基于耐久性的交叉口硬質(zhì)瀝青混合料抗車轍性能研究

顧夕領(lǐng),丁 彬

(1.江蘇省寧連高速公路北段管理處，江蘇 連云港 222200；2.蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 211112)

1 交叉口車轍調(diào)查

S237交叉口路段原設(shè)計(jì)采用橡膠瀝青上面層，普通瀝青下面層和兩層水穩(wěn)碎石基層。交叉口調(diào)查路段均出現(xiàn)車轍、沉陷和坑塘病害。調(diào)查結(jié)果如表1所示。

表1 交叉口車轍調(diào)查分析

為提高交叉口抗車轍性能，養(yǎng)護(hù)方案采用摻0.6%抗車轍劑的SUP-20下面層。上面層采用改性瀝青SMA-13。性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 混合料性能驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，上面層和下面層瀝青混合料各項(xiàng)性能均滿足要求。針對交叉口車轍病害處治1年后，進(jìn)行調(diào)查分析，調(diào)查結(jié)果如表3所示。

表3 改造后交叉口車轍病害統(tǒng)計(jì)

由表3可知，改造后交叉口車轍狀況仍較差。最大車轍深度3.5 cm，路面壓實(shí)度不足。采用傳統(tǒng)改性瀝青+抗車轍劑路面，耐疲勞性能不足，通車1年會(huì)出現(xiàn)明顯車轍和裂縫。這主要是由于傳統(tǒng)瀝青混合料在加入添加劑后油石比偏小，混合料耐疲勞性不足導(dǎo)致。

2 性能試驗(yàn)分析

針對干線公路交叉道傳統(tǒng)中面層添加抗車轍劑方案耐久性不足的缺點(diǎn)。本文分別設(shè)計(jì)三種交叉口抗車轍硬質(zhì)瀝青混合料，中石化50#瀝青+抗車轍劑(PR.M)，中石化30#瀝青+抗車轍(PR.M)和中石化30#基質(zhì)瀝青不添抗車轍劑。按照法國高模量瀝青設(shè)計(jì)要求，制備三種抗車轍瀝青混合料EME-14。三種混合料油石5.5%～5.9%，豐度系數(shù)K>3.4。

2.1 混合料設(shè)計(jì)結(jié)果

分別通過凍融劈裂試驗(yàn)、車轍試驗(yàn)和法國車轍試驗(yàn)、ITSM試驗(yàn)、低溫小梁試驗(yàn)，對三種瀝青混合料進(jìn)行性能試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 混合料設(shè)計(jì)結(jié)果

2.2 凍融劈裂試驗(yàn)分析

采用凍融劈裂試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料抗水損害性能。試件分為兩組，一組室溫下保存。另一組真空飽水15 min后，在(-18±2)℃保持(16±1)h。最后在60 ℃水箱中保溫24 h。同時(shí)將兩組浸入25 ℃水中保溫2 h后進(jìn)行劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，加載速率為50 mm/min。試驗(yàn)如圖1所示。

圖1 凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

TSR指標(biāo)表明，三種混合料均不滿足大于80%的要求。而三種混合料的條件劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果均大于0.7 MPa。僅從條件劈裂強(qiáng)度不小于0.7 MPa來看，三種混合料都滿足技術(shù)要求。

2.3 AASHTO-T283試驗(yàn)

采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型2組試件。每組試件分別制作空隙率2%、4%和6%對照試件。按照凍融劈裂試驗(yàn)要求測試混合料抗水損害性能。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 AASHTO T283試驗(yàn)結(jié)果

由圖2試驗(yàn)可知，三種混合料TSR指標(biāo)均不滿足大于80%要求。凍融劈裂試驗(yàn)也表明，三種混合料不滿足TSR要求?？紤]到本設(shè)計(jì)的耐久性抗車轍瀝青混合料，不同于普通瀝青混合料，空隙率較小，因此常規(guī)的抗水損害性能評(píng)價(jià)指標(biāo)已不適合評(píng)價(jià)本設(shè)計(jì)的EME混合料。

2.4 高溫穩(wěn)定性能試驗(yàn)

國標(biāo)車轍試驗(yàn)試件采用輪碾成型機(jī)碾壓成型。使用橡膠制成實(shí)心輪胎進(jìn)行測試，往返碾壓速度42次/min±1次/min。法國車轍試驗(yàn)測試前，件應(yīng)放置在上述環(huán)境中12～16 h。試件達(dá)到試驗(yàn)溫度60 ℃，空氣溫度不應(yīng)超過75 ℃。當(dāng)試件進(jìn)行荷載循環(huán)次數(shù)100、300、1 000、3 000、10 000、30 000后，停止設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)。計(jì)算試件一系列的測量值i所得的成比例的車轍深度Pi。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 高溫性能試驗(yàn)結(jié)果

(1)

