冻融地区汽车试验场沥青混合料配合比设计技术研究

王时根 （中铁四局集团第一工程有限公司，安徽 合肥 230041）

1 引言

汽车试验场是为测试汽车的综合性能而特别设计的专用场地。试车场的高速环道、动态广场、性能路等是汽车试验场的重要组成部分，尤其是高速环道是供汽车进行连续高速行驶试验的闭合循环跑道，测试汽车的高速巡航能力，在高速状况下的传动系统工作状态、制动和高速耐久性等的相关性能，是汽车试验场最为重要的汽车测试道路之一。

一汽-大众汽车试验场位于长春市农安县巴吉垒镇，总区域长7km，宽2km，占地14k㎡，其中试验场核心试验区域及运行控制区长6km，宽1km，共6k㎡，一期工程施工区域占4.5 k㎡。主要包括四大功能区：高速环道全长9942.16m、动态广场直径300m、性能试验路、耐久强化路，共有54种特殊路面。其中高速环道面层分为4层沥青路面，结构为4cmAC-10F、5cm AC-16F、8cm AC-20F、8cm AC-25F；动态广场、性能路为3层沥青路面，分别为4cmAC-10F、5cm AC-16F、8cm AC-25F。

图1 高速环道曲线段路面结构

图2 高速环道曲线段断面图

2 长春环境气候特点及当地道路沥青路面裂缝情况

长春市农安县属北温带大陆性半湿润气候区，四季分明，具有春季干燥多风、夏季湿热多雨、秋季凉爽短暂、冬季寒冷漫长的特点。多年平均降水量为516.1mm。降水时间多集中于6到9月，6－9月平均降水量为409.8mm，占年平均降水量的79%。年平均蒸发量为1680mm。年均气温为4.7℃。高温天气，多出现在7月份，月均气温为23℃。最高气温达到35.8℃。最低气温多在1月，月平均气温为-17℃，极端最低气温达-36℃。

通过对长春周边地区高速公路沥青路面调查发现，高速公路沥青路面裂缝主要是横向裂缝，有规律的每隔20～40m就存在一道，弯弯曲曲贯穿整个横断面，与道路中线基本垂直。横向裂缝两侧出现错台，高低不平，危机行车安全和影响试车效果，缩短道路使用寿命。

图3 调查的长伏公路沥青路面裂缝

3 本项目高速环道和动态广场沥青路面技术特点

3.1 高速环道沥青路面

高速环道沥青面层施工不同于常规道路平面摊铺，需要在曲面上完成摊铺、碾压。高速环道曲面最大超高角达48.8。，为国内汽车试验场高速环道最大超高角，要求曲面横断面一次性摊铺完成，曲面上不得有纵缝，防止高速车道沥青摊铺滑落、碾压开裂是保证路面质量的重点。

3.2 动态广场沥青路面

动态广场是一个直径300m的圆，基层为总厚度32cm的级配碎石，路面结构为三层沥青，总厚度17㎝，由北向南坡度为0.5%，面积大、坡度小，且项目所在地处于高寒地区，对试车路面的平整性能和抵抗裂缝要求高。

4 实地采集路面内部温度及分布特性

为实地研究路面内部的温度及分布情况，分别在试车场路面的路面表面5cm深、15cm深和30cm深处埋设了温度传感器，温度传感器能够实时监测温度并记录数据，温度数据每半小时记录一次。在寒冷气候（12月至次年2月）及炎热气候（8月至10月）条件下、经过长达数月的监测记录，得到路面不同层位的长期温度变化情况，如图4所示。

可以看出，在寒冷气候下，总体上路面的温度由路表向下越来越高，路表温度最低。在记录时期内，一天内的温度变化中，路表的温度变化幅度最高，在基层（30cm深处）则变化很小；并且路面内的温度变化呈现出明显的滞后性，白天温度升高时，路表在下午2点左右达到最高温度，随后路表以下各层相继达到最高，夜晚温度降低时同理。综合研究路面上面层最易受到极端温度引起的病害；相较于上面层，路面中、下面层受到外界温度变化带来的影响较小。为保证路面的质量，选用PG64-34沥青作为上面层路面的沥青结合料，中、下面层选用PG58-28沥青。

图4 路面温度变化

5 沥青配合比设计关键技术

5.1 基于PG分级的沥青胶结料的选择

沥青PG技术包括沥青胶结料规范、沥青胶结料试验以及沥青胶结料的选择方法，对沥青技术指标体系进行了根本性变革，将沥青的指标与路用性能紧密联系起来，根据沥青感温特性、供用道路交通荷载组成水平、路用性能分类(高温、低温、中温)、沥青老化前后性质变化等因素来确定沥青等级。它的显著特色是一反“固定温度进行试验而改变标准值”的办法，而是采用“标准值不变而改变试验温度”的办法，即“标准是一致的，条件是不同的”。

