低标号沥青在干旱高温抗车辙地区的路用性能探究

邵明星

（新疆交投建设管理有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830099）

0 引言

目前，在国外尤其是欧洲，低标号沥青混合料已被广泛应用，虽然国内道路工作者对于低标号沥青也做了大量研究，但是低标号沥青在新疆地区的使用仍属空白。为使研究更加直观，更具比较性，本文将采用4种沥青（50#、70#低标号沥青和新疆常用90#、SBS改性沥青）结合新疆高温抗车辙地区独特的气候条件，实施针对性研究。

1 低标号沥青结合料高温稳定性

为全面了解低标号沥青混合料性能，同时检验配合比设计，需要对低标号沥青混合料进行路用性能试验，同时与新疆地区常用沥青混合料对比，本文开展了高温车辙试验研究，比对了低标号沥青混合料和新疆常用沥青混合料在高温性能方面的优劣。

高温稳定性通常是指沥青混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力。新疆高温抗车辙地区主要气候要素是高温，而车辙是研究区域沥青路面的首要病害，因此本文将重点研究沥青混合料的高温稳定性。

1.1 高温稳定性测试方法与评价指标

沥青混合料的马歇尔稳定度和流值属于经验性指标，与路面实际产生的车辙破坏相关性较差，因此二者多用于确定沥青用量和施工质量检测。作为沥青混合料的高温稳定性指标，已逐步要求补做其他试验或者检验，例如车辙试验和蠕变试验。

在沥青混合料的蠕变试验中，三轴重复加载试验是比较接近路面实际三位受力状态的一种，但该试验对人员和试验设备的要求很高，且试验中要求提供恒定或动态的侧向压力，因此很难在工程中大面积推广。研究将采用车辙试验和高温剪切试验来评价低标号沥青混合料的高温稳定性。

大量试验表明，车辙试验中，试件上轮辙的产生和发展与实际路面车辙的产生和发展相关性很高，车辙试验的评价指标动稳定度与沥青路面的车辙深度也具有相关性，因此如能严格把控沥青混合料的设计，使其动稳定度满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的相关规定，就可以有效控制沥青路面的车辙破坏。

另一方面，路面的车辙破坏主要由荷载施加的剪应力导致，因此试验研究采用路面材料剪切仪，通过测试试件高温时受剪切破坏的剪应力大小，来评价沥青混合料抵抗高温剪切变形的能力。

1.2 基于车辙试验的高温稳定性评价

1.2.1 车辙试验方案设计

在新疆高温抗车辙地区，车辙破坏是路面破坏的主要类型，且多为失稳型车辙。评价车辙性能的方法有三类：第一类为试验道路现场观测试验；第二类是ATP试验，即足尺加载加速试验；第三类为传统的室内轮辙试验。第三类方法简单方便，能较好反映沥青混合料的抗车辙性能，也符合我国《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的要求。试验研究采用50#、70#、90#和SBS4种沥青拌制混合料，再采用轮碾法成型300mm×300mm×50mm的车辙板，试件密度为马歇尔标准击实试样密度100%±1%。对于基质沥青制作的试件，需要养护24h后脱模，对于SBS改性沥青制作的试件，则需要养护48h后脱模，然后将试样经保温后放于车辙仪中实施轮辙试验，计算其动稳定度。

1.2.2 车辙试验参数确定

有资料表明，在40℃～60℃范围内，沥青混合料的温度每上升5℃，其变形将增加两倍。路面长期处于高温状态下，必定会加速车辙的发展。而在新疆高温抗车辙地区，夏季极端温度可达到40℃，路表温度时常会超过60℃，因此试验研究将在60℃和70℃两种温度下开展车辙试验。其中试验轮与试件接触压强为0.7±0.05MPa，位移传感器测量范围及精度为0mm～30mm和0.01。试验轮行走次数为1260次，往返碾压速度为21次/mm，试验时间约为60mm。

1.2.3 低标号沥青混合料车辙试验的结果及分析

用4种标号沥青拌制AC-20C沥青混合料，制作车辙板，分两组在60℃和70℃下保温5个小时，开展车辙试验，并计算其在不同温度下的动稳定度和升温后动稳定度削减百分比，所得结果如图1所示。

