高模量沥青混合料在处理道路车辙病害中的应用

左闰春

摘要:公路运输是综合交通运输体系的重要中层部分之一,公路事业的良好发展,为我国的经济和社会的进步打好了坚实的基础.交通建设要立足畅通高效,安全绿色.目前沥青路面在公路通车里程中占80%左右.在车辆荷载的不断作用下,沥青路面的车辙病害显得尤为突出.本文就是针对该问题,论证了高模量沥青混合料在抗车辙方面的优势.

摘要:高模量;沥青混合料;车辙

1 引言

经过几十年的不断发展,到2009年底我国的公路通车总里程已经达到了386万公里,其中高速公路通车总里程达到了6.51万公里.伴随着公路事业不断发展的同时,我国的经济社会发展也对公路的行车质量和行车安全提出了更高的要求.目前,我国大部分高速公路的结构都是半刚性的沥青路面,在荷载的不断作用,特别是夏季高温条件下,沥青路面极易产生车辙病害.严重影响到了行车的舒适性和安全性.通过大量的理论分析和实际观测发现,道路中面层对车辙的形成有很大的影响.我们就是从提高中面层的高温模量入手来解决车辙病害问题.

2 车辙产生的原因和类型

沥青是一种粘弹性材料,在高温条件下主要表现为粘性,在低温条件下主要表现为弹性.通常来看,沥青路面的车辙是是面层、基层、垫层的永久变形组成的。但是在目前我国半刚性基层占多数的情况下。沥青路面的永久变形是车辙研究的重点。我国夏季气温普遍在30℃以上，沥青路面的表面温度要比气温高出25-30℃。如果沥青路面持续在高温条件下，动态剪切模量大幅衰减，在相同应力条件下就会产生较大的应变，造成沥青混合料的抵抗变形能力下降。沥青路面在车辆荷载的作用下就会产生变形。在荷载消失后，由于沥青材料的特性弹性变形会恢复，而粘性变形不能恢复。粘性变形的不断积累就造成了沥青路面的永久变形，我们从路面上观察到的就是车辙。

根据形成原因的不同车辙通常分为4类:1) 结构型车辙，这种车辙的形成主要是路面结构设计不合理，路面各结构层次的承载能力不足，导致永久变形的产生。2）压密型车辙，在路面铺筑过程中，不能满足压实度的要求或者是沥青混合料的设计空隙率过小，在开放交通后极易产生压密型变形。3）磨耗型车辙，路面上面层材料或者加铺的封层等在车辆轮胎磨耗和雨雪等自然因素作用下造成路面材料的损失。长时间不进行处理就形成了车辙。4）失稳性型车辙，这是大部分路面产生车辙的主要形式。车辆在加速、减速过程中会对路面造成很大的剪应力作用，在高温条件下造成路面材料的失稳，形成永久变形。

沥青路面的车辙病害用常规的养护手段很难根除这种病害，通常的做法是将产生车辙的层位铣刨后重新铺筑，但是重铺之后随着时间的推移又会产生同样地问题。这就造成了大量的能源资源的浪费和环境污染问题。而高模量沥青混合料以其优越的高温稳定性可以很好的解决这一问题，延长道路的使用寿命。

3 高模量沥青混合料

3.1高模量沥青混合料国内外研究现状

法国是最早使用低标号沥青的国家，并且成功的研发出了高模量沥青混合料。在将高模量沥青混合料不断完善之后，在法国国内得到了广泛的推广，目前在法国超过一半的道路的中下面层都已经使用了高模量沥青混合料。

英国在上世纪90年代开始研究高模量沥青混合料，并且以这个为基础建立了长寿命沥青路面的耐久性研究。主要针对的问题是怎样提高模量沥青混合料的抗老化性能和低温抗裂性。

美国在2004年开始对高模量沥青混合料作为沥青路面的中下面层的研究，并且对高模量沥青混合料的设计方法提出了新的要求。

在我国国内对高模量沥青混合料的研究还处于起步阶段。成熟的可以借鉴的经验和技术较少。由中国石化集团和辽宁省高等级公路建设局共同研制的高模量外掺剂弥补了我国在这一方面的不足。在国内率先指出了用提高沥青混合料的模量来解决高温稳定性不好的解决办法。并通过实践得出了提高沥青混凝土高温模量的两种主要的技术方案。

