改性沥青混合料在长大纵坡路段的应用

程高峰

(山西路桥第二工程有限公司　临汾　041051)

改性沥青混合料在长大纵坡路段的应用

程高峰

(山西路桥第二工程有限公司临汾041051)

摘要为解决高速公路长大坡路段车辙病害严重的问题，结合工程实例，分别从机理分析、沥青混合料设计、室内车辙试验研究，以及现场效果分析等方面对掺加改性剂RA的沥青混合料抗车辙能力进行研究。结果表明，该工程改性剂掺量为0.35%时沥青混合料的抗车辙能力最优；现场试验后车辙平均深度均在2 mm以内，改善作用明显。

关键词RA抗车辙剂抗车辙性能现场试验

随着我国经济的快速发展，道路的交通量不断增加，重载现象越来越严重，交通的渠化现象也越来越普遍，造成道路在设计基准期之内就出现了严重的病害问题[1]，尤其是一些高温地区，车辙成为最常见且为最严重的路面病害，给我国经济和安全方面带来了负面作用。而在丘陵山区，经常有长大纵坡段，在这些地段更易出现严重的车辙现象。长大纵坡路段多为山区越岭线，路线高差大、连续下坡长度长、组合坡长与组合坡度大、且常使用极限半径、极限坡长与坡度指标，导致平纵组合设计线形差；而驾驶员在长大下坡段通常通过频繁制动来控制速度，加上复杂路况的影响，大大增加了驾驶员的负荷度，从而加大了事故发生的几率。因此，保证长大纵坡路段路面具有良好的行车舒适性具有重要意义。

工程实例，某高速公路位于三省交界处，修筑的道路是连接三地经济发展的重要公路，夏季会出现较长时间的高温天气，设计速度为80 km/h，全段路线桩号范围是K1+748.5~K8+670.4，全长6.861 9 km，由设计资料可知，最大的纵坡为4.9%，虽然最初设计时已经针对高温地区车辙预防采取了一定的措施，如通过增加车道的方法提高通行能力以扩大交通荷载的横向分布范围，但是在频繁交通量增加、重载现象严重、长大纵坡段地形限制，以及高温环境的综合作用下，仍出现严重车辙现象，缩短了道路的使用寿命，降低了道路的服务能力和安全性能。为了延长高速公路沥青路面在长大纵坡段的寿命，有效减少车辙的产生，提高道路的服务性能和安全性能，拟采用向混合料掺加RA抗车辙剂[2]的方式进行路面车辙性能的改善，文中分别从抗车辙剂机理分析、沥青制备、室内沥青混合料车辙试验和现场效果分析等方面进行分析。

1机理分析

1.1　车辙病害产生原因

长大纵坡纵向车辙现象严重，通过现场实地测量和资料显示，在深度方向的分布有着显著的特点，同时与重型车辆的爬坡过程中剪应力的变化有极大相关性。

(1) 在深度方向通过钻心取样，发现在3个面层中的车辙影响情况并不相同，而且最严重的不是上面层，而是中面层，上、中、下面层车辙永久变形平均比例分别为21%，52%和27%，故传统的仅以上面层的设计为最重要的控制原则是不科学的，在设计方面更应该注重中下层。

(2) 纵向爬坡过程，车是先减速后匀速，根据沥青材料的时温等效性，上坡时行驶速度较慢，增长了轮胎与路面的接触时间，加剧了沥青混合料在高温下的流动，增大了路面的永久变形。车辙变形较大的地方是坡度、坡长都较大的地方，且分布特点是先增长后平缓；同时在坡顶和坡底的车辙病害最严重。

1.2　RA改性机理

RA抗车辙剂能够改善沥青混合料的抗车辙能力[3]，主要表现在以下方面。

(1) 改善沥青表面性能。天然岩沥青和树脂类聚合物是RA抗车辙剂的主要成分，从元素角度看，其中N，S，O原子的含量大大增加，而这些原子与沥青的极性有很大的关系，这就提高了沥青的粘滞性和粘附力，从而增强其稳定性。除此之外，由于存在杂原子，使得沥青质和胶质之间有很强的吸引能力，使得沥青分子能够形成胶团结构，增强沥青与集料之间的吸附性，从而提高沥青混合料的抗车辙能力。