图1 动稳定度对比图

由图1可以直观发现，在60℃时SBS的动稳定度高达8000次/mm，其他3种基质沥青动稳定度也均高于《公路沥青路面施工技术规范》（JTGF40-2004）的要求，其中低标号的50#沥青的动稳定度也远高于常用的90#沥青；在70℃时50#和70#沥青的动稳定度也达到了1700/mm和1200/mm，而常用的90#沥青制作的车辙板则出现了松散，再经一小时的车辙试验，试件直接松散溃烂。而目前在新疆，90#沥青是最主要的路面胶结材料。室内高温车辙试验间接反映了在试验研究区域，沥青路面在长时间高温度，渠化交通荷载作用下，易产生车辙破坏；另外SBS沥青虽然在60℃和70℃时表现出较好的高温稳定性，但其造价较高；与前二者相比，低标号的50#和70#沥青则显示出了较好的高温性能，且性价比较高，能更好地适用于新疆高温抗车辙地区路面的修筑。综上，在该地区使用低标号沥青修筑路面时，车辙试验应在70℃下开展，采用50#沥青时，动稳定度值应不小于1500次/mm，采用70#沥青时，动稳定度值应不小于1000次/mm。

1.3 基于剪切试验的高温稳定性评价

沥青混合料的剪切强度是一项重要的强度指标，沥青路面的推移、拥包和车辙都是剪切变形的结果。采用剪切试验可以直接考察沥青混合料的抗剪切流动变形能力。

1.3.1 剪切试验方案设计

沥青混合料在使用过程中实际上处于三向受压的状态，而车辙试验由于试件尺寸有限，试验加载方法具有局限性，与沥青混合料实际受力情形差异较大。目前我国修筑的沥青路面虽然动稳定度满足了规范要求，但在后续使用过程中，仍然出现了车辙破坏。为使测试条件尽量接近实际受力情况，试验研究设计了沥青混合料的剪切试验。

试验采用的剪切试验仪，借鉴了土工直剪试验方法设计，试验试件采用马歇尔试件，试件制作容易，材料使用较少，试验快速直接，亦便于现场钻芯取样制作试件进行试验。试验中，马歇尔试件下部固定于底座下端，上部固定于活动的套筒中，通过电机对试件中部施加横向剪切力，以稳定速度直剪至试件破坏，剪切仪可以时时记录试件受力大小和位移大小。

1.3.2 剪切试验参数确定

考虑到新疆高温抗车辙地区夏季路面温度较高，为贴近路面实际使用，采用60℃和70℃两种温度开展试验，试验试件均为烘箱保温5个小时后，立即开展剪切试验。长安大学孙己龙的研究显示，当剪切速率采用5mm/min时，所测剪切力与剪切位移的变异系数较小，因此试验研究采用剪切速率为5mm/min。试验中所测力值为试件所受截面剪力，而非剪应力，试件为标准马歇尔试件，直径为101.6±0.2mm，计算截面面积取值为0.00785m2。

1.3.3 低标号沥青混合料剪切试验的结果及分析

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTGE20-2011），以50#、70#、90#和SBS4种沥青制作标准马歇尔试件，测试其高度，分为50℃和60℃两组保温5个小时后，开展剪切试验，测试试件破坏时的最大位移和剪力，并计算其剪应力和升温后剪应力削减百分比，所得结果如图2所示。

图2 剪应力对比图

由图2可以发现，在60℃时，使用50#和70#低标号沥青试件破坏时，剪切应力达到了0.2093MPa和0.2293MPa，远高于新疆常用的SBS沥青，是90#沥青的数倍；在70℃时，使用两种低标号沥青拌制的试件抗剪切应力仍然高于两种常用沥青，而且低标号沥青在升温后抗剪切应力削减百分比较小，50#沥青试件削减32.25%，70#沥青试件削减22.23%，90#沥青试件削减42%，SBS沥青试件削减43.62%。考虑到剪应力是造成沥青路面车辙的主要原因，而在试验研究区域，常用90#沥青具有高温不稳定性，加之长时间的高温更加剧了车辙病害的发展，在此情况下，低标号沥青显示出了较高的抗剪切能力，因此适用于新疆高温抗车辙地区沥青路面的修筑。综上，在该地区使用低标号沥青修筑路面，应在70℃下开展剪切试验，采用50#沥青修筑的混合料剪应力应不小于0.14MPa，采用70#沥青修筑混合料的剪应力应不小于0.17MPa。

