湿热地区AC-13型沥青混合料抗车辙性能试验研究

2017-01-10冯永平张洪刚岳爱军

湖南交通科技 2016年4期

冯永平，张洪刚，黄慧，岳爱军

(1.广西壮族自治区沿海公路管理局，广西钦州 535000；2.广西交通科学研究院广西道路结构与材料重点实验室，广西南宁 530007；3.广西公路技工学校，广西南宁 530023)

冯永平1，张洪刚2，黄慧3，岳爱军2

结合南方湿热地区普通公路沥青路面抗车辙技术性、经济性需求，基于普通公路沥青路面常用原材料，研究了3组不同级配类型的沥青混合料的车辙试验、浸水汉堡车辙试验及影响因素，试验结果表明：本文优化设计的粗型级配普通沥青混合料车辙试验结果大于1 500次/mm，橡胶沥青混合料车辙试验结果达到5 463次/mm；浸水汉堡车辙试验与标准车辙试验结果具有一致性，适用于湿热地区评价沥青混合料的抗车辙性能；实际工程中采用粗型级配施工时，应采用高温及时碾压和钢轮+胶轮组合的压实工艺。可为南方湿热地区沥青路面抗车辙技术研究、工程应用提供技术参考。

湿热环境；普通沥青；橡胶沥青；级配组成；抗车辙；浸水汉堡车辙；压实

目前，车辙病害仍是南方湿热地区沥青路面最主要的早期病害类型，沥青混合料抗车辙问题仍然未得到解决。国内外已有研究与工程应用中，采取了多种技术措施提高沥青混合料的抗高温性能，其中采用改性沥青是一项行之有效的技术措施，但采用改性沥青会增加工程成本，在普通公路中受建设资金限制影响，沥青路面仍以普通沥青为主。在广西，夏季高温突出且持续时间长、降水多对沥青混合料抗车辙性能要求较高，随着普通公路重载交通压力的逐年增加，普通公路沥青路面抗车辙问题越来越突出，普通公路对沥青路面重交通下抗车辙技术性、经济性需求更大。因此研究普通公路沥青路面抗车辙技术对保障路网运输顺畅，延长路面使用寿命，减少普通公路沥青路面建养、维修资金压力具有重要意义。

因此，本文以普通公路常用石灰岩、普通沥青、橡胶沥青为原材，研究了不同级配组成的沥青混合料车辙试验、浸水汉堡车辙试验，分析了影响沥青混合料抗车辙性能的主要因素，并提出了相对应的工程施工技术建议。

1 原材料试验

本文试验广西地区普通公路常用地方石材，集料采用石灰岩，填料采用矿粉，沥青采用70#-A级道路石油沥青、橡胶沥青。沥青及石灰岩集料的原材料检测指标如表1、表2、表3所示。

表1 70#-A级道路石油沥青检测指标类别25℃针入度/(01mm)软化点/℃15℃延度/cm老化试验质量变化/%残留针入度比/%残留延度/cm测试值6948>100-0461264技术要求60～80≥46≥100≤±08≥61≥6

表2 橡胶沥青检测指标类别180℃旋转粘度/(Pa·s)25℃针入度/(01mm)软化点/℃25℃弹性恢复/%5℃延度/cm测试值30366908290技术要求15～5030～60>65>75>5

表3 普通公路常用石灰岩常规试验指标结果集料规格/mm表观相对密度吸水率针片状含量/%压碎值/%粘附性/级10～1527730461372145～102758045———0～52755————

2 级配组成设计

根据广西地区沥青路面级配设计研究成果与工程应用经验，为保证沥青路面表面层的抗高温变形性能、抗滑性能等要求，以形成骨架嵌挤且密实的混合料结构为设计理念。以骨架密实型级配为目标，本文选择粗型密级配类型作为研究对象，级配组成中控制了9.5、4.75、2.36、0.075 mm等关键筛孔通过率，本文设计形成的2组AC — 13类粗型密级配曲线介于规范中值与规范范围下限之间，且级配②更接近级配范围下限，矿料组成中的粗集料比级配①更多。同时根据橡胶沥青技术特点，设计了一组橡胶沥青混合料级配作为对比。本文试验研究设计的3组不同的级配组成如表4所示。