(2) 结构网状，加强约束。RA车辙剂结构的变化主要发生在沥青混合料的生产过程中，其与集料混合时，在挤压、剪切等作用下会均匀散开；当喷入沥青后会融进去一部分，最终在集料和沥青的交界处以特殊形态(丝状或扁平状)存在，在微观分析时可以视其为短纤维，同时其与沥青胶浆基体是以二相共存的,这样就形成了一种“纤维增强复合材料”，而这个过程中RA车辙剂的变形体就起到了加紧约束的作用，在破坏时要吸收大量能量，也就提高了高温状态下的抗流变性能和抗车辙能力。

2沥青混合料配合比设计

沥青混合料中掺加RA抗车辙剂后，组成部分主要包括沥青、集料(粗细)、矿粉，以及RA抗车辙剂，这些材料的来源和选择不同，会很大程度上影响最终沥青混合料的物理力学特性和路用性能。故为了保证混合料具有更好的抗车辙能力，必须保证集料具有良好的坚固性、棱角性、与沥青的粘附性；沥青胶结料必须具有良好的高温性能。主要从以下几个方面对材料的选择和技术标准进行控制。

2.1　沥青选用

沥青混合料的性能与沥青的性能和用量有着密切联系。由于沥青属于粘弹性材料，在高温时粘度和劲度较高，同时与石料之间的粘附特性也会增强，进而改善沥青混合料的高温变形能力，有效减少车辙病害。这里采用普通沥青A级70号道路石油沥青，参照《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[4]，沥青对应的技术指标见表1。

表1　70号石油沥青技术指标

2.2　集料选择

集料包括粗集料和细集料。为了得到优良的混合料高温性能，在选择粗集料时尽量采用坚硬的、多棱角的、粗糙的、颗粒接近立方体的集料，这样会增加集料与沥青的接触面积，有利于提高沥青与粗集料之间的粘附性，进而提高整体稳定性。细集料的洁净程度对粘附性的影响更大，其细度模量也会影响沥青混合料的高温性能和强度，也需要采用一定的技术指标进行控制。本研究采用的粗集料为石灰岩，具体技术指标见表2，细集料的技术指标见表3。

表2　粗集料质量技术指标

表3　细集料质量技术指标

2.3　矿粉选择

矿粉的主要作用是起到填充密实的作用，其既可以与沥青发生一定的反应，同时也可以增强胶结料的强度，对改善结合料的抗高温性能有很大的影响，故采用表4所列的技术指标对其进行控制。

表4　矿粉技术要求

2.4　混合料配合比设计

沥青混合料设计必须满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)的级配要求，同时严格控制9.5，4.75与0.075 mm关键筛孔通过率，保证混合料具有良好的骨架密实结构。由于RA抗车辙剂是为了改善抗车辙能力，在进行沥青和矿料混合的配合比设计时，要考虑到高温、重载的影响，最终结合工程实例，确定采用AC-20矿料级配，表5为具体级配，对应的级配图见图1。根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011)[5]相关规定采用马歇尔击实方法来确定最佳沥青用量，最终确定为4.3%，混合料指标检测结果见表6。

表5　筛分试验结果及规范要求

图1　级配曲线图

检测项目检测结果油石比/%4.3毛体积密度/(g·cm-3)2.443孔隙率/%4.58矿料间隙率/%22.4饱和度/%62.1稳定度/kN14.5流值/mm3.3

3室内车辙试验研究

对掺RA抗车辙剂的沥青混合料的高温性能的评价，通常采用室内车辙试验的动稳定度DS指标。该法采用模拟实际车轮荷载作用路面后形成车辙的方法，其效果较为可靠，操作方法简单。笔者采用4种方案进行对比试验：方案一是基质沥青混合料；方案二是掺加含量为0.2%RA的沥青混合料；方案三是掺加含量为0.35%RA的沥青混合料；方案四是掺加含量为0.4%RA的沥青混合料。

3.1　试验步骤

试验温度条件是60 ℃，采用的试件尺寸为长300 mm×宽300 mm×厚50 mm，分别对4种试验方案进行车辙试验，为确保结果的有效科学性，每个方案要做3次平行试验，最终取其平均值作为最终结果。试验温度的恒定是通过60 ℃恒温室实现的，要保持5~12 h。满足条件后，连同试模移置轮辙试验机的试验台中间部分，往返试验1 h记录变形量，形成自动记录的变形曲线。

