无车辙路面在道路交叉口的应用

摘要：为解决G104 京岚线青银高速靳家立交至山东高速交界段K428+300—K428+550道路交叉口车辙病害频发的问题，在修复养护施工中采用无车辙路面（no-rutting pavement，NRP）技术，采用无车辙剂和改性苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（styrene butadiene styrene，SBS）沥青，设计路面结构为厚4 cm重交通抗车辙改性沥青玛蹄脂碎石混合料SMA-13与厚 6 cm重交通抗车辙改性沥青混凝土AC-20（无车辙改性剂在沥青混合料中的质量分数为1%）改善路面车辙情况。采用室内试验的方法，得到SMA-13与AC-20的最佳沥青质量分数分别为5.9 %、4.3 %。实际铺筑完成运营0.5 a后检测路面的弯沉、构造深度及车辙深度。结果显示：通车运营0.5 a后，实际弯沉较设计弯沉减小约36%，路面承载能力得到较大幅度的提高；构造深度均大于0.5 mm，抗滑性能优异；无车辙路面表面平整，车辙深度小于4.00 mm，远小于标准车辙深度。

关键词：NRP；无车辙剂；车辙深度；构造深度；沥青路面

中图分类号：U416.27文献标志码：A文章编号：1672-0032（2024）03-0056-07

引用格式：吕健涵，吕奉丽，刘芝敏，等.无车辙路面在道路交叉口的应用［J］.山东交通学院学报，2024，32（3）：56-62.

LÜ Jianhan， LÜ Fengli， LIU Zhimin，et al. Application of no-rutting pavement at road intersections［J］.Journal of Shandong Jiaotong University，2024，32（3）：56-62.

0 引言

随着我国公路建设事业的快速发展，城市道路呈现高流量、大负荷和渠化交通的特点，路面最主要的问题是车辙损伤，城市路口因车辆经常制动、启动与转弯造成的车辙损伤尤为常见，削弱路面结构的总体承压能力，严重降低道路运输的通畅性和安全性，对驾驶者的行驶体验产生负面影响^[1-3]，增大城市道路维修养护成本。

为增强沥青路面的抗车辙性能，降低路面车辙病害发生的概率，马辉等^[4]将玄武岩与抗车辙剂掺入沥青混合料，对其路用性能进行试验检测，结果表明玄武岩纤维与抗车辙剂在沥青混合料中的质量分数分别为0.3%、0.2%时可有效降低路面车辙病害。樊长昕^[5]认为抗车辙剂主要通过对集料增黏、加筋、嵌挤填充等方式提高沥青路面的抗车辙性能。已有研究多集中在采用级配优化、高黏度改性沥青及掺入聚酯纤维等加筋材料的方式提高沥青路面的承载能力^[6-8]，但在重载车辆低速行驶和制动、转弯频繁的交叉口路段，早期病害仍反复产生，修复养护的成本较高^[9-10]。对沥青路面车辙的研究集中在高等级公路抗车辙方面，对城市道路特殊路段抗车辙的研究较少^[11-12]。城市道路特殊路段车辙病害频发，研究改性苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（styrene butadiene styrene，SBS）沥青混合料抗车辙性能，以及无车辙路面（no-rutting pavement，NRP）抗车辙性能具有重要的现实意义^[13-14]。NRP是在不改变现有流程施工情况下，仅增加无车辙改性剂投放过程达到改善沥青路面刚柔复合的效果^[15-18]。

本文采用室内试验与现场铺筑NRP材料2种方式，对G104 京岚线青银高速靳家立交至山东高速交界段（K421+209—K428+909） 路面实施修复养护，确定沥青混合料的最佳油石比，监测通车后的弯沉、构造深度及车辙深度等路用性能，研究NRP无车辙材料的抗车辙性能，以期为城市道路交叉口采用NRP材料抗车辙病害提供研究成果与应用技术支持。

1 工程简介

G104京岚线青银高速靳家立交至山东高速交界段（K421+209—K428+909） 位于山东省济南市天桥区，路段长7.7 km，一级公路，设计速度为80 km/h，路基宽32.0 m，路面宽29.5 m，沥青混凝土路面布局示意图如图1所示。

根据公路交通站的交通量数据分析，本项目路段特大货、集装箱等重载交通较多，交通量等级为重交通。根据路面校测结果，路面破损率为2.65%，路面损坏状况指数为77.6＜85.0，此路段需进行修复养护^[19]。随着当地经济的发展，特别是在济南新旧动能转换起步区的基础设施建设项目中，周边工业厂区增多，交通量持续上升，沥青路面陆续出现各种形式的损坏，尤其是道路交叉口K428+300—K428+550车辙病害严重。为确保此路段正常运行，同时保证行车舒适性和交通安全性，结合道路实际情况，对该路段进行NRP施工。

