高抗车辙中面层沥青混合料设计及应用研究

蔡丽娜

(山西省交通科学研究院新型道路材料国家地方联合工程实验室　太原　030006)

高抗车辙中面层沥青混合料设计及应用研究

蔡丽娜

(山西省交通科学研究院新型道路材料国家地方联合工程实验室太原030006)

摘要集料、沥青、级配、油石比等是影响沥青混合料抗车辙性能的主要因素，其中沥青的粘聚力和矿料颗粒之间的嵌挤力起着决定性作用。文中采用8%的岩沥青和2%的SBS改性剂配置复合改性沥青，借鉴Superpave技术成果，提出高抗车辙沥青混合料的级配范围；采用马歇尔试验方法确定最佳油石比。研究表明，高抗车辙沥青混合料施工质量易于控制，且具有良好的路用性能。

关键词沥青路面混合料车辙Superpave

针对重载比例大、集卡比例高、交通量大的沥青道路，以高抗车辙性能为设计目标的沥青混合料设计及应用研究具有重要的现实意义。根据路面的结构计算分析，沥青路面最大剪应力位于中、下面层，中面层在车辙方面的贡献率约在60%，因此，提高中下面层沥青混凝土的抗车辙能力能够有效减小沥青路面车辙病害[1]。本文结合室内试验与实体工程,对车辙形成机理及影响因素进行分析；从沥青胶结料及级配方面着手,对高抗车辙沥青混合料的设计及应用进行研究。

1车辙形成机理及影响因素分析

1.1　沥青路面车辙形成机理

车辙的形成及发展主要分为3个阶段：开始的压密过程、稳定压密及剪切流动变形[2]。当沥青路面达到规定压实度要求时，剪切流动变形是引发车辙病害的主要原因，提高沥青混合料的骨架结构性能及沥青胶结料性能是改善其抗车辙性能的关键因素。

1.2　沥青混合料抗车辙性能的影响因素

(1) 集料性质。集料性质尤其是骨料的正片状含量、集料与沥青的粘附性等指标是影响沥青混合料的重要因素。棱角性良好的集料间能够形成较强的嵌挤力，提高混合料的整体强度，改善混合料的抗车辙性能。

(2) 级配。研究表明，沥青混合料的抗车辙性能60%取决于集料间的嵌挤作用，因此必须选择合理的矿料级配，构成紧密嵌挤型沥青混合料。级配过粗将增大混合料孔隙率，使嵌挤能力降低，导致矿料间的稳定性下降，最终表现为动稳定度降低，抗车辙性能较差；同时还会降低混合料抗渗水性能，引发水毁病害。过细则会降低粗骨料含量，细料粉料较多，导致混合料形成悬浮结构，最终也会降低混合料动稳定度与抗车辙性能。

(3) 沥青胶结料种类及用量。沥青胶结料的性能是决定沥青混合料抗车辙性能的关键因素。高软化点、高粘度能保证沥青胶结料具有良好的高温性能，因此，选择此类沥青拌制而成的沥青混合料通常具有良好的抗车辙性能；但为了保证混合料具有良好的抗裂性能，还要求沥青具有较大的针入度。其次沥青用量也是重要影响因素之一，沥青用量过大会使过多的沥青处于游离状态，降低集料间的内摩擦力；用量过低则会导致集料表面沥青膜太薄，矿料间粘聚力降低。

2高抗车辙沥青混合料设计方法研究

2.1　沥青胶结料的选择

目前国内外通常通过采用改性沥青的方法来提高高温性能,从而改善沥青混合料的抗车辙性能，其中SBS改性剂、岩沥青、橡胶沥青是最为常用的添加剂[3]。SBS改性剂能够使沥青韧性提高、软化点上升、渗透性降低、高温下的流动倾向减弱，还能提高沥青的刚性、拉伸强度、延性,以及回弹性；而岩沥青能够改善沥青与集料的粘附性，具有良好的抗剥落性能。因此，本文选用SBS改性剂与岩沥青对70号基质沥青进行复合改性以形成高粘、高弹、高延的复合改性沥青。其中岩沥青掺量为8%，SBS改性剂掺量为2%，复合改性沥青技术指标见表1。