3.2　动稳定度计算

根据车辙试验，自动记录变形曲线，读取45 min(t1)及60 min(t2)时的车辙变形d1和d2(准确至0.01 mm)，然后按照式(1)进行动稳定度计算。

(1)

式中：DS为沥青混合料的动稳定度，次/mm；d1为对应于时间t1的变形量，mm；d2为对应于时间t2的变形量，mm；C1为试验机类型系数，根据规范取1.0；C2为试件系数，根据规范取1.0；N为试件往返碾压速度，通常取42次/min。

3.3　实验结果及分析

按照式(1)计算，可将4种实验方案的试验结果列于表7中，同时建立各实验方案与稳定度之间的条形图表，具体见图2。

表7　4种改性方案车辙试验结果

图2　混合料高温车辙试验结果

由表7可见，掺加RA抗车辙剂的沥青混合料的动稳定度明显大于没有掺加的沥青混合料(即方案一)；比较方案二、三、四可知，随着RA抗车辙剂含量的增加，由0.2%增加至0.4%，动稳定度的变化趋势是先显著增加，后来有些下降，故RA的含量对沥青混合料的高温稳定性的影响较大，在所有的含量中，0.35%含量的动稳定度均值达到8 912次/mm，效果最优；而对应的在45 min和60 min时累积变形均值分别为1.413 mm和1.507 mm，这也是所有方案中的最小值，可见在沥青混合料中抗车辙剂掺量为0.35%较为科学合理。

4现场效果分析

由于现场试验效果与室内试验存在差异，为了进一步验证经RA改性后的沥青混合料的路用性能，在长大纵坡路段铺设RA抗车辙沥青路面的试验路段，试验路段的桩号范围是K3+400~K4+900，全长1.5 km。通过对试验路段7 d和14 d车辙平均深度的跟踪观测调查记录，最终试验结果见表8。

表8　试验路段平均车辙深度检测表

由表8可见，经过7 d现场试验后，左右幅的平均车辙深度分别为1.37 mm和1.43 mm，具有很好的抗车辙能力，其他方面没有任何病害。而在14 d后的现场试验，左右幅的平均车辙深度分别为1.56 mm和1.63 mm，路面保持良好的平整性，也表现出掺加RA抗车辙剂的沥青混合料能够有效提高路面抗车辙能力。

5结语

结合工程实例，为解决高速公路长大纵坡路段车辙病害严重的工程问题，分别从机理分析、沥青混合料设计、室内车辙试验研究以及现场效果分析等方面对掺加改性剂RA的沥青混合料抗车辙能力进行研究。研究结果表明：沥青混合料的抗车辙能力最优时抗车辙剂掺量为0.35%；现场试验后车辙平均深度均在2 mm以内，改善作用明显。本研究为相关工程问题提供了一定的改善思路。

参考文献

[1]沈金安，李福晋，陈景.高速公路沥青路面早期损坏分析与防治对策[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2]张业茂，郑木莲，胡光伟.掺加改性剂沥青混合料抗车辙性能研究[J].路基工程，2012(14)：77-81.

[3]杨红锁.抗车辙剂改性沥青混合料的试验研究[J].山西交通科技，2014(1)：5-7.

[4]JTG F40-2004公路沥青路面施工技术规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[5]JTG E20-2011公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京：人民交通出版社，2011.

Application Research on Asphalt Mixture with Modified

Agent in Highway Longitudinal Slope Section

ChengGaofeng

(Shanxi Road & Bridge Second Engineering Co., Ltd., Linfen 041051, China)

Abstract：To improve the rutting phenomenon in the long steep road, the asphalt mixture with modified agent method is provided. Based on an engineering project, the researches on mechanism analysis, asphalt mixture design, experimental study on indoor rut and field effect analysis and so on are made. The results show that when the rutting resistance of asphalt mixture is optimal, the mixing amount of rut agent is 0.35%. At the same time, the average depth of rut is only within 2mm, and the remarkable effects of the method are verified.

Key words:RA modified agent; rutting resistance; field test

收稿日期：2015-09-01

DOI 10.3963/j.issn.1671-7570.2015.06.036