2 NRP设计

2.1 路面结构设计

在K428+300—K428+550路段车辙病害严重的交叉口，采用厚4 cm重交通抗车辙改性沥青玛蹄脂碎石（stone matrix asphalt，SMA）混合料SMA-13与厚 6 cm重交通抗车辙改性沥青混凝土AC-20（经试验证明，NRP无车辙改性剂在沥青混合料的质量分数为1%时路用性能较好）结构改善路面车辙情况，路面结构如图2所示。

2.2 原材料

原材料包括NRP无车辙改性剂、玄武岩碎石、机制砂、矿粉、木质素纤维、沥青混合料掺配高性能界面增强剂制备改性SBS沥青。

采用NRP无车辙改性剂作为改性剂，依据文献[20]检测熔融指数、密度及灰分性能指标，检测结果如表1所示。依据文献[21]检测改性SBS性能指标，结果如表2所示。

由表1可知，NRP无车辙改性剂的检测指标均符合文献[20]的质量要求。由表2可知，改性SBS沥青的检测性能指标均满足文献[21]的要求。

2.3 沥青混合料级配设计

沥青上面层采用4种集料，粒径为10～15 mm的玄武岩碎石、粒径为5～10 mm的玄武岩碎石、粒径为0～3 mm的机制砂、矿粉的质量比为39∶35∶16∶10。沥青下面层采用粒径为10～20 mm的石灰岩碎石、粒径为5～10 mm的石灰岩碎石、粒径为0～5 mm机制砂、矿粉，其质量比为38∶31∶29∶2。

SMA-13和AC-20各集料合成级配如图3所示。

2.4 最佳沥青质量分数

2.4.1 SMA-13

根据施工经验，制备5组沥青质量分数w₁分别为5.0%、5.3%、5.6%、5.9%、6.2%的SMA-13标准试件，其中木质素纤维在改性沥青混合料中的质量分数为0.3%，分别测定试件的性能指标，结果如表3所示。根据表3数据绘制最佳沥青质量分数与各指标的关系曲线。按照施工经验，期望空隙率为4.0%时路面力学性能较好，综合考虑选择最佳沥青用量为5.9 %。为验证结果准确性，制作沥青质量分数为5.9%的SMA-13试件，并对其进行马歇尔稳定度及车辙试验，测得结果为：稳定度为16.81 kN，流值为3.68 mm，残留稳定度为92.6%，动稳定度（70 ℃，0.7 MPa）≥10 000 次/mm，试验结果均符合标准及设计要求，因此确定最佳沥青质量分数为5.9 %。

2.4.2 AC-20

根据施工经验制备5组沥青质量分数w₂分别为3.3%、3.8%、4.3%、4.8%、5.3%的AC-20标准试件，分别测定性能指标，结果如表4所示。根据表4数据绘制最佳沥青质量分数关系曲线，并根据沥青质量分数与各指标关系确定最佳沥青质量分数，如图4所示，计算确定最佳沥青质量分数为4.3%。为验证结果准确性，制作沥青质量分数为4.3%的AC-20试件并对其进行马歇尔稳定度及车辙试验，测得结果为：稳定度为18.45 kN，流值为2.48 mm，残留稳定度为91.3%，动稳定度（70 ℃，0.7 MPa）≥10 000次/mm。沥青质量分数为4.3%的试验结果符合规范及设计要求，因此确定最佳沥青质量分数为4.3%。

3 道路性能测试与评价

2023-07-09，K428+300—K428+550无车辙路面段铺筑完成。修筑完成至今，路面的外观表面纹理质量良好，未发生车辙等早期病害，为评价NRP的使用性能，检测路面的弯沉、构造深度及车辙深度指标。

3.1 NRP弯沉

采用型号为SHN-FED-MV落锤式弯沉检测系统对NRP进行工程实体弯沉检测，每车道每20 m测1点，检测结果如表5所示。

由表5可知：NRP实测弯沉均满足设计强度要求，且平均弯沉比设计弯沉减小约36%。NRP由干法SBS与含有单个环氧基团的有机高分子化合物通过多种类型的环保固化剂在高温条件下形成，兼具SBS改性沥青混凝土的抵抗雨水侵蚀、低温开裂及飞散损坏能力，抗荷载破坏能力明显提高^[22-23]。同时，NRP弯沉的标准差较小，实测弯沉均接近平均弯沉，实测数据稳定，路面承载能力得到大幅提高。

