎向變形速率隨加載次數的增長而下降；第2階段為穩定發展階段，該階段混合料的蠕變發展速率穩定，累積永久應變呈現線性增長規律；第3階段為剪切破壞階段，該階段混合料的永久變形速率迅速增加。定義瀝青混合料流變次數(flow number, Fn)為永久變形曲線第2和第3階段拐點所對應的加載次數；定義瀝青混合料流變速率(creep strain rate, Cr)為永久變形曲線第2階段的斜率。流變次數Fn越大，則混合料的抵抗高溫變形的能力越強；流變速率Cr越低，則混合料在高溫條件下的永久變形的趨勢越緩慢。

圖1 瀝青混合料永久變形曲線

2 瀝青混合料高溫穩定性分析

2.1 加載模式影響

圖2為不同加載模式下SBS改性瀝青混合料(加纖維)的永久變形曲線?？梢园l現，在不同加載模式下，瀝青混合料的變形均符合3階段蠕變模型，即初期變形迅速增大，變形速率逐漸下降；中期蠕變速率呈現穩定增長；后期變形快速累積，蠕變速率迅速增大。同時可以發現，不同加載模式對于永久變形曲線的具體增長規律影響顯著。隨著車輛行駛速度從常速(64km/h)下降到停止(速度為0km/h)，瀝青混合料的永久變形逐步變大，永久變形速率也逐步變大。這是由于瀝青混合料是一種具有時溫等效特性的黏彈塑性材料，較低的車速延長了荷載作用時間，最終導致材料的永久變形顯著增大，剪切破壞時間顯著縮短。通過對比可以發現，道路交叉口位置，車輛的緩行甚至由于擁堵導致的制動停止等駕駛行為會使得瀝青路面的蠕變損傷累積更迅速，破壞更嚴重。

圖2 不同加載模式下的瀝青混合料永久變形曲線

2.2 流變次數和速率分析

通過對不同加載模式下4種瀝青混合料的動態蠕變試驗，可獲取相應的永久變形曲線。通過對曲線擬合分析，可計算得到相應的蠕變指標，包括流變次數Fn和流變速率Cr，如圖3所示。不同試驗條件下，瀝青混合料平行試件的測試結果存在一定變異性，變異系數均<20%，可以認為本研究設定的試驗條件和過程具有可重復性和代表性?？梢园l現，從常速行駛加載模式到停止加載模式，4種瀝青混合料的流變次數Fn均有不同程度的下降，流變速率均有不同程度的上升。從低速行駛到停止加載模式，4種瀝青混合料的Fn均發生最大幅度的下降且Cr均發生最大程度的增大，說明道路交叉口由于擁堵或者車輛排隊產生的制動停止駕駛行為會對高溫條件下的瀝青路面產生最嚴重的蠕變損傷。相對而言，高強改性瀝青混合料的流變次數顯著大于SBS改性瀝青混合料和70號普通瀝青混合料并且流變速率顯著小于其余瀝青混合料，說明高強改性瀝青混合料在不同加載模式下均表現出最佳的高溫抗車轍性能。比較圖3a和3c可以發現，添加纖維可小幅度提升不同加載模式下瀝青混合料的Fn并降低Cr，說明玄武巖纖維的添加對提升瀝青混合料的高溫穩定性具有積極的作用，但是相比于瀝青種類的改變，添加纖維的影響程度較小。

圖3 不同加載模式下瀝青混合料流變次數和速率指標變化規律

2.3 不同瀝青混合料對加載模式的敏感度分析

通過對圖3的分析，可以發現不同加載模式下瀝青混合料的蠕變指標存在不同程度的變化，為量化不同瀝青混合料對各加載模式的敏感程度，以常速行駛加載模式為標準，計算其余加載模式下獲取的蠕變指標(Fn和Cr)相對于標準加載模式下的蠕變指標的比值，計算結果如圖4所示。圖4a為4種瀝青混合料的流變速率Cr在不同加載模式下的相對比值，圖4b為4種瀝青混合料的流變次數Fn在不同加模式下的相對比值。從圖中可以發現，70號普通瀝青混合料對不同加載模式的敏感程度最高，從常速行駛模式到停止模式，Cr上升了約7倍，Fn下降到低于10%；而高強改性瀝青混合料對不同加載模式的敏感程度最小，從常速行駛到停止模式，Cr只上升了不到1倍，Fn下降約20%左右。對于SBS改性瀝青混合料，在減速行駛條件下，添加纖維與否對于材料蠕變指標的變化程度影響較小，而當加載模式為低速行駛或者停止狀態時，添加纖維明顯可以延緩Cr的上升趨勢和Fn的下降趨勢。以上分析說明，不同的加載模式對于不同瀝青混合料高溫穩定性的區分度存在差異，當采用較為苛刻的低速行駛和停止加載模式時，可以更有效區分不同瀝青混合料的抗永久變形能力。

圖4 不同瀝青混合料在不同加載模式下的Fn和Cr相對比值

3 結語

針對道路交叉口的特殊交通荷載環境，提出了室內模擬不同駕駛行為的改進型動態蠕變加載模式，通過對不同改性瀝青混合料試驗結果的對比分析，進一步研究了不同瀝青混合料的高溫穩定性特征，探究了不同加載模式下瀝青混合料的蠕變力學響應的差異，為針對瀝青路面交叉口實際工況的材料室內設計提供新的思路。同時得出以下結論。

1)高強改性瀝青混合料具有優異的高溫抗車轍性能，能適用于瀝青路面交叉口的復雜交通荷載環境。添加玄武巖纖維對提升改性瀝青混合料的高溫穩定性具有積極的作用，但其對混合料性能提升的程度遠小于瀝青種類改變的影響。

2)高溫條件下，不同瀝青混合料對于不同加載模式的敏感程度差異較大，表現出明顯的非線性特征?？紤]道路交叉口的特殊性，可采用加載條件更為苛刻的低速行駛或者停止加載模式進行材料的高溫穩定性室內評價。