表4 试验研究所用级配组成设计结果筛孔/mmAC—13/%RAC—13/%级配①级配②规范范围规范中值级配③规范范围规范中值16 100 100 100100100 100100 132952915 90～1009590590～100959575266068～8576565050～706047543035038～685331020～382923632025024～503721015～2821511823718515～3826513512～24180617013010～28191058～1813031311007～20135805～1495015103855～1510653～1170007563534～86452～745

3 车辙试验研究

根据马歇尔试验方法确定了3组不同级配类型沥青混合料的最佳油石比，按照最佳油石比分别制备车辙试件并进行60 ℃车辙试验，结果见表5。

表5 AC-13型沥青混合料的车辙试验结果混合料类型最佳油石比/%试件编号变形量/mm45min60minDS/(次·mm-1)试验值平均值SCv/%AC—13级配①(普通沥青)47130173291230223139345202133762405121812168141065AC—13级配②(普通沥青)471369441041535238154195165733488384617631652114169RAC—13级配③(橡胶沥青)57116491740690721383151248763174818854605546312581230(≥1000，≥2800)(≤20) 注：括号内值为相关技术要求。其中≥2800为改性沥青混合料车辙试验指标要求。

由表5可知：

1) 在3组沥青混合料类型中，采用橡胶沥青的RAC — 13型混合料抗车辙性能最佳，车辙试验结果达到5 463次/mm，说明橡胶沥青较普通沥青抗车辙性能得到大幅度提升。一是由于通过胶粉对基质沥青的改性，改善了沥青的温度敏感性，高粘度橡胶沥青提高了混合料的抗变形能力；二是橡胶沥青混合料采用类似间断级配形成了良好的骨架嵌挤结构，同时较高油石比形成了高粘度橡胶沥青胶浆，填充于混合料骨架结构之间，形成了稳定的骨架密实结构，从而使得橡胶沥青混合料具有优良的抗车辙性能。

2) 设计的2组粗型密级配普通沥青混合料的车辙试验结果良好，AC — 13级配①和级配②的车辙试验结果均能达到1 500次/mm以上，超过规范中对普通沥青混合料的车辙试验指标要求。

3) 虽然级配②采用了更粗的级配类型，具有更多的粗集料形成骨架以提供混合料所需的抗力，但级配②车辙试验结果略差于级配①的车辙试验结果。分析认为，这与两种级配的室内成型压实质量即试件的压实度和残余空隙率密切相关，级配①和级配②都属于粗型级配，但级配①形成的混合料结构更密实，混合料在荷载作用下更趋于稳定，则表现为级配①的车辙试验结果大于级配②的。

不同级配组成的车辙试件的密度如表6所示。

表6 车辙试件实测压实度和残余空隙率试样车辙试件毛体积相对密度沥青混合料最大理论相对密度压实度/%残余空隙率/%AC—13级配①2471256696337AC—13级配②2422256694456RAC—13级配③2411253395248

由表6可知：

1) 在室内碾压成型条件下，AC — 13级配①(偏细)的试件压实度最好，级配②(偏粗)的压实度较差，这与级配②较粗需要的压实功有关。

2) 级配粗细与碾压条件相关性大，因在室内时采用的轮碾机仅为钢轮反复碾压成型车辙试件，故偏粗型级配②车辙试件的空隙率偏大。

根据广西已有工程经验，在实际工程中多采用接近级配②的沥青混合料级配，施工中采用“钢轮+胶轮”的碾压组合，同时按照“及时、紧跟、高温、连续、慢压”的原则进行碾压，接近级配②的混合料也能获得良好的施工性能和施工质量。另外与高速公路常用耐磨耐压碎的玄武岩或辉绿岩等集料不同，普通公路多采用石灰岩，为减少钢轮反复碾压对石灰岩的磨损和压碎影响，增加胶轮碾压既能保证压实质量又能避免石灰岩集料磨损、压碎等问题。因此要保证偏粗型级配具有良好的压实质量需要高温压实和采用胶轮揉搓压实。

