高温多雨地区重载高速公路沥青路面沥青材料技术指标研究

2017-01-10钟梦武

湖南交通科技 2016年4期

关键词：延度针入度技术指标

钟梦武，唐明，任江

(1.湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410015； 2.湖南省大岳高速公路建设开发有限公司，湖南岳阳 414000)

高温多雨地区重载高速公路沥青路面沥青材料技术指标研究

钟梦武1，唐明2，任江2

(1.湖南省交通科学研究院，湖南长沙 410015； 2.湖南省大岳高速公路建设开发有限公司，湖南岳阳 414000)

针对高温多雨地区重载高速公路的常见病害情况，结合大量试验检测结果的统计分析，提出了适合于高温多雨地区重载高速公路沥青路面的沥青材料技术指标建议值。

高速公路；沥青路面；高温多雨；沥青材料; 技术指标

0 前言

我国现行的《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)对公路沥青路面所用沥青材料提出了系统的技术指标要求。但我国幅员辽阔，各地自然条件差异悬殊，技术水平、材料来源和经济条件也不尽相同，加之公路本身的交通条件，线型条件也各不相同，因而仅仅依据现行规范要求进行材料设计和使用材料，难以充分反映各地区各项目的具体情况，也就难免不出现一些质量问题。如动稳定指标DS，在生产实践中，许多高速公路上所用的沥青混合料的动稳定度已高于规范要求值很多，但车辙病害还是比较普遍，有些还很严重。还有水稳定性指标、渗水系数都满足规范要求的公路，都产生了较严重的早期水损害。当然路面病害的产生，与许多因素有关，如施工质量、路面结构组合、气候条件、交通条件等等。但生产实践证明，现行规范对沥青路面结构材料的技术指标要求，有些确实是欠妥和缺乏针对性的。对于象我省这样典型的高温多雨地区的重载高速公路而言，沥青路面破坏的主要形式为车辙、水损害和开裂。对于这些路面损坏，首先必须在结构组合设计中进行充分考虑，如我省的通常做法是，表面层采用SBS改性沥青SMA结构层，可很好地解决水损坏与疲劳开裂问题，并具有良好的抗车辙能力与延缓半刚性基层反射裂缝的能力；中面层采用抗车辙能力较强SBS改性沥青AC-20C；下面层也是采用抗车辙能力较强的ATB-25或AC-25C。但为了进一步提高路面的使用寿命，有必要对沥青材料提出合理的技术指标要求。本文针对高温多雨重载交通的使用条件，对高速公路沥青路面沥青材料的部分技术指标要求开展研究，力求有针对性地提出相对合理的技术指标要求值。

1 中、上面层沥青材料技术指标要求

根据对已通车高速公路的调研结果，对于象我省这样典型的高温多雨地区的重载高速公路，要有效控制车辙病害，同时兼顾抗裂和防止水损害，在沥青路面中、上面层中采用SBS改性沥青是很有必要的。调查结果表明，在交通量比较大，重车比较多的高速公路上，没采用SBS改性沥青的与只在上面层中采用改性沥青的，其车辙病害明显比在中、上面层中采用了双层改性沥青的要严重。如我省没有采用改性沥青的潭邵高速公路与仅在上面层中采用SBS改性沥青的衡枣高速公路(上面层还是抗车辙性能很强的SMA结构)的车辙病害，明显比超载、超重车明显要多得多(交通量也要大得多)的京港澳国家高速公路(G4)耒宜段(中、上面层均采用了SBS改性沥青)要严重得多。日本2001年《路面结构技术指针》中以塑性变形作为路面性能指标，对干线公路，采用道路石油沥青时，即使在级配和沥青用量上下功夫，动稳定度的上限约为1 500次/mm，但交通量在3 000辆/d以上时，动稳定度要求的下限约为3 000次/mm，故规定交通量在3 000辆/d以上时必须采用改性沥青，在3 000辆/d以下时，根据情况也需要采用改性沥青。2002年，NCAT试验路的试验表明，非改性沥青增加0.5%的油石比将使车辙增加54%，改性沥青的抗车辙性能对沥青用量的敏感性大为降低。但是，即使采用了双层改性沥青的高速公路，也有不少路段产生了较严重的车辙病害。其原因也许是多方面的，如施工质量问题、混合料级配问题、使用环境条件问题(如气温特别高、高温持续时间特别长，超重超载车特别多，长大上坡等等)、结构组合设计问题等等。可以肯定一点是，对于高温地区的特重交通高速公路，我国现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)对I-D级SBS改性沥青(我国大部分地区高速公路都选择I-D级)的软化点要求是明显偏低的。我省刚开始在高速公路上使用SBS改性沥青时，就将软化点指标提高到了70 ℃。我省最早使用SBS改性沥青是2001年在京港澳国家高速公路(G4)耒宜段，由于是第一次使用，SBS改性沥青生产单位对质量都非常重视，实际供应的SBS改性沥青的软化点绝大多数在80 ℃左右。尽管耒宜高速公路交通量很大，超载、超重车辆很多，受地形条件限制，线形也不好，存在长大纵坡与小半径弯道，但通车10多年来，除个别较短的路段外，并没有产生严重车辙病害，这与中、上面层都采用了软化点较高的SBS改性沥青有很大关系。

