沥青路面施工关键参数对抗车辙性能影响研究

2017-08-07朱长青

城市道桥与防洪 2017年7期

关键词：油石稳定度改性剂

朱长青

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司,湖北武汉 430023）

沥青路面施工关键参数对抗车辙性能影响研究

朱长青

（武汉市政工程设计研究院有限责任公司,湖北武汉 430023）

通过室内试验研究,分析了改性剂SBS掺量、油石比、压实度及空隙率几个施工关键技术参数对沥青混合料高温抗车辙性能的影响。结果表明,改性剂SBS的掺入能够大幅提升其抗车辙性能,压实度与沥青混合料动稳定度呈正相关,当沥青混合料具有最佳的油石比和合适的空隙率时,其高温抗车辙性能是最好的。

施工关键参数；SBS掺量；油石比；压实度；空隙率

0 引言

我国沥青路面普遍存在车辙病害的现象,尤其在夏季高温时段,许多新建高速公路沥青路面即出现严重车辙,如图1所示。在城市道路中,由于车流量大,经常造成拥堵,行车速度明显降低,尤其是公交车辆荷载较大,在站台段,车速减慢,车辆停车、启动频繁,形成很大的剪切力,产生了严重的车辙。例如,广州市中山大道快速公交（BRT）试验线工程在2010年2月通车,8个月后BRT全线站台段部分车站停靠点就发生了不同程度的早期破坏,经过局部性修补之后,至今仍然存在着严重的车辙及坑槽现象,如图2所示。

图1 高速公路收费站路面车辙

图2 广州BRT公交车停靠站路面车辙

沥青路面车辙、泛油等病害的出现会引起轮迹处沥青层厚度减薄,削弱面层及路面结构的整体强度,进而诱发坑槽、水损害等其它病害,危及行车安全,影响汽车行驶舒适性。因此国内外许多专家学者对沥青路面车辙的影响因素及防治措施都有比较深入的研究。长安大学杨博利用ABAQUS有限元软件,开展了不同路面结构组合的车辙试验,以此指导沥青路面的设计与施工[1]。孔祥杰等针对不同的沥青混合料及路面结构类型,分析了最大粒径、结合料类型、集料级配类型等对沥青路面车辙的影响[2]。栗培龙等通过汉堡车辙试验系统,针对AC-13、AC-16、AC-20三种混合料在40℃、50℃和60℃三种不同温度下的车辙试验数据,建立了沥青混合料车辙预估模型[3]。高联斌分别论述了国内常见四种车辙的形成原因,并根据沥青混合料及施工等方面,分析了其影响因素[4]。因此本文针对沥青路面施工过程中沥青混合料的几个关键技术参数——改性沥青SBS剂量、油石比、压实度、孔隙率,分析其对沥青路面车辙的影响。

1 试验原材料

本文从改性沥青SBS剂量、油石比、压实度、孔隙率四个方面,采用最常用的车辙试验,从施工方面对影响沥青路面车辙的主要因素进行分析研究。试验用沥青改性剂为热塑性丁苯橡胶SBS改性剂,其外观为白色条状,并采用阴离子聚合方法制作,基质沥青采用SK90#沥青,不同SBS掺量改性沥青的各项性能测试结果见表1。

试验用集料采用玄武岩,其主要性能测试结果见表2。

表1 不同SBS掺量的改性沥青技术指标

表2 玄武岩粗集料的主要技术指标

车辙板成型采用AC-13级配沥青混合料,各筛孔通过率见表3。

表3 AC-13级配通过百分率

试验仪器采用恒温式沥青混合料车辙仪,试验温度60℃,且保持试验精度在±1℃范围内,试验荷载为0.7 MPa,加载速度为42次/min。

2 试验结果分析

2.1 改性剂SBS掺量对抗车辙性能影响分析

按照上述试件成型方法,对不同改性剂SBS掺量的车辙板按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTG E20-2011）中T0719的试验步骤进行车辙试验。改性剂掺加剂量分别为3.5%、4%、4.5%,试验温度60℃,试验结果见表4,动稳定度与SBS掺量的变化关系如图3所示。

