重载交通柔性基层沥青路面的抗车辙性能

赵 若

（邢台市交通运输局，河北 邢台 054000）

0 引言

在我国道路路面施工中，半刚性基层路面因具有较强的承载能力，良好的整体稳定性以及耐久性等优点而被广泛采用，但随着在高等级公路中的深入应用，它的一些缺陷也逐渐暴露出来，主要问题就是温差造成的反射裂缝。为解决这一问题，在路面设计中引入了沥青稳定碎石柔性基层。其优点主要有：（1）沥青混合料对于水分的变化不敏感，不易受水损害，不易产生收缩开裂而使面层出现反射裂缝；（2）由于面层和基层材料结构的相似性，路面结构受力、变形更为协调；（3）同沥青面层一起构成全厚式沥青面层，从而使得整个沥青面层的修筑时间减少；（4）刚度相对较小，减少裂缝产生的几率。它在保持较高强度、刚度和优良的抗疲劳特性基础上，还能够有效抑制和减少沥青路面反射裂缝的产生，具有良好的路用性能。

由于车辙是柔性基层沥青路面主要破坏模式之一，也是在这种路面结构推广应用过程中最令人担心的问题之一。因此，研究沥青稳定碎石柔性基层路面在重载交通下的路用性能，验证柔性基层沥青路面的抗车辙性能，找出适合实际情况的沥青稳定碎石柔性基层沥青路面的级配设计方法，对于提高沥青路面的服务年限和使用质量具有极为重要的意义。

1 不同级配的组成

传统连续级配混合料强度主要是靠矿料与沥青的黏结力形成，其性能受气候环境影响较大，在高温下易出现高温车辙，若片面追求粗集料嵌挤作用，最粗集料部分含量过多，级配曲线最大筛孔附近曲线过于陡直，则混合料容易离析。参照东南大学杨群研究结论，采用密级配沥青稳定碎石的ATB—25和ATB—30级配组成见表1。

表1 ATB—25、ATB—30矿料级配组成

上述两种级配是在综合考虑混合料的结构特点和马歇尔参数的差异以及保持连续型级配特点基础上，经试验确定的最优配比[1-2]。下面将基于重交通荷载特点和沥青稳定基层的性能要求，对沥青稳定碎石基层的力学强度参数、高温稳定性、水稳定性等影响路用抗车辙性能的因素进行试验研究。

2 力学性能检测

2.1 劈裂试验

按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行劈裂试验（大马歇尔击实成型，试件尺寸为Φ152.4mm×95.3mm），针对两种级配采用韩国 SK的AH—70、中海AH—70和大港AH—50三种沥青，并按其各自的最佳油石比成型试件进行劈裂试验，不同沥青混合料的劈裂强度见表2。

表2 劈裂强度试验结果（单位：MPa）

从表2中的数据可知，密级配沥青稳定碎石基层的劈裂强度在1.179～1.769MPa之间，平均为1.474MPa。而水泥稳定基层90d的劈裂抗拉强度在0.48～0.87MPa之间，平均值为0.67MPa，二灰稳定类基层180d劈裂抗拉强度在0.52～0.80MPa之间，平均为0.72MPa[3]。可见，沥青稳定碎石基层的劈裂强度比半刚性基层劈裂抗拉强度大，是水泥稳定基层的2.2倍，是二灰稳定基层的2.1倍。

2.2 抗压回弹模量

采用大马歇尔击实成型试件进行混合料单轴压缩抗压回弹模量试验，不同沥青混合料的无侧限抗压强度试验结果见表3，抗压回弹模量试验结果见表4。

表3 无侧限抗压强度试验结果（单位：MPa）

表4 抗压回弹模量试验结果（单位：MPa）

从表4数据可知，沥青稳定碎石基层的无侧限抗压强度在6.17～10.21MPa之间，平均为8.19MPa。大于水泥稳定碎石（7d无侧限抗压强度在3～6MPa之间）和二灰稳定类基层（7d无侧限抗压强度在0.8～1.2MPa之间）半刚性材料强度，表明密级配沥青稳定碎石基层混合料具有较好的抗压性能；沥青稳定碎石基层的抗压回弹模量在1531～1725MPa之间，平均为1 628MPa。比水泥稳定类（均值为1 375MPa）和二灰稳定类（均值为1 351MPa）基层稍大，可见其具有较大的刚度。

2.3 水稳定性

进入沥青稳定碎石基层中的水分会使沥青的黏附性和沥青稳定碎石基层混合料强度降低，从而导致沥青稳定碎石基层及面层在车辆荷载作用下过早破坏。因此，对两种级配、三种不同沥青选用3.5%、4.0%的油石比进行浸水马歇尔试验，试验结果见表5。

表5 浸水马歇尔试验结果

从表5数据可知，不同级配、不同种类沥青的浸水马歇尔的残留稳定度相差不多，其浸水马歇尔的残留稳定度都在80%以上，大于规范规定的75%的要求。沥青稳定碎石基层混合料水稳定性较好。