在我省这样的高温地区，夏天最高气温达到40 ℃左右，沥青路面温度达到65 ℃左右。参考美国Superpave研究项目的沥青结合料等级选择研究成果，经计算分析与路面温度实测试验结果，按路面温度应选择的沥青PG高温等级为PG-64或PG-70。对极高数量的重载交通，还应提高1～2个高温等级。Superpave研究成果中提出，设计标准轴载作用次数在1千万次至3千万次时(美国的标准轴载为80 kN)，应提高一个高温等级，设计标准轴载作用次数在3千万次以上时，应提高2个高温等级。本项目研究的对象是特重交通，按我国现行规范规定，特重交通是按2.5千万次标准轴载作用次数以上(我国的标准轴载为100 kN)，按我国现行的轴载换算公式换算成美国80 kN标准轴载，相当于(100/80)4.35×2.5=6.6(千万次)。按美国沥青协会AI的换算标准，也相当于6.1千万次。因此，对于我国的特重交通条件标准，沥青结合料应提高2个高温等级，即应采用PG-76或PG-82。考虑到超重、超载车辆较多与较严重的高速公路，行车速度也比较缓慢，产生车辙破坏的可能性会更大。因此，对于高温多雨地区的重载高速公路沥青路面中、上面层的沥青结合料的高温等级应达到PG-82。

大量的室内试验检测结果表明，SBS改性沥青的软化点低于70 ℃时，其高温等级是很难达到PG-82的。如软化点为68 ℃、针入度为58的某品牌SBS改性沥青，其高温等级仅达到PG-70。SBS改性沥青要达到PG-82的高温等级，一般来说，其软化点应在75 ℃以上。根据生产实践经验与大量的试验检测资料，也有必要对针入度、弹性恢复等指标做适当修改。软化点要求高，SBS的掺量必然要大，相应地，针入度会随之降低，弹性恢复随之增大。大量的不同品牌的SBS改性沥青的检测结果统计表明，弹性恢复达到90%是一点问题都没有。至于针入度，也是与车辙相关性很大的一个技术指标，针入度越小，抗车辙能力越强，只要基质沥青选用合适，针入度可以降至55以下。综上所述，建议用于高温多雨地区的重载高速公路沥青路面中上面层的SBS改性沥青的技术指标如表1所示。

表1 高温多雨地区重载高速公路沥青路面中上面层SBS改性沥青技术指标要求类别针入度(25℃，100g，5s)/(01mm)针入度指数PI延度(5℃，5cm/min)/cm软化点TR&B/℃运动粘度(135℃)/(Pa·s)闪点/℃要求值30～55(T0604)≥0(T0604)≥20(T0605)≥75(T0606)≤3(T0625)≥230(T0611)溶解度/%弹性恢复(25℃)/%离析，48h软化点差/℃TFOT后质量变化/%针入度比(25℃)/%延度(5℃)/cm≥99(T0607)≥90(T0662)≤25(T0661)≤±10(T0610)≥65(T0604)≥15(T0605) 注：表中括号内为试验方法。

2 下面层沥青技术指标要求

下面层或沥青稳定碎石基层所处层位较深，在夏季高温季节，其最高温度要比中、上面层要低，所承受的应力、应变也较小，我国高速公路上一般以采用70号沥青为主。调查发现，在超载、重载现象非常严重且夏季气温高的我省高速公路上，下面层的车辙变形也是不容忽视的。参见图1，为某高速公路车辙处下凹部位与上凸部位的钻芯对比图片。表2中列出了我省某高速公路产生车辙处的钻芯芯样厚度情况(表中同一测点处，下凹处与上凸处的钻芯位置邻近，相距60 cm左右)。通过对表中同一测点处凹、凸位置芯样厚度的对比，可以看出，下面层的变形量在车辙变形总量中所占比例是很大的。因此，在我省重载交通的高速公路上，下面层的高温稳定性也必须加以高度重视。