式中：Pi為運(yùn)行i次車轍深度，%；mij為變形值，mm；m0j為j點(diǎn)初始測量值，mm；h為試件的厚度，mm。

從上圖3可知，國標(biāo)車轍試驗(yàn)動(dòng)穩(wěn)定度均滿足要求，超過3 000次/mm。與其它耐久性高模量混合料的動(dòng)穩(wěn)定度相比，中石化30#瀝青+PR.M耐久性高模量混合料的動(dòng)穩(wěn)定度最大，達(dá)到10 703次/mm，其次為30#瀝青+PR.M，純30#瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度最小。法國車轍試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的三種混合料30 000次的車轍率都滿足小于7.5%的技術(shù)要求，與國標(biāo)車轍試驗(yàn)結(jié)果都表明30#瀝青+PR.M抗車轍性能較好，其次為50#瀝青+PR.M。三種混合料相比30#瀝青抗車轍性能最差。

2.5 循環(huán)加載次數(shù)評(píng)價(jià)

在車轍發(fā)展的第一階段即壓密階段變形率較小，累積應(yīng)變達(dá)到40 000 με時(shí)，相當(dāng)于車轍變形率的4%，能反映車轍發(fā)展的前兩個(gè)階段。因此本文選擇累積應(yīng)變到40 000 με時(shí)，對應(yīng)的加載循環(huán)次數(shù)作為評(píng)價(jià)混合料高溫穩(wěn)定性能的指標(biāo)。當(dāng)累積應(yīng)變達(dá)到40 000 με時(shí)，三種混合料對應(yīng)的循環(huán)加載次數(shù)如表5所示。

表5 累積應(yīng)變達(dá)到40 000 με時(shí)循環(huán)加載次數(shù)

從上表5試驗(yàn)結(jié)果可知，累積應(yīng)變達(dá)到40 000 με時(shí)，30#+PR.M瀝青混合料的循環(huán)加載次數(shù)最高，50#+PR.M瀝青混合料次之，純30#瀝青混合料加載循環(huán)次數(shù)最小。循環(huán)加載次數(shù)試驗(yàn)表明30#+PR.M瀝青混合料的抗車轍性能最高，50#+PR.M瀝青混合料次之，30#基質(zhì)瀝青混合料的抗車轍性能最小。

2.6 低溫性能

低溫小梁試驗(yàn)評(píng)價(jià)混合料低溫性能。測試溫度為-10±0.5 ℃，采用50 mm/min加載速率。小梁試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 低溫小梁試驗(yàn)結(jié)果

由圖4試驗(yàn)結(jié)果可知，三種混合低溫性能均滿足要求。50#瀝青+PR.M低溫性能最好，破壞應(yīng)變值達(dá)到2 841 με。其次為30#基質(zhì)瀝青，破壞應(yīng)變值2 128 με。30#+PR.M瀝青混合料破壞應(yīng)變最小為2 087.2 με。

3 試驗(yàn)段跟蹤觀測

為了驗(yàn)證三種耐久性抗車轍瀝青混合料路用性能，通過設(shè)計(jì)抗車轍瀝青混合料EME-14試驗(yàn)段進(jìn)行跟蹤觀測，分析交叉口抗車轍性能。

3.1 車轍處治方案

針對交叉口反復(fù)改造車轍嚴(yán)重的問題，通過設(shè)計(jì)三種耐久性抗車轍瀝青混合料方案進(jìn)行改造。試驗(yàn)方案如表6所示。

表6 試驗(yàn)段車轍處治方案

3.2 現(xiàn)場車轍狀況

試驗(yàn)段鋪筑后針對試驗(yàn)段車轍數(shù)據(jù)進(jìn)行為期1年半跟蹤觀測，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 現(xiàn)場車轍檢測匯總表

由表7檢測結(jié)果可知，通車3個(gè)月，由于通車時(shí)間較短，未經(jīng)過夏季高溫天氣，現(xiàn)場最大車轍深度在5 mm以下。通車1年后，采用30#+PR.M的段落，最大車轍為6.2 mm。采用30#基質(zhì)瀝青的道口，最大車轍為15 mm。采用50#+PR.M的段落，最大車轍超過7 mm的有兩個(gè)道口。通車1年半后對試驗(yàn)段進(jìn)行跟蹤觀測，各路段車轍均由一定程度增長。

綜上所述，三種瀝青混合料30#+PR.M的抗車轍性能要優(yōu)于50#+PR.M和30#基質(zhì)瀝青混合料。混合料抗車轍性能優(yōu)劣順序與中國車轍試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律基本一致。

4 結(jié) 論

(1)不同空隙率試驗(yàn)表明抗水損害評(píng)價(jià)指標(biāo)不適合EME-14混合料評(píng)價(jià)。三種混合料條件劈裂強(qiáng)度均滿足要求。

(2)高溫性能試驗(yàn)表明30#瀝青+PR.M抗車轍性能較好，其次為50#瀝青+PR.M。三種混合料相比30#基質(zhì)瀝青抗車轍性能最差。

(3)循環(huán)加載次數(shù)試驗(yàn)表明30#+PR.M瀝青混合料的抗車轍性能最高，50#+PR.M瀝青混合料次之，30#基質(zhì)瀝青混合料的抗車轍性能最小。

(4)試驗(yàn)段跟蹤觀測表明30#+PR.M的抗車轍性能最優(yōu)，最大車轍為12 mm。50#+PR.M抗車轍性能次之，最大車轍15 mm。30#基質(zhì)瀝青混合料抗車轍性能最差，最大車轍達(dá)到18 mm?；旌狭峡管囖H性能與高溫性能試驗(yàn)規(guī)律基本一致。