3.2 NRP构造深度

采用铺砂法对NRP进行路表构造深度检测，检测结果如表6所示。

由表6可知：左幅检测路段与右幅检测路段的构造深度为0.70～0.90 mm，均满足大于0.50 mm的要求，抗滑性能优异。普通沥青混合料因沥青与集料间的相容性较差，在高频重载、雨水冲刷、高温作用下，沥青极易与集料剥离，出现早期病害。NRP是在干法SBS基础上，通过添加单组分环氧与增黏树脂，在固化剂的高温激发下形成不溶、不熔三维网络结构，将沥青与集料牢牢包裹，沥青不会因重荷载、高温、雨水变形、软化，不易与集料剥离，沥青与集料间的黏附性增强，道路抗滑性能提高，路面凹凸不平的现象减少^[24-28]。

3.3 NRP车辙深度

通车0.5 a，采用路面横断面尺法测量路面车辙深度，评价NRP的抗车辙效果，检测结果如表7所示。

由表7可知：经过0.5 a通车运营，车辙深度均小于4.00 mm，远低于标准车辙深度10.00 mm，比同期交叉口普通沥青路面实测平均车辙深度9.23 mm明显减小。未养护时，普通沥青混凝土路面部分重载交叉口路段的车辙深度深达20.00 mm，严重危害道路行驶安全。在高温条件下普通沥青混凝土路面沥青软化，加上重载车辆的往返碾压，交叉口极易出现车辙病害。NRP无车辙改性剂的不熔三向网络结构可保证在高温条件下沥青不会软化变形，实现沥青路面刚柔复合的改性效果，道路在外部荷载多次碾压时，沥青不会出现软化现象，增强了路面整体抵抗变形的能力。NRP技术具有优异的抗车辙性能，运行情况良好。

4 结论

1）采用NRP无车辙剂作为改性剂，沥青混合料掺配高性能界面增强剂制备改性SBS沥青，设计采用厚4 cm重交通抗车辙改性沥青玛蹄脂碎石混合料SMA-13与厚6 cm重交通抗车辙改性沥青混凝土AC-20路面结构改善路面车辙情况，通过室内试验，确定无车辙路面SMA-13与AC-20的最佳沥青质量分数分别为5.9 %和4.3 %。

2）通过弯沉、构造深度、车辙深度测试，结果表明NRP性能优良，施工技术与其他普通沥青混凝土路面无较大差异，仅增加改性剂投放环节，不改变现有施工流程，施工完成后可快速开放交通，应用优势较大。

3） 通过工程实际应用，采用厚4 cm重交通抗车辙改性沥青玛蹄脂碎石混合料SMA-13与厚6 cm重交通抗车辙改性沥青混凝土AC-20（沥青混合料中NRP无车辙改性剂的质量分数为1%）改善道路交叉口K428+300—K428+550车辙情况，在该路段投入运营0.5 a后进行检测，结果表明路面平整密实，弯沉、构造深度及车辙深度均符合要求，无车辙病害发生。

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Application of no-rutting pavement at road intersections

LÜ Jianhan， LÜ Fengli^*， LIU Zhimin， GENG Lei

Jinan Kingyue Highway Engineering Co.， Ltd.， Jinan 250101，China

Abstract：To address the problem of frequent rutting damage at the intersection of the Qingdao-Yinchuan Expressway at the Jinjia Interchange to the Shandong Expressway junction from station K428+300 to K428+550 on G104， a no-rutting pavement （NRP） technology is used in the repair and maintenance construction， utilizing no-rutting agents and modified styrene-butadiene-styrene （SBS） block copolymers. The designed pavement structure consists of a 4 cm heavy traffic anti-rutting modified asphalt Ma Gaiti crushed stone mixture SMA-13， and a 6 cm heavy traffic anti-rutting modified asphalt concrete AC-20 （with NRP accounting for 1% of the mass fraction in the asphalt mixture） to improve the rutting situation. Through indoor testing， the optimum asphalt content are determined to be 5.9% for SMA-13 and 4.3% for AC-20. After actual construction and half a year of operation， the pavement′s rutting depth， construction depth， and rutting depth are inspected. Results show that after 0.5 a of operation， the actual rutting depth decreases by approximately 36% compared to the design rutting depth， indicating a significant improvement in the road′s bearing capacity. The construction depth exceeds 0.5 mm， showing excellent skid resistance performance. The no-rutting pavement surface is smooth， and the rutting depth is less than 4.00 mm， significantly lower than the standard rutting depth.

Keywords：NRP; no-rutting agent; rut depth; structural depth; asphalt pavement

（责任编辑：王惠）