掺加抗车辙剂的中面层配合比设计

马光磊

(陕西省高速公路建设集团公司)

1 概 述

目前随着交通量的急剧增加，如何从路面结构设计方面提高路面使用质量显得尤为重要。现有研究提出全寿命路面结构设计方法，以层位分工理论为基础，上面层为表面功能层，主要考虑的性能为抗低温缩裂、抗车辙、抗水损和抗滑;中面层为主抗车辙区;下面层为主抗疲劳区。中面层在设计时着重考虑抗车辙性能，这是由于一方面根据力学计算，在车辆动荷载作用下，沥青路面最大水平剪应力一般发生在道路表面以下7 ～8 cm 的位置，正好处于中面层的位置;另一方面根据夏季沥青路面温度分布，路表附近的沥青混合料的温度最高。通过掺加抗车辙剂来提高沥青混合料的动稳定度，能够有效地提高路面结构的承载能力，避免沥青路面由于失稳或变形导致车辙现象出现。

2 原材料技术性质

2.1 沥青

本试验中采用壳牌70#沥青，沥青的技术性质详见表1，均满足相关要求。

表1 基质沥青与SBS 改性沥青主要技术性质指标

2.2 集料

为了提高集料间的嵌挤力，选择集料时选择些有棱角的近似立方体集料。采用的粗集料为辉绿岩，细集料为河砂，具体技术指标详见表2，满足相关规定。矿粉为石灰岩磨制的石粉，表观密度为2.693 g/cm3。辉绿岩的粘附性等级为4 级，满足规范要求。

表2 集料技术性质指标

2.3 抗车辙剂

采用的抗车辙剂为黑色颗粒状固体，具体技术性质详见表3。抗车辙剂在实验过程中，先与集料拌和均匀后，再加入沥青拌和，试验室中干拌时间增加10 s。实际工程中可根据具体情况适当增加拌和时间。

表3 抗车辙剂的技术性质

3 配合比设计

3.1 级配选择

中面层级配通常采用中粒式级配，采用AC －20 进行设计，级配通过百分率如表4 所示，级配曲线如图1 所示。

表4 级配通过百分率 %

图1 AC－20 合成级配曲线

一般来说，随着空隙率的降低，混合料的动稳定度会升高，抵抗变形的能力会增加。但空隙率也不可过低，在添加抗车辙剂的混合料中，适当的空隙可以由熔融的抗车辙剂填充，增加混合料的变形能力。因此进行级配选择时，混合料的空隙率不宜过高，亦不宜过小，一般介于4% ～5%。

3.2 最佳沥青用量

沥青用量对混合料高温稳定性的影响很大，需根据实际情况合理的确定沥青用量，对于夏季温度较高的地方，在最佳沥青用量的基础上减少0.1% ～0.5%沥青用量。

实验中根据经验选择五个油石比，分别为3. 4%、3.8%、4.2%、4.6%及5.0%。采用上述级配进行试验，试验结果如表5 所示。

表5 不同油石比下沥青混合料马歇尔试验结果

沥青混合料油石比过小，空隙率较大，造成压密型车辙的可能性会增加，因此油石比不宜过小。随着沥青用量增加，沥青混合料压密的时间减小，剪切破坏的时间越早。在油石比较高的情况下，车辙曲线没有明显的阶段性，变形会不断增大。从抗车辙的角度来讲，为了避免沥青混合料的剪切变形，油石比一般不宜过大，考虑实际情况，综合密度、流值、稳定度等方面的因素，选择最佳沥青用量为4.3%。

3.3 路用性能验证

按照已确定的级配和最佳油石比，对沥青混合料的路用性能进行验证。试验包括动稳定度试验、浸水残留稳定度试验以及室内渗水试验，各项试验结果见表6。与规范对比，各项试验测试结果满足要求，所选择的的级配和最佳沥青用量合适。

表6 路用性能检测结果

4 确定抗车辙剂剂量

抗车辙剂的改善机理是抗车辙剂在高温熔融状态下，进一步填充集料的空隙，加强混合料之间的嵌挤作用，同时具有一定的劲度，增强沥青胶浆的粘结作用，同时改善路面弹性变形性能以增强路面的整体稳定性。在前述确定的级配和最佳沥青用量的基础上，需进一步确定合适的抗车辙剂剂量。

在确定的最佳级配和油石比下，改变抗车辙剂的剂量来试拌沥青混合料，成型试件并进行相关试验。根据实际情况选择抗车辙剂的掺量分别为0.3%、0.5%和0.6%，路用性能试验结果如表7 所示。

表7 不同抗车辙剂掺量沥青混合料路用性能检测结果

从表7 中能够看出，通过添加抗车辙剂能够有效地提高沥青混合料的动稳定度，增加混合料的高温稳定性。当抗车辙剂剂量为0.3%时，动稳定度较未掺加抗车辙剂沥青混合料增加了1 倍左右，说明抗车辙剂能够进一步增强沥青与集料的粘结性能，填充沥青混合料的空隙，增加沥青混合料整体稳定性。对比抗车辙剂掺量为0.3%、0.5%和0.6%的动稳定度的数值，可以看出，随着抗车辙剂的掺量增加沥青混合料的动稳定度增加。这说明随着剂量的增加，抗车辙剂填充沥青混合料的空隙更充实，降低了变形的可能性。

从表6 中可以看出，抗车辙剂掺量发生变化时，沥青混合料的破坏应变、残留稳定度变化幅度不大，冻融劈裂强度比虽有所上升，但相差不大。这说明抗车辙剂对沥青混合料的低温性能有所改善，但改善幅度不大。

一般抗车辙剂的价格过高，从经济的角度考虑最终选择抗车辙剂的剂量为0.6%，此时能够达到较好的路用效果，成本相对合理。

5 结 语

通过在中面层沥青混合料中添加抗车辙剂能够有效地提高路面结构的强度和稳定性，避免由于承载能力不足发生结构型车辙，或由于路面材料失稳，在剪切力作用下发生的横向蠕变位移。在进行级配选择时，混合料的空隙率不宜过大，一般介于4% ～5%。最佳沥青用量选择时需根据实际情况进行考虑，夏季温度较高的地区，沥青用量需适当降低，但不宜过低，避免造成空隙率过大，产生压密型车辙。从沥青混合料路用性能和经济性综合考虑，最终确定抗车辙剂的掺加量为0.3%。

［1］沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防［M］. 北京:人民交通出版社，2001.

［2］王辉.重载高温区沥青路面结构与材料研究［D］. 长沙:中南大学博士论文，2008.

［3］李志远.西铜高速全寿命周期沥青路面设计方法研究［D］. 西安:长安大学硕士论文，2011.