沥青路面交叉口高温稳定性关键指标分析*

汪 义，王海涛，梅鸽福，王晨炜

(中国核工业中原建设有限公司，北京 100142)

0 引言

目前国内外对沥青路面车辙问题虽有较多研究，但是针对道路交叉口路面车辙的严重状况进行专门评估和防治研究在国内并不多见。尤其是夏季气温高且高温持续时间长，常年雨水多，而交叉口是道路交通的枢纽位置，交叉口处车速低，车辆加速、减速、转向等行为较多，且交通渠化严重。在环境和荷载因素的综合作用下，道路交叉口区域容易出现不同程度的车辙、拥包、波浪等病害[1-2]。故针对交叉口路面的特点，应将其与道路主线区别对待，其设计及铺筑须承受住更恶劣的条件。大量研究发现高温变形主要存在于沥青混凝土面层[3]。尤其是在我国，绝大多数沥青路面都采用强度高和板体性好的半刚性基层，基层及基层以下的变形极小，沥青面层产生的车辙深度占到总车辙深度的90%以上。因此，在沥青路面结构与材料设计过程中必须对其高温性能进行准确评估。然而，我国现行路面设计规范尚未将高温病害纳入设计体系，仅在材料设计阶段通过车辙试验对沥青混合料的动稳定度提出了要求[4]。但是，仅采用动稳定度指标有很大的局限性，其并不能完全反映实际路面发生的永久变形[5]。因此，在工程实践中往往会发现即使采用了满足动稳定度要求的沥青混合料，路面仍然很快会出现严重的车辙病害。这就说明现有规范的试验方法和指标无法有效地评价和控制实际路面的高温变形。国内外学者已对沥青混合料高温性能开展了很多的研究，相继提出了一系列室内试验方法，如马歇尔试验、车辙试验、大型环道/直道试验、单轴蠕变、三轴蠕变、局部三轴、弯曲蠕变、单轴贯入试验[6-8]等。然而，其试验结果与实测的路面永久变形量的相关性很差。这是因为上述方法一般采用的均匀温度场、恒定加载模式、恒定围压以及单层试件等试验条件，不能准确地模拟路面的实际工作状态，而这些因素又对沥青混合料永久变形的发展有着重要的影响[9-10]。已有的室内试验方法在讨论荷载变化时没有根据道路的实际车型进行分析，同时没有考虑在实际制动加速度影响下竖向和水平力的变化关系；同时在讨论沥青路面温度场时，没有专门针对当地道路所处实际位置的路面在厚度方向的温度场进行比较分析；未开发能够反映道路交叉口实际荷载加载方式的沥青混合料室内高温蠕变试验，难以获取交叉口沥青路面高温永久变形特征曲线，从而难以对已有的材料设计进行优化。

1 材料准备及试验设计

1.1 混合料材料组成

1.1.1沥青

为研究不同改性沥青混合料在路面交叉口的高温稳定性，选取3种类型沥青材料，包括韩国SK公司生产的高强改性沥青，SBS改性沥青和70号普通沥青。3种沥青的基本技术指标如表1所示。

表1 3种沥青基本性能指标

1.1.2集料

室内成型沥青混合料选用玄武岩集料，该集料质地坚硬，强度较高。矿质填料(粒径<0.075mm)选用石灰石矿粉，含水率低，亲水系数和塑性指数较小。集料与矿粉的各项技术指标均符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》的相关要求。

1.1.3纤维

为了确保工程质量，进一步提高沥青路面的抗裂性能及使用寿命，可在沥青混合料中加入纤维稳定剂材料。为研究纤维材料对路面交叉口高温稳定性的影响，选用的纤维稳定剂为玄武岩矿物纤维，纤维添加剂用量为沥青含量的0.3%。按照《公路沥青路面施工技术规范》规定的试验方法测定其主要技术指标，检测结果符合技术要求。

1.1.4配合比设计

结合江苏省新沂市华裕路(S505—新北路)新建工程，选取车行道表面层的粗型密级配细粒式沥青混合料(AC-13C)，最大公称粒径为13.2mm，其矿料推荐配合比如表2所示。选用3种沥青材料，包括高强沥青，SBS改性沥青和70号普通沥青，分别进行配合比设计。对于SBS改性沥青，分别设计添加玄武岩纤维和不添加玄武岩纤维两种类型混合料。通过马歇尔设计方法确定不同沥青和纤维组合的最佳油石比，目标空隙率为4%，具体的宏观体积参数如表3所示，均符合相关技术要求。

