沥青混合料汉堡车辙试验条件及评价指标研究＊

栗培龙 张争奇 李洪华 王秉纲

(长安大学公路学院特殊地区公路工程教育部重点实验室 西安 710064)

车辙是我国高等级公路沥青路面的主要损坏类型之一,当前主要采用国产车辙仪评价沥青混合料的抗车辙性能,对评价指标及其有效性有待商榷[1-2].汉堡车辙仪可以进行不同温度的干式和浸水、板式和圆柱试件的试验,是沥青路面车辙成因分析和沥青混合料高温性能评价的有效工具,但其试验条件和评价指标仍存在争议[3-4].美国科罗拉多州的有关研究认为,应根据沥青的PG分级分别选用40,45,50,55℃的试验温度,判断标准均要求作用20 000次的最大车辙深度不大于10 mm;而德克萨斯州的试验温度均50℃,但要求达到12.5 mm车辙深度时的最小次数不同[5].本文利用从美国引进的汉堡车辙仪进行不同试验条件下的车辙试验,分析水环境和温度对车辙产生的影响,提出抗车辙性能的合理评价指标,为汉堡车辙仪的推广应用及沥青混合料高温性能评价提供参考.

1 试验材料和方法

采用中海36-1基质沥青和SK-SBS改性沥青及AC-13和AC-20两种级配拌制AC-13J(基质)、AC-13G(改性)、AC-20J(基质)、AC-20G(改性)4种混合料.沥青性能指标和集料级配如表1和表2所列.

表1 沥青基本指标

沥青混合料是一种感温性极强的粘弹性材料,温度越高,沥青混合料的劲度模量越低,越容易产生车辙.同时,水也是影响沥青混合料性能的重要因素[6].汉堡车辙仪可以提供不同温度的浸水和干式试验环境,何种试验条件和评价指标更适合评价沥青混合料的高温性能仍有待进一步研究 .为此,本文将上述4种混合料分别进行50℃水浴、60℃水浴和60℃空气浴的汉堡车辙试验,分析不同条件下沥青混合料的车辙拓展特性,提出合理的评价混合料高温性能的汉堡车辙试验条件,分析现有汉堡车辙试验评价指标的不足,讨论以车辙变形率作为评价指标的可行性.

表2 沥青混合料级配

2 汉堡车辙试验条件分析

2.1 不同条件下的车辙拓展特性

4种混合料不同条件下的车辙试验结果如表3～表5所列.

表3 50℃水浴混合料的车辙深度 mm

表4 60℃水浴不同沥青混合料的车辙深度 mm

表5 60℃空气浴不同沥青混合料的车辙深度 mm

分析表3～表5试验数据可知：(1)50℃水浴、60℃水浴和60℃空气浴3种试验条件下沥青混合料的高温性能按车辙深度大小排序趋于一致,即AC-20J＞AC-13J＞AC-13G＞AC-20G,可见改性沥青可以提高沥青混合料的高温性能.对于不同级配的沥青混合料,公称最大粒径并不是影响车辙深度的决定因素;(2)50℃水浴条件下当行走次数大于3 000时,排序规律趋于一致,而60℃水浴和60℃空气浴条件下的次数分别为8 000次和5 000次,因此,水和温度都是影响车辙结果的重要因素,只有当测试次数足够时才能消除压密对测试结果的影响,准确反映出混合料的抗车辙性能;(3)60℃水浴的试验条件对于基质沥青混合料过于苛刻,试验时很快出现破坏,水的影响明显,水损坏严重,而不能真实反映混合料的高温抗车辙性能,也就是60℃水浴的试验条件不能用来评价基质沥青混合料的高温抗车辙性能.

2.2 水和温度对车辙试验结果影响

由图1可以得出：(1)4种沥青混合料的车辙发展趋势的排序一致,按车辙深度大小排序是：60℃水浴＞60℃空气浴＞50℃水浴;(2)温度对车辙的发展影响很大.在50℃水浴条件下,各种沥青混合料的车辙发展平缓,车辙比较小,但在60℃水浴条件下产生了严重的车辙,特别是基质沥青混合料的车辙发展很快,在10 000次左右就发生破坏(最大深度超过20 mm);(3)在高温浸水状态下,沥青混合料的抗车辙能力急剧下降,60℃水浴车辙曲线很快出现拐点,而有明显的水损坏出现,说明水和高温的耦合作用对车辙有很大影响,其原因是水在沥青混合料中起润滑作用,降低了沥青与矿料的粘附性,温度越高,水的这种作用效果越明显;(4)浸水状态和提高温度都对车辙有影响,但总体发展趋势比较平缓,50℃水浴条件下无论是基质沥青混合料还是改性沥青混合料都没有发生水损坏;同时,虽然提高10℃温度比水对车辙的影响稍大,但总体趋势基本一致,具有一定可比性;(5)温度越高,水对车辙的影响越明显.在水浴条件下,在60℃时试验数据有明显的拐点,基质沥青混合料的拐点发生在5 000次左右,改性沥青混合料的拐点发生在10 000次左右,同时也说明改性沥青可以提高混合料的抗车辙性能.

