新疆岩沥青对高速公路面层抗车辙性能影响研究

彭炜， 彭红

(1.湖南联智桥隧技术有限公司， 湖南 长沙 410219；2.中咨工程建设监理有限公司 湖南分公司， 湖南 长沙 410000)

中国高速公路早期损害严重，车辙、松散、坑槽、拥包等病害层出不穷，其原因主要是车辆超载、外界环境作用引起的道路结构稳定性不足，使路面养护周期缩短，养护成本提高，高速公路通行能力减弱。相对于传统的SBS、SBR改性沥青，岩沥青具有存储过程中不易离析、硬壳，拌和过程不需要增加特殊设备等优点，且其沥青胶浆比例、车辙因子高于其他改性沥青，高温流变特性也较好。SMA混合料为悬浮骨架型结构，抗车辙、抗疲劳、抗滑等性能与AC型密级配沥青混合料相比皆处于上风。研究表明，岩沥青SMA-13C混合料能较好地抵抗高温荷载作用。该文从高速公路面层改性沥青材料角度，对比分析不同配比沥青混合料的抗车辙性能。

1 试验原材料

1.1 沥青

采用70#基质沥青，其性能指标见表1。

表1 70#基质沥青的性能指标

岩沥青的形成环境较复杂，沉积时间很长，不同产地生成的岩沥青在物理、化学性能上差异较大。青川岩沥青产于四川青川县，沥青含量89.5%，还含有石英、方解石、伊利石、高岭石等矿物，为黑色块状固体，属脆沥青类；新疆岩沥青产自新疆乌尔禾镇，沥青含量高达99.4%，其耐高温、防老化能力一流。选择新疆岩沥青(以下简称岩沥青)，其组分比例为沥青质∶胶质∶芳香分∶饱和分=31∶48∶10∶6，技术指标见表2。

表2 新疆岩沥青的性能指标

试验研究表明，8%新疆岩沥青与A-70#沥青掺配时，沥青混合料的各项试验指标大部分处于最佳，故采用该掺配比例进行分析。

1.2 集料

采用辉绿岩作为试验集料，其性能指标见表3。

表3 辉绿岩的性能指标

1.3 填料

采用矿粉作为填料，其性能满足相关标准要求，且洁净、干燥，是憎水性材料。

1.4 混合料级配

SMA-13C沥青混合料采用表4所示级配，AC-13C沥青混合料采用表5所示级配。

表4 SMA-13C沥青混合料的级配

表5 AC-13C沥青混合料集料的级配

2 室内试验研究

通过室内加速加载试验模拟路面使用过程，测量各试验板参数，分析各试验参数的变化。

2.1 沥青混合料加速加载试验系统

加速加载试验系统由0.7 MPa胎压的橡胶小轮驱动，橡胶小轮直径50 cm，其通过摩阻力带动大轮转动；大轮轮面上设有8个卡槽，弧形试验板可放入卡槽中并由螺栓固定在大轮表面，大轮直径120 cm，转速1.6 r/s；小轮与弧形试件之间保持225 kN的恒定荷载，通过小轮在弧形试件上的作用模拟车轮荷载在高速公路路面上的作用。弧形试验板在压实成型后置于25 ℃环境中养生24 h。

2.2 试验过程

试验分为4组：第一组采用8%新疆岩沥青+A-70#基质沥青，集料级配为SMA-13C，油石比分别为3.5%、4%、4.5%、5%，每种油石比制作2块弧形试验板，进行2次平行试验；第二组也采用8%新疆岩沥青+A-70#基质沥青，集料级配为AC-13C，油石比同第一组，每种油石比制作2块弧形试验板，进行2次平行试验；第三组采用70#基质沥青，集料级配为SMA-13C，油石比同第一组，每组油石比制作2块试验板；第四组采用70#基质沥青，集料级配为AC-13C，油石比同第一组，每组油石比制作2块试验板。

试验系统加载500次后，采集弧形试验板第一组基础数据，包括重量mi0、车辙深度Di0，随后将它们再次嵌入加速加载系统大轮中，调好参数，继续试验。小轮转动5 000次后，暂停试验，取下弧形试验板，检测其重量mi1、车辙深度Di1。之后在小轮转动5万、10万、20万、30万、50万、100万次的时间节点取下试验板，测量mi、Di、BPNi等试验数据。其他各组进行相同操作，得到试验数据。

2.3 试验数据分析

2.3.1 同组试验数据对比

第一组弧形试验板在加载次数完成后的试验数据见表6、表7。

表6 SMA-13C岩沥青混合料的车辙深度

表7 SMA-13C岩沥青混合料的损失质量

由表6可知：油石比为4.5%时，SMA-13C沥青混合料的车辙深度增速最慢，增幅最小；油石比小于4.5%时，试件最后均损坏；油石比为5%时，试件受荷载作用10万次后，车辙发育深度最大。混合料油石比越大，柔性更佳，越容易变形；油石比越小，粘附集料的能力越差，越容易损坏。

由表7可知：随荷载作用次数的增加，岩沥青混合料的质量损失逐渐增加。混合料油石比越大，包裹集料的沥青越多，越难掉落集料，质量损失越小。

2.3.2 不同组试验数据对比

取4组试验中油石比为4.5%的试验数据进行横向对比，结果见表8、图1。

表8 油石比为4.5%时各组试验的车辙深度

图1 油石比为4.5%时各组试验的车辙深度发展趋势

由图1可知：各组试验的车辙深度与试验加载次数的对数呈线性关系，可决系数基本在0.94以上，拟合程度良好。随加载次数的增加，车辙深度不断增长，但增长速率减缓。

为更直观地分析各试验组的材料性能，对比分析各组路面结构的使用寿命。根据相关试验研究结果，加速加载系统试验累计加载次数与路面累计轴载作用次数Ne呈正比关系，试验加载次数=车道系数×轮迹分布系数×Ne；高速公路交通量等级为重时，设计年限(15年)内路面累计轴载作用次数为2 600万次/车道。根据上述室内试验结果，油石比为4.5%时，试验板车辙深度超过10 mm后基本损坏。综上，得到表9所示各试验组路面结构的模拟使用寿命。

由表9可知：相对于密实型结构AC-13，SMA-13的抗车辙性能优势明显；岩沥青的掺入可使路面结构使用寿命增加42%～54%。

表9 各组试验路面结构模拟使用寿命

3 结论

采用路面加速加载试验系统模拟不同面层混合料车辙深度随荷载作用次数的发展过程，得出以下结论；

(1) 新疆岩沥青混合料在抗车辙性能方面的最佳油石比为4.5%。

(2) SMA-13沥青混合料比AC-13沥青混合料具有更强的抗车辙能力。

(3) 新疆岩沥青混合料比基质沥青混合料具有更强的抗车辙性能。