1.2 动态蠕变试验

1.2.1试验介绍

本研究采用重复加载下的动态蠕变试验来评价不同沥青混合料的高温稳定性能。试验过程参照美国沥青协会试验规程AASHTO TP79-13来进行。试件尺寸为直径100mm、高度150mm的圆柱体，每种试验条件需准备3个平行试件。试验采用UTM-25万能试验机进行加载，加载前需将试件放入环境箱中进行保温，考虑江苏地区夏季高温实际状况，温度设置为60℃，保温时间为4h。保温结束后可开始试验。

表2 AC-13C混合料矿料级配范围

表3 不同沥青混合料的体积参数

1.2.2试件制备

通过旋转压实仪在室内成型直径150mm、高度180mm的圆柱体试件。然后采用室内切割装置，去除试件两段空隙率较大的区域，获取大圆柱体试件中部直径150mm、高度150mm的部分。通过室内钻芯，最终获取直径100mm、高度150mm的标准圆柱体试件用于动态蠕变试验的加载。

1.2.3加载模式改进方法

标准动态蠕变试验的重复加载周期为1s，采用半正弦波加载力，加载时间为0.1s，卸载时间为0.9s。加载应力选择标准轴载0.7MPa，试验终止条件为荷载作用次数达到10 000次或者竖向累积压应变超过100 000με。考虑路面交叉口车辆的行驶速度快慢不统一，同时由于信号控制，存在车辆停止等候以及加减速的问题，因此，道路交叉口位置的交通荷载作用特征难以用一种加载模式来代表。而不同的加载状态导致车辆影响路面的作用时间差别巨大，因此有必要考虑实际交叉口路面车辆行驶的不同加载状态。本研究基于实际道路交叉口车辆行驶状态和驾驶行为的调研，确定4种不同的交通荷载加载模式，包括常速行驶、减速行驶、低速行驶和停止4种。依据不同的交通荷载加载状态，结合标准动态蠕变试验的动态加载方式，对标准加载模式进行改进，如表4所示。其中，常速行驶对应的是标准动态蠕变的加载模式，相当于车辆的行驶速度为64km/h[11]。考虑交叉口处，车辆行驶速度会放缓，根据规范规定，交叉口通行车速采用0.6的衰减系数进行计算，因此，减速行驶的速度设定为40km/h，对应的单周期加载时间为0.163s。考虑在交通量较大的高峰时段，交叉口区域通常出现拥堵状况，此时车辆是低速通过交叉口，设定低速行驶的速度为20km/h，对应的加载时间为0.325s。考虑完全拥堵状况，车辆出现排队停止现象，此时不存在卸载过程，因此采用静态加载模式，加载时间为300s。同时，考虑车辆的制动性能和安全距离等，根据已有研究[12]，设定常速行驶车辆间距为16m，减速行驶车头间距为10m，低速行驶车头间距为4m，相应计算得到卸载时间分别为0.9s，0.9s和0.72s。

表4 不同加载模式的加载和卸载时间

1.2.4指标定义

沥青混合料的高温永久变形曲线如图1所示，主要分为3个阶段。第1阶段为初始压密阶段，该阶段混合料的竖向变形速率随加载次数的增长而下降；第2阶段为稳定发展阶段，该阶段混合料的蠕变发展速率稳定，累积永久应变呈现线性增长规律；第3阶段为剪切破坏阶段，该阶段混合料的永久变形速率迅速增加。定义沥青混合料流变次数(flow number, Fn)为永久变形曲线第2和第3阶段拐点所对应的加载次数；定义沥青混合料流变速率(creep strain rate, Cr)为永久变形曲线第2阶段的斜率。流变次数Fn越大，则混合料的抵抗高温变形的能力越强；流变速率Cr越低，则混合料在高温条件下的永久变形的趋势越缓慢。

图1 沥青混合料永久变形曲线

2 沥青混合料高温稳定性分析

2.1 加载模式影响

图2为不同加载模式下SBS改性沥青混合料(加纤维)的永久变形曲线。可以发现，在不同加载模式下，沥青混合料的变形均符合3阶段蠕变模型，即初期变形迅速增大，变形速率逐渐下降；中期蠕变速率呈现稳定增长；后期变形快速累积，蠕变速率迅速增大。同时可以发现，不同加载模式对于永久变形曲线的具体增长规律影响显著。随着车辆行驶速度从常速(64km/h)下降到停止(速度为0km/h)，沥青混合料的永久变形逐步变大，永久变形速率也逐步变大。这是由于沥青混合料是一种具有时温等效特性的黏弹塑性材料，较低的车速延长了荷载作用时间，最终导致材料的永久变形显著增大，剪切破坏时间显著缩短。通过对比可以发现，道路交叉口位置，车辆的缓行甚至由于拥堵导致的制动停止等驾驶行为会使得沥青路面的蠕变损伤累积更迅速，破坏更严重。

