不同种类沥青混合料抗车辙性能研究

郭亮亮 朱金标

摘  要：为提升沥青路面抗车辙性能，通过车辙试验对常用抗车辙材料（SBS改性沥青混合料、半柔性沥青路面材料、掺加抗车辙剂沥青混合料）进行室内试验分析，并对3种沥青混合料进行高温稳定性能、水稳定性能及低温性能等路用性能试验。结果表明，采用半柔性沥青路面材料与掺加抗车辙剂沥青混合料可显著提高沥青路面的抗车辙性能，老化后半柔性沥青路面材料抗车辙性能优于掺加抗车辙剂沥青混合料；半柔性沥青路面材料的抗水损坏性能较优，但是，半柔性沥青路面材料的低温弯拉应变指标略低于规范值，掺加抗车辙剂沥青混合料低温性能优于半柔性沥青路面材料。研究结果为不同应用场景下沥青路面提升抗车辙性能提供思路。

关键词：道路工程；抗车辙性能；半柔性路面材料；抗车辙剂；沥青混合料

中图分类号：U416.217      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）14-0066-04

Abstract： In order to improve the rutting resistance of asphalt pavement， rut test was carried out to analyze the commonly used rutting resistance materials （SBS modified asphalt mixture， semi-flexible asphalt pavement material， asphalt mixture mixed with rutting agent）， and road performance tests such as high temperature stability， water stability and low temperature performance were carried out on the three asphalt mixtures. The results show that， the anti-rutting performance of asphalt pavement can be significantly improved by using semi-flexible asphalt pavement material and adding anti-rut agent asphalt mixture， and the anti-rutting performance of semi-flexible asphalt pavement material is better than that of anti-rut agent asphalt mixture after aging. The water damage resistance of semi-flexible asphalt pavement material is better， but the low temperature bending and tensile strain index of semi-flexible asphalt pavement material is slightly lower than the standard value， and the low temperature performance of asphalt mixture with anti-rut agent is better than that of semi-flexible asphalt pavement material. The research results provide an idea for improving the anti-rutting performance of asphalt pavement in different application scenarios.

Keywords： road engineering; rutting resistance; semi-flexible pavement material; anti-rut agent; asphalt mixture

隨着城市道路建设加快，道路交通量日趋增大，使得道路病害频发，尤其是在红绿灯路口处，车辆起步刹车频繁，使得沥青路面反复受到车辆急停急起带来的推移剪切作用力，进而导致出现车辙等病害[1]。为增强路面抗车辙性能，国内众多学者对此展开研究，通过提高沥青混合料模量以提高沥青路面抗车辙性能。吴尤东等[2]针对半柔性路面材料开展不同试验条件下的三点弯曲疲劳试验，研究其在循环荷载作用下的变形规律，并建立疲劳方程能预测半柔性路面材料的疲劳寿命。陈瑞考等[3]通过对特定抗车辙剂在沥青混合料中掺加后的路用性能进行试验测试，发现改性沥青混合料的高温稳定性在一定范围内与抗车辙剂掺量正相关，而对于水稳定性和低温抗裂性能则无可确定的单一相关趋势。虽然2种方式均可提升沥青路面抗车辙性能，但是对于2种方式的抗车辙性能及适用性等对比研究较少[4-6]。因此，本研究对SBS改性沥青混合料、半柔性沥青路面材料、掺加抗车辙剂沥青混合料进行高温稳定性能等路用性能试验进行分析研究。

1  原材料指标及试件成型工艺

1.1  原材料指标

本研究分别制备SBS改性沥青混合料、半柔性沥青路面材料及掺加抗车辙剂沥青混合料，原材料技术指标见表1—表3。

1.2  试件制备工艺

1.2.1  半柔性沥青路面材料试件制备

本研究基体沥青混合料采用SFAC-20级配，根据固定的粗细集料用量，初拟几个沥青用量（3.0%、3.3%、3.6%、3.9%、4.2%）。试件成型后，开展谢伦堡沥青析漏试验和肯塔堡飞散试验，测定其析漏量和飞散损失，试验结果如图1所示。