3.2 提高沥青混合料模量的方法

1）使用硬质沥青，我国对沥青的分级是按照沥青的针入度来分，也就是采用低标号的沥青。使用的沥青的针入度在10-30（0.1mm）。

2）添加粘度大的天然沥青，粘度大的天然沥青具有较高的软化点。达到降低沥青针入度的目的。

3) 添加聚烯烃类物质，这类物质可以在生产沥青混合料时在拌和过程中加入。利用集料的温度将其融化再与沥青融合在一起。

3.3 高模量沥青混合料的高低温性能

通过室内试验，评价高模量沥青混合料的路用性能。与常规的机制沥青作对比，主要关注其高温稳定性这一方面。由于车辙病害的发生主要是在中面层，所以我们设计AC-20的高模量沥青混合料。提高沥青混合料模量的方式是添加高模量添加剂（聚烯烃类物质）。

3.3.1 高温性能

设计高模量沥青混合料的目的就是解决车辙问题。高温稳定性能够反映沥青路面抗车辙病害能力的强弱。沥青混合料的高温稳定性通常是指沥青混合料在车辆荷载的反复作用下抵抗永久变形的能力。不同方面来看，高温稳定性包括路面病害的还接个方面，如推移、拥包、搓板、泛油等。如果沥青路面的高温稳定性不足，那么在出现高温和低频的情况下就会表现出抗剪切能力不足。

通过车辙试验来评价高模量沥青混合料的高温稳定性。车辙试验是由英国的道路研究所研制的。试验方法比较简单，并且试验结果与路面的实际使用情况也有很好的相关性。沥青混合料车辙实验室在预先制备板型试件（300mm×300mm×50mm），对于试件要在60℃的恒温条件下养护至少5h，试验时对一个橡胶轮施加0.7MPa的压力并且使橡胶轮在试件上运行。通过记录45min和60min的变形就可以计算出产生1mm变形橡胶轮走过的次数，也就是得到了动稳定度。通过动稳定度的大小可以反映沥青混合料高温性能的好坏。动稳定度值越高则沥青混合料的高温稳定性越好。动稳定度根据下面公式计算

DS=

式中：DS—动稳定度（次/mm）；

d1—对应时间t1时的变形量（mm）；

d2—对应时间t2时的变形量（mm）；

N—试验轮往返碾压速度，通常为42次/min。

车辙试验结果如表1.1所示：

项目 试验温度 动稳定度次数（次/mm）

70#沥青 60℃ 1026

0.2%掺量外加剂 60℃ 8560

0.4%掺量外加剂 60℃ 12600

0.5%掺量外加剂 60℃ 13450

通过数据我们可以发现通过在沥青混合料中添加搞模量添加剂可以大大改善沥青混合料的高温稳定性。但是在关注高温性能的同时，也要保证高模量沥青混合料的低温性能能够满足要求。

3.3.2 低温性能

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ052-2000)的规定，将轮碾成型的车辙板试件切割成长250mm±2.0mm，宽30mm±2.0mm高35mm±2.0mm的棱柱体小梁，其跨径为200mm±0.5mm。试验在-10℃条件下进行采用低温弯曲破坏试验，通过测得混合料的抗弯拉强度、破坏弯拉应变，计算破坏时的弯曲劲度模量和临界状态下混合料的弯曲应变能，来评价再生沥青混合料的低温抗裂性。计算公式为：

，，

式中，b、h和L分别为跨中断面试件的宽度、高度和试件跨径，mm；Rε试件破坏时的抗弯拉强度，MPa；εB为试件破坏时的最大弯拉应变；SB为试件破坏时的弯曲劲度模量，MPa.试验结果如表1.2所示：

项目 试验温度 极限弯拉应变（με）

70#沥青 ﹣10℃ 1825

0.2%掺量外加剂 ﹣10℃ 2100

0.4%掺量外加剂 ﹣10℃ 2268

0.5%掺量外加剂 ﹣10℃ 2530

通过低温数据可以发现在提高沥青混合料高温性能的同时也能够保证高模量沥青混合料具有较好的低温性能。

结论

高模量沥青混合料在道路上的应用，可以有效的解决路面早期车辙病害的产生。延长道路的使用寿命。高模量沥青混合料以其优越的性能可以为我国建设资源节约型社会做出贡献。

参考文献：

[1] 陈佩茹.与性能相关的法国沥青混合料设计方法[J].中外公路, 2002,

[2] 沈金安.沥青及沥青混合料路用性能[M]. 北京:人民交通出版社, 2001.

[3] JTJ052 - 2000 ,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S]

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。