图1 下面层车辙变形对比图片

表2 车辙位置钻芯芯样变形情况对照表测点编号车辙深度/mm钻芯位置芯样厚度/cm上面层中面层下面层总厚度633下凹处335357143上凸处3867217744下凹处404640125上凸处405062151832下凹处453852135上凸处415765153946下凹处434046129上凸处534584182 注：路面设计结构(沥青面层部分)为上面层：4cm改性沥青SMA-13；中面层：5cm70号沥青AC-20；下面层：6cm70号沥青AC-25。

为增强抗车辙能力，国际上早就开始使用较稠的沥青，尤其是在中、下面层和沥青稳定碎石基层中。例如法国有2种基层：沥青结合料处治基层(GB)采用的沥青等级为35/50或50/70号；高模量沥青混合料HMAC(EMA)基层采用的沥青结合料是硬质沥青10/20或者15/25，20/30或35/50+改性剂(天然沥青、聚乙烯)。我国由于多方面的原因，在高速公路上使用的沥青针入度偏大，导致无论在南方，还是在北方，甚至在东北地区都出现了严重的车辙。近年来我国一些地方，开始在下面层中使用50号沥青，湖南省已在多条高速公路的下面层中使用50号沥青，目前已全面推广使用。在下面层中使用30号沥青也做了一些试验路。

毫无疑问，采用针入度较小的低标号沥青，其沥青混合料的高温稳定性肯定要好一些，但疲劳性能和抗裂性能相对较差。众所周知，我国高速公路沥青路面几乎是清一色的半刚性基层沥青路面结构。在半刚性基层沥青路面结构中，以往人们总误认为下面层产生的拉应力、拉应变在整个沥青层中是最大的，最容易产生疲劳开裂。其实不然，当各结构层之间的接触条件为完全连续时，沥青混凝土各层的底面都处于受压状态，按现行沥青路面设计方法，在半刚性基层沥青路面结构中，沥青层层底拉应力验算是毫无意义的。根据应力、应变的计算分析，沥青层层底的拉应变也是很小的。因此，在半刚性基层沥青路面结构中，下面层的疲劳性能是不需要作为主要问题过多考虑的。相反，在高温、重载条件下，路表面倒是存在较大拉应力，容易产生疲劳裂缝。调查表明，许多纵向裂缝就是从上往下开的，参见图2。这与粒料做基层的柔性路面结构不同，可以采用相对较硬的沥青。另外，从抗半刚性基层反射裂缝的角度来说，不是沥青软一点(即针入度大一些)就可以解决问题的。事实上，下面层的沥青软一点或硬一点，对半刚性基层沥青路面反射裂缝产生与否，或多少，影响不会很大(当然多少有一点)。要解决或减轻半刚性基层沥青路面的反射裂缝问题，主要还得从半刚性基层的级配、强度、施工工艺、养护等方面，以及设置应力吸收层，采用较厚的沥青层，结构中采用抗裂性很好的SMA结构层等方面采取措施。

图2 从路表向下开的纵向裂缝

大量的车辙试验结果表明，最大公称粒径为26.5 mm与19 mm的沥青混合料，采用50号沥青的动稳定度DS要比采用70号沥青的要高40%左右。湖南高速公路通常所用的AC-25与AC-20级配(如表3所示的级配范围中值)分别采用50号与70号沥青时，其动稳定度对比数据如表4所示。从总体上看，采用50号沥青比70号沥青动稳定度高了1 000左右。

表3 湖南高速公路通常所用的AC-25与AC-20矿料级配范围类别筛孔(mm)通过率/%3152651901601329547523611806030150075AC-25100100～9586～7076～6066～5054～3838～2632～2024～1418～1014～711～57～3AC-20/100100～9590～7576～6260～4642～3032～2225～1518～1014～711～57～3

表4 50号沥青与70号沥青动稳定度数据对比(次·mm-1)级配类型70号沥青50号沥青AC-25Pa=39%～41%2520，2625，22502423，2250，27393750，4375，33513500，3316，39382250，2100，23332032，2520，19093405，3298，35193000，3500，43152921，3177，21762423，2333，28643043，4013，32142739，3795，37952333，2172，25202325，2461，24143165，3050，31662118，1575，21532520，3000，27393987，3134，33692864，2423，30002625，2625，24303150，3316，37063150，2423，25201950，2342，22263150，3937，2739DS=2447(平均值)DS=3458(平均值)AC-20Pa=41%～43%2299，2124，23041642，1759，18913182，2930，30673058，3134，30001853，2100，14002281，1704，16302786，3150，28903351，2811，37282250，1750，24231556，1885，17283000，3316，25203408，2602，31501969，1750，13172022，2064，16882786，3500，24232680，2714，34541692，1843，19491812，1728，21902952，2764，22832755，3113，26602283，2571，20592104，2525，20181913，1851，19902218，2100，19871869，1744，1785DS=1947(平均值)DS=2972(平均值)