由图1（a）可知，随着沥青用量的增加，大空隙基体沥青混合料的析漏量逐步增加，在油石比超过3.78%后析漏量迅速增加。而肯塔堡飞散试验的结果表明，油石比越高，飞散损失越小，当油石比超过3.83%后飞散损失的变化趋缓。因此，由图1（a）和图1（b）可得2个拐点：油石比为3.76%和3.84%，分别对应沥青用量的最大、最小值。结合空隙率的测量结果，最终确定24%空隙率的大空隙基体沥青混合料的油石比为3.8%。

确定最佳油石比后，成型基体混合料。将灌浆料按0.3水胶比配置好后，在30 min内灌入到基体混合料中。分次灌入并放到振动台上振动，使灌浆料更好地填充到基体混合料孔隙中。对制备好的半柔性沥青混合料试件进行灌浆饱满度、马歇尔稳定度、冻融劈裂强度比等路用性能试验。

1.2.2  基于GTM法掺加抗车辙剂沥青混合料试件制备

本研究基于GTM法掺加抗车辙剂沥青混合料采用AC-20C级配，制备方法参照JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》，首先将集料置于180 ℃烘箱中加热5 h，将加热后的粗集料与细集料放入搅拌锅中干拌90 s，搅拌完成后加入路面抗车辙剂，继续干拌90 s。其次加入沥青，拌和90 s。将拌和好的掺加抗车辙剂沥青混合料分装至搪瓷盆中，放入180 ℃烘箱中保温。最后用温度计测量掺加抗车辙剂沥青混合料温度，达到180 ℃时取出成型GTM试件，试件成型条件：垂直压力0.8 MPa，拌和温度180 ℃，成型温度180～185 ℃，控制方式为极限平衡状态。

选择油石比3.9%、4.2%、4.5%和4.8%，按上述条件成型GTM试件。按JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T 0705—2011《压实沥青混合料密度试验（表干法）》测定试件毛体积相对密度，根据沥青浸渍法实测合成级配矿料混合料的有效相对密度（表4）并计算沥青混合料最大理论相对密度。GTM试件体积参数及马歇尔试验结果见表5，GTM试验结果如图2所示。其中沥青混合料试件的矿料间隙率VMA依据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》，采用矿料混合料的合成毛体积相对密度计算。

由图2可见，GSI（稳定系数）随油石比的增加而增大，当油石比大于4.2%，GSI大幅度增大，曲线已呈急剧增加趋势，表明混合料中的沥青已过量，试件的塑性变形过大；从反映沥青混合料抗剪强度方面的参数GSF（安全系数）随油石比的变化情况来看，油石比等于4.2%时，GSF值最大，当油石比大于4.2%，随油石比的增加，GSF值减小。综合考虑GTM试验结果并参考体积参数的大小及变化趋势，将AC-20C型沥青混合料最佳油石比确定为4.2%。

2  不同种类沥青混合料路用性能研究

分别对SBS改性沥青混合料、半柔性沥青路面材料及掺加抗车辙剂沥青混合料进行马歇尔稳定度试验、车辙试验、冻融劈裂试验和小梁弯曲试验，试验结果见表6。

2.1  高温抗车辙性能

根据马歇尔稳定度试验可以看出，半柔性沥青路面材料的马歇尔稳定度最高，掺加抗车辙剂沥青混合料次之，SBS改性沥青混合料最小。半柔性沥青路面材料的马歇尔稳定度较掺加抗车辙剂沥青混合料及SBS改性沥青混合料增长约17.2%、28.8%。说明半柔性沥青路面材料的高温稳定性较优。根据车辙试验结果可知，半柔性沥青路面材料与掺加抗车辙剂沥青混合料的动稳定度均大于10 000 次/mm，是SBS改性沥青混合料的动稳定度2倍以上，说明采用半柔性沥青路面材料与掺加抗车辙剂沥青混合料可显著提高沥青路面的抗车辙性能，由于动稳定度大于10 000 次/mm以后难以准确评价高温性能。因此，无法进一步判别半柔性沥青路面材料与掺加抗车辙剂沥青混合料的抗车辙性能优劣，为得到2种材料抗车辙性能對比情况，对3种材料老化后车辙性能进行对比分析。首先成型3种材料车辙试件，将成型好的车辙试件进行热氧老化（即置于70 ℃烘箱中保温3 d），其次置于氙灯老化试验箱中3 d，将老化后的试件在70 ℃车辙试验仪中进行车辙试验，动稳定度值见表7。