由表4及图3可知,随着改性剂SBS掺量的增大,动稳定度随着改性剂SBS掺量的增大而增大,但其增加速率有所降低；车辙板的45 min变形和60 min变形随着SBS掺量的增大都有所下降。可见SBS的加入对沥青混合料抗车辙性能的提高是显而易见的,但在实际使用过程中还需考虑沥青混合料的经济性,因此在兼顾混合料经济性的前提下,在实际使用中可适当增加改性剂SBS的掺量。

表4 不同SBS掺量的沥青混合料车辙试验结果

图3 动稳定度随改性剂SBS掺量的变化曲线

2.2 油石比对抗车辙性能影响分析

目前沥青混合料设计主要包括级配确定和最佳油石比的确定,因此在集料级配相对固定的情况下,油石比是影响空隙率、沥青饱和度等马歇尔技术指标的主要因素。沥青混合料设计目前主要采用体积设计法或体积分析法。经过多年的试验研究,沥青混合料的最佳油石比可采用式（1）确定。

式中:VMA为沥青混合料的矿料间隙率,%；Va为沥青混合料设计空隙率,%；Ra为沥青混合料相对密度；Rsb为集料平均毛体积相对密度,无量纲,按照式（2）确定。

式中:P1、P2～Pn为各种集料的配比,其和为100,相应的毛体积相对密度为R1、R2～Rn。

在实际配合比设计中通常采用比规范规定的最小矿料间隙率大1%的矿料间隙率。为此,可按式（3）进行最佳油石比的计算。

对基质沥青混合料采用马歇尔试验法确定最佳油石比。按照最佳油石比、最佳油石比±0.3配制三种沥青混合料,成型车辙板试件并进行60℃车辙试验,试验结果见表5,动稳定度与油石比的关系曲线如图4所示。

表5 不同油石比的沥青混合料车辙试验结果

图4 动稳定度随油石比变化的关系曲线

由表5及图4可知,当油石比在最佳油石比上下浮动时,动稳定度也有所变化。随着油石比增大,动稳定度下降,相比最佳油石比降幅达到9.7%；45 min变形和60 min变形在超过最佳油石比时,相对低于最佳油石比的有较大增加,增幅分别达到4.6%和5.5%,而在低于最佳油石比时,增幅仅为0.1%和1.7%。由此可知,在最佳油石比附近,较大油石比对动稳定度的影响要远大于较小油石比的影响。

2.3 压实度对抗车辙性能影响分析

对基质沥青混合料及改性沥青混合料分别在不同压实度下进行车辙试验,且变换不同的成型温度,试验结果见表6、表7,改性沥青混合料的动稳定度随压实度的变化曲线如图5所示。

表6 基质沥青混合料不同压实度下的动稳定度

表7 改性沥青混合料在不同压实度下的动稳定度

图5 改性沥青混合料动稳定度与压实度在不同温度下的关系曲线

由表6、表7及图5可知,不论是基质沥青混合料或改性沥青混合料,其动稳定度均随着压实度的增加而增大,即动稳定度与压实度成正相关,而压实度又与沥青混合料的成型温度相关。基质沥青在压实度从93.8%增大到95.9%时,动稳定度增长了4.3%；改性沥青混合料在压实度从93.7%增大到96.1%时,动稳定度增长了2.6倍。因此在沥青路面施工时必须首先选择合适的压实温度,尤其是改性沥青混合料切忌温度过低,其次路面压实必须达到相应的压实度要求。

2.4 空隙率对抗车辙性能影响分析

对AC-16级配进行调整,得到粗级配、合适级配和细级配三种不同空隙率的级配,见表8。分别按照三种级配成型基质沥青混合料车辙板,并进行车辙试验,试验结果见表9,三种级配的动稳定度对比图如图6所示。