图1 不同条件下混合料车辙比较

2.3 不同试验条件的对比分析

综合以上分析,水和温度是影响车辙试验结果的2个主要因素,水环境和提高温度都将加快车辙发展.由图2可知,50℃水浴和60℃空气浴条件下的车辙深度相关性很好,相关系数在0.93以上,50℃水浴条件下的车辙略小,但总体趋势两者一致,因此可以认为50℃水浴条件下的汉堡车辙试验基本可评价沥青混合料的高温抗车辙性能,从而可知汉堡车辙试验把试验温度定为50℃具有合理性.

图2 2种试验条件下车辙深度的相关性

但是,50℃水浴条件下两种改性沥青混合料的区分度很小,例如20 000次时的车辙深度AC-13G为2.56 mm,AC-20G为2.47 mm,2个值很接近,基本在试验误差范围内,而60℃水浴条件下两者的车辙深度相差3.46 mm,可以明显区分两者的高温性能,如图3所示.因此用50℃水浴条件来评价改性沥青混合料的抗车辙性能有一定的局限性,如果要准确区分它们的性能,应适当提高试验温度.

图3 2种温度水浴车辙深度

综上所述,汉堡车辙试验50℃水浴条件基本可以用来评价沥青混合料的高温抗车辙性能,而且有水的存在也不一定出现水损害.但应该针对不同的沥青混合料选用不同的试验温度,以准确区分出沥青混合料的高温性能,尽量避免水的影响.针对我国的沥青使用情况,建议B级沥青采用45℃,A级沥青采用50℃,改性沥青采用60℃的试验温度,具体评价标准的确定则需要进行更深入的研究.

3 汉堡车辙试验评价指标

3.1 现有评价指标

目前,汉堡车辙试验的评价指标有车辙深度、蠕变速率(creep slope)、剥落点(SIP)以及剥落速率(stripping slope)[7].通常用车辙深度和蠕变速率评价沥青混合料的高温性能,但分析认为这两个评价指标存在以下不足.

1)当车辙发展较快时,车辙深度难以统一评价沥青混合料的高温性能.如图4所示,有些混合料很快就破坏,无法经受较大的荷载次数,这样就无法用20 000次的车辙深度来评价沥青混合料的高温性能,必须采用较小作用次数的车辙深度来统一评价.但是,采用较小荷载次数的车辙深度可能会出现矛盾的结论,如5 000次的车辙深度AC-13J小于AC-13G,而8 000次的车辙深度二者却相反.

图4 60℃水浴条件下的汉堡车辙深度

2)蠕变速率对沥青混合料的高温性能区分度低.由前文分析,3种试验条件下车辙深度排序为均趋向于3＞1＞2＞4,因此该排序能够较准确地区分4种沥青混合料的高温性能.但分别用计算法和回归法得到的蠕变速率排序并不一致(见表6),规律性不明显,不能区分不同沥青混合料的高温性能.

表6 沥青混合料的蠕变速率 次/mm

此外,同一组试验数据采用计算法和回归法得到的蠕变速率并不一致.尽管两者的车辙深度存在差异,回归法得到AC13J和AC20J的蠕变速率均为5 000次/mm,可见蠕变速率评价抗车辙性能存在局限性,只能作为辅助指标来评价沥青混合料的高温性能.

3.2 车辙变形率指标

如前所述,汉堡车辙试验的车辙深度和蠕变速率指标在评价沥青混合料高温性能的过程中存在不足.本文提出“车辙变形率”指标评价沥青混合料的高温性能,车辙变形率按式(1)计算.

4种混合料不同试验条件下的车辙变形率如表7所列,不同试验条件下沥青混合料高温性能的排序均为3＞1＞2＞4,这和前文车辙深度最终排序是一致的,可见车辙变形率可以体现沥青混合料的高温抗车辙性能.车辙变形率计算过程中考虑了最大车辙深度,能够简单有效地横向比较沥青混合料的高温抗车辙性能,方便和其他性能指标建立联系,因此建议将车辙变形率作为汉堡车辙试验的一个主要评价指标.

表7 不同试验条件下的车辙变形率

4 结 论

1)通过空气浴、水浴的车辙试验和不同温度的车辙试验可知,水和提高温度都会加剧车辙的产生,但各种试验条件下的车辙发展趋势是一致的,具有一定的可比性.

2)50℃水浴和60℃空气浴条件下的车辙深度有良好的相关性,50℃水浴条件下的试验可以反映沥青混合料的抗车辙性能.但同时应该针对不同沥青混合料选用不同的试验温度,以准确区分出沥青混合料的高温性能.针对我国的沥青使用情况,建议B级沥青采用45℃,A级沥青采用50℃,改性沥青采用55℃或60℃的试验温度,合理的试验温度仍有待进一步研究.

3)分析了汉堡车辙试验的车辙深度和蠕变速率的不足,提出了车辙变形率指标,经分析认为车辙变形率指标考虑了最大车辙深度,能够简单有效地横向比较沥青混合料的高温抗车辙性能,可以作为汉堡车辙试验的一个主要评价指标.

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