由表7可知，3种材料老化后动稳定度值显著下降，SBS改性沥青混合料、半柔性沥青路面材料、掺加抗车辙剂沥青混合料较老化前动稳定度值降幅分别为28.6%，35.4%，38.2%，其中掺加抗车辙剂沥青混合料降幅最大。老化后半柔性沥青路面材料动稳定度值最大，综合老化前后动稳定度大小及变化情况，3种材料抗车辙性能强度大小依次为：半柔性沥青路面材料，掺加抗车辙剂沥青混合料，SBS改性沥青混合料。

2.2  抗水损坏性能

根据表6冻融劈裂试验结果得到，半柔性沥青路面材料的冻融劈裂强度比最高，并超过了100%，掺加抗车辙剂沥青混合料次之，SBS改性沥青混合料最小。半柔性沥青路面材料及掺加抗车辙剂沥青混合料较SBS改性沥青混合料的冻融劈裂强度比分别增长约30.1%、3%。说明半柔性沥青路面材料的抗水损坏性能较优。究其原因在于随着水泥水化的进行，试件中的灌浆料强度不断增加，试件空隙率减小，提升了半柔性沥青路面材料的抗水损坏性能。

2.3  低温抗裂性能

根据表6小梁弯曲试验得到混合料的低温弯拉应变，低温弯拉应变越大说明混合料的低温抗裂性能越好。通过表6中3种混合料的弯拉应变可知，SBS改性沥青混合料的弯拉应变最高，掺加抗车辙剂沥青混合料次之，半柔性沥青路面材料最小，并且半柔性沥青路面材料的低温弯拉应变指标略低于规范值。半柔性沥青路面材料的低温弯拉应变较掺加抗车辙剂沥青混合料及SBS改性沥青混合料降低约11.8%、23.7%。灌浆料材料增加了半柔性沥青路面材料的低温脆性，并且由于灌浆料与沥青混合料的温度敏感性不同，导致试件发生低温形变时，灌浆料-基体沥青混合料界面强度降低，进而导致半柔性沥青路面材料发生低温裂缝破坏。

3  结论

本研究分别制备成型SBS改性沥青混合料、半柔性沥青路面材料及掺加抗车辙剂沥青混合料试件，并对3种沥青混合料高温稳定性等性能指标测试，评价其抗车辙性能及路用性能。主要结论如下。

1）半柔性沥青路面材料与掺加抗车辙剂沥青混合料动稳定度均大于10 000次/mm，老化后半柔性沥青路面材料动稳定度值最大，综合老化前后动稳定度大小及变化情况，半柔性沥青路面材料高温性能优于掺加抗车辙剂沥青混合料与SBS改性沥青混合料。

2）随着水泥水化的进行，试件中的灌浆料强度不断增加，试件空隙率减小，提升了半柔性沥青路面材料的抗水损坏性能。

3）半柔性沥青路面材料低温性能较差，在低温地区，使用掺加抗车辙剂沥青混合料提升沥青路面抗车辙性能较优。

参考文献：

[1] 韦彬，唐皓，熊春龙，等.深汕合作区公路抗车辙沥青铺装结构设计研究[J].公路，2022，67（2）：48-53.

[2] 吴尤东，程圆圆，曾德勇，等.半柔性路面材料的疲劳寿命研究[J].中外公路，2021，41（4）：313-318.

[3] 陈瑞考，魏学利，宋玲，等.沥青混合料中掺加定量抗车辙剂后的路用性能[J].科学技术与工程，2018，18（36）：120-124.

[4] 钟科，陈波，蒋恩贵，等.灌注式半柔性路面材料研究与应用综述[J].中外公路，2017，37（2）：232-235.

[5] 梅亮，余晖，吉增晖，等.干线公路沥青路面平交道口抗车辙剂应用性能试验研究[J].石油沥青，2021，35（6）：57-62.

[6] 陈忠华，梁遐意，喻利斌.水泥砂浆外掺剂对半柔性路面抗裂性能影响分析[J].武汉理工大学学报，2022，44（6）：32-38.