表1　复合改性沥青技术指标试验结果

由表1可见，复合改性沥青具有较高的软化点和较大的延度，说明高温性能及延展性良好。

2.2　级配范围的确定

目前国内通常采用AC-20型沥青混合料铺筑中面层，配合比设计多参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[4]中级配范围进行级配选择，然后通过马歇尔试验方法确定最佳油石比。本文综合考虑Superpave设计中禁区和控制点的要求[5]，并结合AC-20级配要求，要求级配曲线通过AC-20级配下限与禁区下限，以形成骨架密实结构，又具有合适的空隙率，达到抗车辙和抗水害的双重目的。推荐级配范围见表2。

表2　高抗车辙沥青混合料级配范围

3混合料设计及性能研究

3.1　配合比设计

(1) 级配的确定。选用石灰岩进行配合比设计，借鉴Superpave技术成果，在上述推荐级配范围内，严格控制4.75 mm关键筛孔与1/2最大公称尺寸筛孔通过率，并根据工程经验确定合理的矿粉用量，保证混合料级配曲线成S型，从而确保沥青混合料形成骨架密实性与均匀性。

根据上述分析，将关键筛孔4.75 mm通过率控制在下限与中值之间即为26%~41%；1/2最大公称尺寸筛孔为9.5 mm，控制在中值与上限之间即为61%~72%；矿粉用量控制在3%~7%。从而获得高抗车辙AC-20沥青混合料级配，见表3，级配曲线见图1。

(2) 油石比的确定。采用马歇尔试验方法确定高抗车辙沥青混合料的油石比，初选3.7%，4.0%，4.3%，4.6%，4.9% 5个油石比成型标准的马歇尔试件，测定其体积参数、稳定度及流值，检测结果见表4。

表3　设计级配

图1　级配曲线

油石比/%毛体积相对密度空隙率/%沥青饱和度/%矿料间隙率/%稳定度/kN流值/0.1mm3.72.4256.454.614.19.623.84.02.4375.560.7149.824.14.32.4494.369.113.91128.94.62.4494.171.114.211.3314.92.4393.477.214.910.335.4要求3~665~75>13>815~40

根据表4的试验结果，取毛体积密度与稳定度最大值、孔隙率与沥青饱和度中值所对应油石比的平均值作为OAC1，即OAC1为4.4%；然后确定同时满足空隙率、饱和度、稳定度、流值技术要求的油石比区间，取区间的OACmin值与OACmax值的平均值作为OAC2，即OAC2=(OACmin+OACmax)/2=(4.15%+4.8%)/2=4.5%；根据上述结果最终得出最佳油石比OAC为4.45%。结合实际工程经验，推荐施工时采用4.4%。

3.2　性能研究

按4.4%的油石比成型试件，并采用相同的级配拌制基质沥青混合料，与复合改性沥青混合料进行对比分析。

(1) 水稳定性。采用冻融劈裂试验与浸水马歇尔试验评价高抗车辙AC-20沥青混合料的水稳定性，残留稳定度和冻融劈裂抗拉强度比必须满足规范中85%和80%的要求，试验结果见表5。

表5　水稳定性试验结果

根据上述结果知道，高抗车辙沥青混合料的残留稳定度高达93%，冻融劈裂强度比接近90%，远远高于普通沥青混合料，且高抗车辙沥青混合料具有较大的马歇尔稳定度与劈裂强度。这说明高抗车辙沥青混合料的力学性能更好，水稳性更优。这主要是因为复合改性沥青粘度大，与集料粘附性较好，抗剥落性能较优。

(2) 高温性能。采用轮碾成型机碾压成型尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的车辙板，养生48 h后进行标准车辙试验，试验温度为60 ℃，时间为60 min，试验轮压与标准轴载一致，为0.7 MPa。试验结果见表6。