1.4 新疆高温抗车辙区高温评价指标与要求

采用高温车辙试验和高温剪切试验，分别在60℃和70℃下对4种沥青混合料试件开展对比试验，试验表明，低标号沥青混合料的动稳定度虽然低于SBS改性沥青，高于新疆常用的90#沥青，其剪切应力也大于常用的90#沥青，表现出良好的高温稳定性，适宜于新疆高温抗车辙地区沥青路面的修筑。同时，试验提出了在新疆高温抗车辙区使用低标号沥青的高温推荐指标，车辙试验应在70℃下开展，采用50#沥青动稳定度值应不小于1500次/mm，采用70#沥青动稳定度值应不小于1000次/mm；另外应在70℃下开展剪切试验，采用50#沥青修筑的混合料其剪应力应不小于0.14MPa，采用70#沥青修筑混合料其剪应力应不小于0.17MPa。

2 低标号沥青混合料在新疆高温抗车辙区的应用

新疆高温抗车辙地区自然条件特殊，因此，使用普通90#沥青修筑的沥青路面，在夏季持续高温，重载和渠化交通情况下，极易产生车辙病害。采用添加造价高昂的改性剂改善路面性能成本过高，不利于当地经济可持续发展，而低标号沥青成本较低，在抗车辙病害能力上具有很大潜能。另一方面，低标号沥青在新疆地区的使用仍处于科学研究状态，尚无实体路段的铺筑，因此，在室内理论分析及试验研究的基础上，在新疆高温抗车辙区，首次使用低标号沥青（库车天环50#沥青和70#沥青）铺筑试验段，来检验其对沥青路面使用性能的改善效果。

阿喀高速为阿克苏至喀什高速公路，是新疆“十二五”期间构建“五横七纵”高等级公路网中的第三横，连接阿克苏、阿图什、喀什等3座南疆重镇，跨越3个地州，线路全长428.49km，是我国目前路线里程最长的高速公路，其全线采用双向四车道高速公路标准建设，设计时速为100km～120km，路基宽度维持28m，项目总投资约为123亿元。2014年8月，在阿喀高速三标段铺设低标号试验路段。所谓低标号路段就是用50#和70#沥青代替原有的常规沥青（新疆使用较为普遍的为90#沥青），应用于阿喀高速的中面层，以检验低标号沥青对高速公路高温抗车辙性能的影响。选取k1399+550～k1400+840左幅为试验路段铺设段落，全长1290m。其中，k1399+550～k1400+200铺设50#沥青路面中面层，k1400+200～k1400+840铺设70#沥青路面中面层。

试验路的检测主要测试路面的平整度、渗水性，通过钻心取样测试混合料的压实度、体积指标和马歇尔试验指标。

2.1 渗水性检测

渗水性检测主要测试水量从100ml降到500ml所需时间，是直观反映路面空隙率和压实度的重要指标，需要在路面施工结束后进行测试。中面层试验段须在铺筑后的第二天，检测道路渗水性，结果如表1所示。

表1 路面渗水性检测表

表1所测数据中，渗水最大值为115.9ml/min，满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中关于密集配沥青混合料渗水系数不大于120ml/min的要求。

2.2 平整度检测

沥青混合料从拌和到铺筑的过程中都可能会出现离析现象。因此必须采取各种措施（诸如装料时前后挪动汽车，摊铺时及时收摊铺机料斗，经常检查螺旋布料器等），从严控制沥青混合料的离析，否则会引起局部松铺系数的波动，或引起摊铺面的拉痕而造成纵横向局部微小的波浪，从而影响路面平整度。

结合拌和能力和平整度的要求，将摊铺速度控制在2m/min～4m/min以内。

路段用路面平整度仪测量平整度，牵引汽车保持5km/h～12km/h的速度匀速驶过被选中的测量路段，当路面状况不良时，应适当减缓行驶速度，测量结果如表2所示。

表2 路段平整度检测表

《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004）对于高速公路质量控制做出规定，连续测定中面层平整度的标准差不大于1.5mm做出由表2中的数据可知，在所选取的路段内，连续式平整度仪所输出的20个标准差中，仅有4个数据超过了1.5mm，因此可以认定该试验路段平整度满足要求。

2.3 钻芯取样

钻芯取样结果如表3所示。

表3 钻芯取样结果

由表3中钻芯取样数据可以看出，各项指标满足50#和70#沥青混合料生产配合比验证的要求。其中两处高度不足50mm的芯样，差值也在设计值的5%以内。