2.4 冻融劈裂试验

以一定的油石比，采用大马歇尔击实法成型的圆柱体试件，击实次数为双面各75次进行冻融劈裂试验，结果见表6。

表6 冻融劈裂试验结果

由表6数据可得如下结论。

（1）级配、沥青均对沥青稳定碎石混合料的水稳定性有一定影响，ATB—25级配的冻融劈裂强度最大，ATB—30级配的冻融劈裂强度次之。黏性大、稠度高的沥青能提高沥青稳定碎石基层混合料的水稳定性。

（2）沥青稳定碎石基层混合料试验级配的冻融劈裂强度都接近或大于80%，表明沥青稳定碎石基层混合料具有良好的抗水损害能力。

综上所述可以得出，沥青稳定碎石混合料强度较高，高温稳定性和低温抗裂性均能够得到保证，水稳定性好，具有优良的路用性能。

3 高温条件下车辙动稳定度试验检测

在满足力学性能基础上，进行沥青稳定碎石基层混合料高温抗车辙试验检测。研究表明[3]，基层所面临的环境条件没有面层严峻，位于路面下10cm左右的沥青稳定基层，其温度已经低于气温，当气温过高，如达到23℃时，10cm下的温度可能高于气温，但不会相差太大，可以认为，较高温度下的沥青稳定基层的平均温度可以近似用气温来表示；另外路面下11cm处的最高温度一般低于45℃[4]，因此，本研究除了采用60℃温度外，还采用了30℃、45℃两个温度进行对比研究。车辙试件采用轮碾成型机成型，车辙试验机采用曲柄连杆驱动试验台的行走方式，试验轮往返碾压速度为42次/min，轮压采用0.7MPa。通过对轮碾成型试件取芯，测试芯样密度，来选定最终碾压次数。

3.1 不同混合料级配对车辙的影响

在60℃试验温度条件下，采用韩国SK的AH—70沥青进行车辙试验，测得9种不同级配（由细到粗） 下，ATB—25（1～5#） 和 ATB—30（6～9#）（前文所提级配分别为2#和7#）沥青稳定碎石基层混合料的动稳定度[5]（见图1）。

图1 不同级配沥青混凝土柔性基层稳定度结果

由图1可得如下结论。

（1）对于ATB—25试验级配，动稳定度的大小顺序为 2#级配＞3#级配＞4#级配＞5#级配＞1#级配。对于ATB—30试验级配，则为7#级配＞8#级配＞6#级配＞9#级配。动稳定度的大小顺序与级配粗细顺序并不一致，表明级配过粗和过细，动稳定度都会下降。可见，沥青混合料的级配与空隙率对其抗车辙能力有显著影响。

（2）形成骨架嵌挤结构的2#、3#、4#、7#、8#级配的动稳定比未形成嵌挤结构的5#、9#级配的动稳定度大40%左右，这表明对沥青稳定碎石混合料来说，级配粗集料形成嵌挤结构能大大提高其抗车辙能力。

3.2 不同混合料沥青含量对车辙的影响

对ATB—25和ATB—30级配，采用韩国SK的AH—70沥青，在不同沥青含量条件下的车辙试验结果见表7。

表7 不同沥青含量沥青混凝土柔性基层的动稳定度（单位：次/mm）

由表7可知，在相同温度条件下，沥青含量越高，动稳定度降低得越明显。

3.3 不同试验温度对车辙的影响

对两种级配在30℃、45℃、60℃不同温度条件下进行车辙试验，可知动稳定度随着温度升高而迅速下降，温度对不同级配的影响是不同的，ATB—30级配的动稳定度受温度影响比ATB—25级配更显著。对于ATB—25级配，30℃动稳定度是45℃动稳定度的1.64倍，是60℃动稳定度的2.65倍；对于ATB—30级配，30℃动稳定度是45℃动稳定度的1.68倍，是60℃动稳定度的3.51倍。

4 结论

综上所述，沥青稳定碎石基层混合料车辙试验的动稳定度与级配、沥青用量、温度等密切相关。现行《公路沥青路面施工技术规范》规定普通沥青混合料的动稳定度不应低于800次/mm，本文试验级配的动稳定度都超过了这个标准。因此，只要选用合适的级配及沥青用量，沥青稳定碎石基层混合料可以具有良好的高温稳定性，抗车辙性能十分显著。邢临高速公路在K0+000～K15+600段，进行了柔性基层沥青路面铺筑试验，选用沥青碎石用作上基层材料。经过几年观察，该路段车辙病害较其他路段无明显差异，后期养护成本较低，证明沥青混合料柔性基层抗车辙性能能满足高等级公路需要。

[1] 杨群，黄晓明.沥青稳定基层混合料变形性能试验研究[J].东南大学学报，2001，31（5）：48-53．

[2] 杨群，黄晓明.沥青稳定基层混合料设计方法研究[J].东南大学学报，2001，31（3）：44-47．

[3] 沙庆林.高等级公路半刚性基层沥青路面[M].北京：人民交通出版社，1998.

[4] 韩子东．道路结构温度场研究[D]．西安：长安大学，2001．

[5]David E Newcomb,Mark Buncher,Ira J Huddleston.Con⁃cepts of Perpetual Pavements[J].TRB Circular No.503:Per⁃petual Bituminous Pavements,2001(12)：4-11.