对3组类型的沥青混合料车辙试件进行了剖面，观测混合料级配的断面组成和集料分布状态，如图1、图2可看出，3组类型的沥青混合料均形成了良好的骨架、嵌挤、紧密接触的结构特征，粗细集料颗粒分布均匀，未出现明显的悬浮状态；但3种级配混合料的密实性有差别，AC — 13级配①和RAC — 13级配③的密实性良好，未见明显的空洞；级配②的试件在上表面1 cm范围内存在较多的连通空隙，但试件内部(1 cm以下)密实性良好，这与室内压实工艺条件相关。

级配① 级配②

图2 RAC — 13型橡胶沥青混合料车辙试件剖面图(级配③)

4 浸水汉堡车辙试验研究

汉堡车辙试验可用于重载交通路面沥青混合料抗车辙性能评价，采用汉堡车辙专用线性揉搓压实机将试件压实到7%±1%的空隙率，汉堡车辙试件实测空隙率结果如表7所示。

表7 汉堡车辙试件实测空隙率级配类型试件编号吸水率/%毛体积相对密度汉堡车辙试件空隙率/%AC—13级配①103242256203243352AC—13级配②105240165204240862RAC—13级配③105235271206235072

为更好地模拟湿热地区环境，本次试验采用50 ℃水浴4～5 h。考虑到我国沥青路面养护规范中要求当路面车辙深度≥15mm需要进行维修，因此采用产生15 mm的车辙变形时钢轮往返运动次数和蠕变斜率作为浸水汉堡车辙试验评价指标。蠕变斜率是指试件受到初始碾压或处于稳定碾压状态时的变形曲线在线性区间内变形斜率的倒数，是由每产生1 mm车辙经过的碾压次数反映的，该指标与我国沥青路面技术规范中的动稳定度(DS)表征意义相同。浸水汉堡车辙试验结果见表8。

表8 50℃浸水汉堡车辙试验结果对比级配类型15mm时碾压次数/次蠕变斜率(动稳定度)/(次·mm-1)AC—13级配①4500350AC—13级配②4000320RAC—13级配③145001100

由表8试验结果可知： ①达到相同车辙深度15 mm时，2组普通沥青混合料的浸水汉堡车辙试验指标相当，而橡胶沥青混合料的碾压次数远远大于普通沥青混合料，橡胶沥青混合料浸水车辙动稳定度是另外2组普通沥青混合料浸水车辙动稳定度的3倍，说明在浸水状态下(湿热条件)橡胶沥青混合料抗车辙性能明显优于普通沥青混合料的抗车辙性能。 ②由浸水汉堡车辙试验的蠕变斜率(动稳定度)结果可知，残余空隙率5%～7%的车辙试件经过4～5 h的50 ℃泡水基本处于饱水状态，并在此状态下进行50 ℃浸水车辙试验，与标准车辙试验(干燥状态下)相比，沥青混合料的蠕变斜率(动稳定度)结果大幅衰减，说明高温湿热作用对沥青混合料的破坏力更大，这与我国南方湿热地区沥青路面即使采用了改性沥青和骨架密实型级配等技术措施，沥青路面车辙病害仍然突出的重要原因之一。 ③浸水汉堡车辙试验指标15 mm时碾压次数和蠕变斜率与本文表5中标准车辙试验结果反映出的3组类型沥青混合料的抗车辙能力差异性一致。说明采用浸水汉堡车辙试验评价沥青混合料的抗车辙性能是合理的，尤其是在南方湿热地区高温与降水同时发生，沥青路面长期处于高温+水环境下，采用浸水汉堡车辙试验更能反映南方湿热环境下的沥青混合料抗车辙性能及其性能衰变规律，然而，目前我国尚未提出浸水汉堡车辙试验评价指标，值得进一步研究。