5.1.2 高温和低温性能试验

高温指标采用DSR（动态剪切流变）试验，测试原样沥青和RTFO老化后的沥青残留物，在相应条件下的复合剪切模量（G*）以及相位角（δ），然后计算车辙因子（G*/sinδ），对同时满足：①原样沥青 G*/sinδ≥1.0kPa；②RTFOT之后的沥青残留物 G*/sinδ≥2.2kPa；③取二者最高温度中的低值作为该沥青的高温等级。

低温指标采用DSR（动态剪切流变）和BBR（弯曲梁流变仪）试验，DSR试验将RTFOT老化及PAV老化后的沥青，自34℃起，间隔3℃进行DSR试验，直至刚好 G*sinδ＞5000kPa，获取满足 G*sinδ≤500kPa的最低温度，从而确定BBR试验的起始温度。BBR试验将经过RTFOT和PAV老化后的沥青制成12.5mm×12.5mm×6.25mm的小梁，测得不同温度下（为加快试验速度，所选测试温度比实际温度提高10℃），沥青胶结料两个指标：沥青抵抗恒载的能力S（蠕变劲度）和沥青劲度变化的速率m，当同时满足S＜300MPa和m＞0.3时，取该实际温度为低温等级。

PG分级标准的试验、指标及标准值 表1

图5 DSR原理示意图

图6 动态剪切流变仪

经检测的90#基质沥青及SBS(I-C)分别按照PG58-28、PG64-34分级要求进行试验检测，试验结果见表2和表3。

可以看到对于3种沥青样品，按照针入度等级划分均为相同等级，但从PG检测数据来看，即使相同标号的沥青，其性能差异还比较大。对比以上检测数据，可以看出，C样品基质沥青和C样品SBS改性沥青均要优秀于其他两个样品，同时可以发现较差的沥青主要都是由于低温性能不足，代表高温性能的车辙因子指标也有所差异，而这些差别是针入度，延度和软化点等常规实验难以有效地区分开。

5.2 沥青混合料技术指标要求及约束试件温度应力试验

由于农安县冬季温度低、且持续时间长，设计文件要求沥青混合料为细型（F型）的密实级配型。在配合比设计过程中在以高温车辙性能为重要验证指标情况下，增加低温弯曲和冻融劈裂性能。沥青混合料的技术指标见表4。

沥青混合料配合比设计包括三项基本内容：矿料级配设计、最佳沥青用量和路用性能检验。

为进一步评价三种级配的混合料低温抗裂性能，优选最优级配，采用约束试件温度应力试验评价三种配合比。约束试件温度应力试验（TSRST）由美国公路研究战略计划（SHRP）提出，SHRP提出的典型TSRST仪器如图7和图8所示，仪器采用4个温度传感器来测定试件表面的温度，用一个温度传感器测定环境箱的温度，根据环境箱温度和设定的降温速率比较来控制是否向环境箱中喷射液氮。当试件在降温过程中产生收缩时，仪器通过计算机控制步进马达把试件拉伸到初始的位置，模拟路面的约束作用。这样就可以测定沥青温合料试件在降温过程中所产生的温度应力。试验时可以任意设定一个初始温度和降温速率，以测定在不同初始温度和不同降温速率下沥青混合料试件中的温度应力。

基质沥青PG检测结果 表2

SBS（I-C）改性沥青PG检测结果 表3

沥青混合料技术指标要求 表4

(上面层)三种级配的TSRST指标对比 表5

图7 TSRST试验示意图

图8 TSRST试验实景图

对三种级配分别进行TSRST试验，试验初始温度为5℃，降温梯度为-10℃/h，结果如图9所示。

图9 三种级配TSRST结果对比

试验中试件的温度应力随温度降低而增大，并最终开裂发生破坏。试件在开裂时的温度和温度应力即为冻断温度和冻断强度，这是评价混合料的低温抗裂性能的两个重要指标。表5列出了三种级配的冻断温度和冻断强度指标对比，对比发现级配C的冻断温度最低，冻断强度最高，因此级配C的低温开裂性能最好，因此选择级配C作为最终配合比。

6 结论

通过实地研究路面内部的温度分布及变化分析，路面的上面层最易受到极端温度引起的病害；相较于上面层，路面中、下面层受到外界温度变化带来的影响较小。为保证路面的质量并充分考虑工程的经济性，选用PG64-34沥青作为上面层路面的沥青结合料，中、下面层选用PG58-28沥青。

采用PG64-34沥青的AC-10F混合料的动稳定度明显高于其余三种采用PG58-28沥青的混合料，提升沥青的高温PG等级可以显著的提升沥青混合料高温性能。对比另外三种PG58-28沥青混合料，由于更大粒径的集料颗粒形成的骨架，其承重能力也更大，因此提升了混合料的抗车辙性能。

对于混合料低温性能，路面上面层最易受低温影响产生病害，在上面层沥青混合料的配合比设计过程中专门增加低温冻断试验评价材料的低温抗裂性能，作为级配优选的依据之一，冻断温度最低，冻断强度最高，因此低温开裂性能最好。

对于对经过两个冻融期的现场检查，道路整体功能优良，高速环道及动态广场大面积等沥青试车道路平顺，满足使用功能。