表6　车辙试验结果

由表6可见，高抗车辙沥青混合料的动稳定度指标高达9 858次/mm，是普通沥青混合料的5倍左右；而相同级配下普通沥青混合料动稳定度也达到1 774次/mm，远远超过规范不低于800次/mm的要求。这主要是因为该级配为骨架密实型级配，骨料之间具有良好的骨架嵌挤作用，混合料强度较高；而符合改性沥青的软化点较高，针入度较小，具有良好的高温性能，因此，高抗车辙沥青混合料的高温抗车辙性能远远优于普通沥青混合料。

4实体工程应用

将上述级配及油石比的高抗车辙沥青混合料应用于某实体工程，研究其工程可行性。该道路为港区重载公路，重车比重大，集卡比例高，因此需要提高沥青路面的抗车辙性能。施工结束后对沥青路面的压实度、渗水系数、构造深度及抗滑摆值进行检测，检测结果见表7。

表7　工程检测结果

由表7可见，高抗车辙沥青混合料实体工程的压实度能够得到较好保证，渗水系数、构造深度及抗滑摆值都能够满足规范要求。这说明混合料施工质量易于控制，且具有良好的路表性能。

对该路段的车辙深度进行跟踪观察，并进行钻心取样测试上、下面层厚度，评价混合料的抗车辙性能。检测结果见表8。

表8　车辙深度及面层厚度检测结果

从表8中工后1年与工后的面层厚度差值可以计算得出，经过1年的车辆荷载作用，上面层的压密变形为6.0 mm，占该路段平均车辙深度(8.2 mm)的70%以上；下面层压密变形仅为2.1 mm，说明下面层混合料具有良好的抗车辙性能。

5结语

车辙的形成及发展主要分为开始的压密过程、稳定压密及剪切流动变形3个阶段；集料、沥青、级配、油石比等是影响沥青混合料抗车辙性能的主要因素，其中沥青的粘结力和矿料颗粒之间的嵌挤力起着决定性作用。本文采用8%的岩沥青和2%的SBS改性剂配置复合改性沥青；借鉴Superpave技术成果，提出高抗车辙改性沥青混合料的级配范围；严格控制4.75 mm关键筛孔与1/2最大公称尺寸筛孔通过率及矿粉用量，设计成S形级配曲线，从而确保沥青混合料形成骨架密实性与均匀性。室内试验与工程实践表明，高抗车辙沥青混合料施工质量易于控制，且具有良好的路用性能。

参考文献

[1]关伟.沥青路面车辙形成机理及影响因素分析[J].山西交通科技,2006(5):30-33.

[2]高立波,哲人,邓昌宁.高速公路沥青路面车辙的产生机理及主要影响因素分析[J].沈阳建筑大学学报:自然科学版,2008(1):67-71.

[3]宋家楠,黄治冶,徐向辉.胶粉/SBS复合改性沥青与SBS改性沥青、橡胶沥青的基本性能比较研究[J].北方交通,2012(7):3-5.

[4]JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5]许志鸿,陈兴伟,刘红,等. Superpave级配范围[J].交通运输工程学报,2003(3):1-6.

Design and Application Research on Asphalt Mixture with High Rutting

Resistance Performance in the Middle Surface Layer

CaiLina

(Shanxi Transportation Research Institute, National and Local Joint Engineering

Laboratory of Advanced Road Materials, Shanxi Taiyuan 030006 China)

Abstract：Aggregates, asphalt, grading, whetstone ratio are the major factors affecting rutting resistance performance of asphalt mixture, adhesion of asphalt and wedging force between mineral aggregate particles play decisive roles. In this paper, 8% rock asphalt and 2% SBS modifier were used to configure complex modified asphalt. Gradation range of asphalt mixture with high rutting resistance performance was made out with reference to the Superpave technological achievements. At last, the optimum asphalt ratio was determined by Marshall Test Methods. The studies have shown that the construction quality of asphalt mixture with high anti-rutting performance is easy to control, and the road performance of mixture is well.

Key words:asphalt pavement; mixture; rutting; superpave

收稿日期：2015-10-16

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.041