图2 不同加载模式下的沥青混合料永久变形曲线

2.2 流变次数和速率分析

通过对不同加载模式下4种沥青混合料的动态蠕变试验，可获取相应的永久变形曲线。通过对曲线拟合分析，可计算得到相应的蠕变指标，包括流变次数Fn和流变速率Cr，如图3所示。不同试验条件下，沥青混合料平行试件的测试结果存在一定变异性，变异系数均<20%，可以认为本研究设定的试验条件和过程具有可重复性和代表性。可以发现，从常速行驶加载模式到停止加载模式，4种沥青混合料的流变次数Fn均有不同程度的下降，流变速率均有不同程度的上升。从低速行驶到停止加载模式，4种沥青混合料的Fn均发生最大幅度的下降且Cr均发生最大程度的增大，说明道路交叉口由于拥堵或者车辆排队产生的制动停止驾驶行为会对高温条件下的沥青路面产生最严重的蠕变损伤。相对而言，高强改性沥青混合料的流变次数显著大于SBS改性沥青混合料和70号普通沥青混合料并且流变速率显著小于其余沥青混合料，说明高强改性沥青混合料在不同加载模式下均表现出最佳的高温抗车辙性能。比较图3a和3c可以发现，添加纤维可小幅度提升不同加载模式下沥青混合料的Fn并降低Cr，说明玄武岩纤维的添加对提升沥青混合料的高温稳定性具有积极的作用，但是相比于沥青种类的改变，添加纤维的影响程度较小。

图3 不同加载模式下沥青混合料流变次数和速率指标变化规律

2.3 不同沥青混合料对加载模式的敏感度分析

通过对图3的分析，可以发现不同加载模式下沥青混合料的蠕变指标存在不同程度的变化，为量化不同沥青混合料对各加载模式的敏感程度，以常速行驶加载模式为标准，计算其余加载模式下获取的蠕变指标(Fn和Cr)相对于标准加载模式下的蠕变指标的比值，计算结果如图4所示。图4a为4种沥青混合料的流变速率Cr在不同加载模式下的相对比值，图4b为4种沥青混合料的流变次数Fn在不同加模式下的相对比值。从图中可以发现，70号普通沥青混合料对不同加载模式的敏感程度最高，从常速行驶模式到停止模式，Cr上升了约7倍，Fn下降到低于10%；而高强改性沥青混合料对不同加载模式的敏感程度最小，从常速行驶到停止模式，Cr只上升了不到1倍，Fn下降约20%左右。对于SBS改性沥青混合料，在减速行驶条件下，添加纤维与否对于材料蠕变指标的变化程度影响较小，而当加载模式为低速行驶或者停止状态时，添加纤维明显可以延缓Cr的上升趋势和Fn的下降趋势。以上分析说明，不同的加载模式对于不同沥青混合料高温稳定性的区分度存在差异，当采用较为苛刻的低速行驶和停止加载模式时，可以更有效区分不同沥青混合料的抗永久变形能力。

图4 不同沥青混合料在不同加载模式下的Fn和Cr相对比值

3 结语

针对道路交叉口的特殊交通荷载环境，提出了室内模拟不同驾驶行为的改进型动态蠕变加载模式，通过对不同改性沥青混合料试验结果的对比分析，进一步研究了不同沥青混合料的高温稳定性特征，探究了不同加载模式下沥青混合料的蠕变力学响应的差异，为针对沥青路面交叉口实际工况的材料室内设计提供新的思路。同时得出以下结论。

1)高强改性沥青混合料具有优异的高温抗车辙性能，能适用于沥青路面交叉口的复杂交通荷载环境。添加玄武岩纤维对提升改性沥青混合料的高温稳定性具有积极的作用，但其对混合料性能提升的程度远小于沥青种类改变的影响。

2)高温条件下，不同沥青混合料对于不同加载模式的敏感程度差异较大，表现出明显的非线性特征。考虑道路交叉口的特殊性，可采用加载条件更为苛刻的低速行驶或者停止加载模式进行材料的高温稳定性室内评价。