综上所述，从功能设计的角度上讲，下面层或沥青稳定碎石基层采用50号沥青比以往通常采用70号沥青，对高温多雨地区重载高速公路沥青路面是更为有利的。当然根据国内外的实践经验，采用30号沥青是完全可行的，只是我国目前30号沥青的供应量很少。

通过对我省几条高速公路所用几个厂家的102个50号沥青的三大指标检测结果(如表5)的统计分析，得到以下结论：

1) 只有一个样品的软化点低于A级沥青的要求49 ℃，合格率99.02%；

2) 针入度也只有一个样品超出40～60的范围，合格率99.02%；

3) 15 ℃的延度100%合格；

4) 10 ℃的低温延度只有27个样品符合A级沥青≥15 cm的要求，合格率只有25.96%；按B级沥青的要求，只有19个样品不合格，小于10 cm，合格率81.37%；

5) 针入度小于50的只有7个样品，仅占6.86%，也就是说针入度绝大多数介于50～60之间。

从上述的统计结果可知，50号沥青在针入度较大的情况下(即介于50～60之间)，10 ℃的延度尚很难满足规范对A级沥青的技术要求，就是B级标准，也有不少样品不能达标。如果针入度处于低值水平的话(即介于40～50之间)，10 ℃延度就更难满足要求了(本来规范对50号沥青的10 ℃延度要求就欠妥，有点偏高，与用于1 — 4区、2～4区的70号沥青的标准完全一样)。沥青生产厂家供应的50号沥青的针入度之所以绝大多数介于50～60之间，也就是想尽量满足规范对10 ℃延度的要求，这对沥青路面结构的高温稳定性是不利的。

表5 50号沥青三大指标检测结果一览表样品编号针入度/(01mm)软化点/℃延度/cm10℃15℃样品编号针入度/(01mm)软化点/℃延度/cm10℃15℃样品编号针入度/(01mm)软化点/℃延度/cm10℃15℃15649012>100355549010>100696049021>10025749012>100365349512>100704949511>10035749013>100375250013>10071495209>10045949514>100385449511>100725853015>10055350010>100395648519>100735754510>10065449012>100404849011>10074525009>10075649014>100415249512>10075534959>10085649014>100425449512>100765550011>10095649013>10043504959>10077544959>100105849510>100445250013>100785049511>100115849012>100455349512>10079445108>100125649012>100465249011>100805849515>100135749510>100475450012>100816049015>100145449016>100486050012>100825151510>100155549014>100495452014>100835751510>100165649015>100506052517>10084595009>100175549016>100515851524>10085554959>100186049015>100526050016>10086554959>100196149016>100536049518>100875351511>100205949013>100545849017>100885049015>100215449010>100556051516>100896049514>100225249511>100565449016>10090525109>100235450014>100576049514>10091585259>100245550012>100585549014>100925549011>100255549513>10059485057>100935549011>100265449013>100606049516>100945349511>100275949015>100616049516>100955549011>100285349512>100626049014>100965549510>100295950515>100636049514>10097584959>100305650513>100645949019>10098534909>100315449513>100656049020>10099554909>100325850016>10066504958>100100575009>100334949511>100675549015>100101524958>100345349515>10068485109>1001025749021>100

鉴于上述情况，对用于高温多雨地区重载高速公路沥青路面下面层的50号或30号沥青，建议可不提10 ℃延度的技术指标要求，只做实测记录，用于使用单位对沥青品牌的选择。对于50号沥青，应要求沥青厂家按40～50的针入度控制生产，进货验收检测可放宽至40～55。建议用于高温多雨地区重载高速公路沥青路面下面层的50号与30号沥青的技术要求见表6。

表6 高温多雨地区重载高速公路沥青路面下面层用50与30号沥青的技术要求类别针入度(25℃，100g，5s)/(01mm)针入度指数PI软化点TR&B/℃60℃动力粘度/(Pa·s)延度(15℃，5cm/min)/cm50号沥青40～55-18～+10≥49≥200≥8030号沥青20～40-18～+10≥55≥260≥50(T0604)(T0604)(T0606)(T0620)(T0605)延度(10℃，5cm/min)/cm蜡含量(蒸馏法)/%闪点/℃溶解度/%TFOT后质量变化/%针入度比(25℃)/%实测记录≤22≥260≥995≤±08≥63≤22≥260≥995≤±08≥65(T0605)(T0615)(T0611)(T0607)(T0610)(T0604) 注：表中括号内为试验方法。