广西地区中面层沥青混合料高温稳定性能影响因素分析

陈显国

文章以目前广西地区常用的中面层沥青混合料的类型、中面层沥青胶结料的类型及指标、施工质量控制的均匀性为切入点，分析影响中面层沥青混合料高温稳定性的相关因素，并给出相关建议，为后续广西高速公路中面层结构类型选择、沥青胶结料的选择、施工质量均匀性控制提供参考。

广西地区;中面层;沥青混合料;高温稳定性;影响因素

U416.217-A-16-051-5

0 引言

沥青是由典型的粘弹性材料沥青胶结矿料及填料构成的材料，在高温和一定载荷下会发生流动变形，随着载荷次数的增加，流动变形不断累积，就会形成严重的车辙现象，影响路面的实用性和安全性。当下影响沥青混合料高温稳定性的因素有很多，主要可将其划分为内因和外因两种，而国内外研究都表明，在气温和载荷都难以控制的情况下，通过科学、合理地设计混合料，可以有效提高沥青混合料的高温抗车辙性能。本文从混合料角度分析了影响沥青混合料高温稳定性的因素，并通过不同类型沥青混合料的高温车辙试验，对比了各影响因素的显著程度，以此为沥青混合料的设计和施工提供依据。

1 工程概述

2014—2018年，广西高速公路以每年300～500 km里程的速度在增加，截至2018年年底，广西已通车高速公路里程达到5 563 km，而路面结构也趋于多元化。以中面层路面结构层为例，从最早开建的沥青路面高速公路路面结构形式可知，南友高速的沥青层结构形式为4 cmAK-13改性沥青混合料+5 cmAC-20普通沥青混合料中面层+6 cmAC-25普通沥青混合料下面层;百罗高速的沥青层结构形式为4 cmAK-13改性沥青混合料+5 cmAC-16普通沥青混合料中面层+6 cmAC-25普通沥青混合料下面层。因此，早期中面层大多采用普通70#道路沥青AC-20或AC-16混合料。从中期建成通车的高速公路可知，宜河和河都高速公路沥青层结构形式为4 cmAC-13C改性沥青混合料+6 cmAC-20C改性沥青混合料中面层+8 cmAC-25普通沥青混合料下面层（其中宜河路开展橡胶沥青ARAC-20混合料的中面层试验路铺筑，通车七年目前运营良好）。而近三年通车的项目，如吴大高速、贵合高速、南钦防改扩建高速、阳鹿高速、龙靖高速、河百高速等沥青路面中面层结构大多均采用6 cmAC-20C或GAC-20改性沥青混合料（其中河百高速进行耐久性高模量EME-14沥青混合料试验路铺筑）。总体来看中面层的结构形式从早期的普通沥青的AC-20、AC-16混合料正逐渐向高指标的SBS改性沥青AC-20C混合料、高性能橡胶沥青ARAC-20、高模量EME-14混合料发展。

中面层作为提供沥青路面抗车辙能力保证的承重层（相关研究表明路表5～7 cm以下位置承受的剪切力最大，最容易出现流动变形），采用何种材料、结构及如何控制施工均匀性，直接关系到后续整条高速路面抗车辙性能，因此有必要开展广西地区中面层沥青混合料的高温稳定性影响因素分析研究。结合目前广西高速公路常用的中面层沥青混合料的类型、中面层沥青胶结料的类型及指标、现场施工质量控制的均匀性指标，分析影响中面层沥青混合料高温稳定性的相关因素，并给出相关建议，为后续广西高速公路建设提供借鉴。

2 中面层沥青混合料高温稳定性能影响因素分析

2.1 不同类型的中面层沥青混合料高温稳定性能差异性

本次对比采用的中面层混合料结构类型有ARAC-20、AC-20C、GAC-20、EME-14这四种沥青混合料，四种沥青混合料均采用广西地区石灰岩集料，沥青（均为广西常用沥青品牌）分别为橡胶沥青[70#道路石油沥青+20%的40目橡胶粉+3%（综合助剂，含SBS改性剂、活化剂、交联剂、稳定剂等）]、SBS改性沥青（70#道路石油沥青+SBS掺量为4.5%）、10-20的硬质沥青（70#基质沥青与硬质沥青颗粒调和后，比例为75%∶25%）。首先对比三种沥青胶结料相关指标，其次对比四种混合料的级配、体积指标和高温稳定性能。

（1）三种沥青指标对比（见表1）

从表1三种沥青胶结料的指标结果和技术要求可知，三种沥青的指标要求各不相同，均满足相关规范要求，硬质沥青侧重于对针入度的指标控制（针入度偏小）;橡胶沥青侧重于三大指标的控制和180 ℃黏度的控制;SBS改性沥青侧重于三大指标的控制和老化后相关指标的控制。而且，广西地区在建的项目均提高了改性沥青软化点指标要求（大部分项目均要求>75 ℃），以确保路面高温稳定性能。

（2）四种混合料的级配对比（見表2）

从表2的四种混合料合成级配可知，20型的ARAC-20、AC-20C、GAC-20三种混合料均采用连续骨架嵌挤型的级配，粗骨料4.75 mm筛孔以上占比均在68%～70%左右，以减少由于级配不佳导致混合料高稳定性有所降低的情况;13型的EME-14属于法国体系的高模量沥青混合料，并不追求混合料的级配骨架，而采用高沥青用量、低标号的沥青，追求混合料的高模量和抗疲劳性能，最终确保混合料的高温稳定性能。

（3）四种混合料体积指标和高温指标对比（见表3）

从表3四种混合料的油石比、设计方法、体积指标、高温稳定性能可知，ARAC-20、AC-20C、GAC-20采用马歇尔设计方法确定相关油石比和体积指标，而EME-14采用旋转压实方式确定体积指标，且最低油石比确定采用丰度系数进行控制（最低丰度系数K≥3.4，油石比约≥5.4%）。整体高温稳定性能AC-20C和GAC-20基本相当，EME-14略好于ARAC-20，基本相当。由此可知，不同设计体系确定的中面层混合料高温稳定性能也是有所差距的，高性能、更耐久的混合料是发展方向，设计阶段可根据路段特性和路面性能要求，尝试不同结构类型的组合使用，以保证整体路面的高温稳定性能，减少后续养护运营成本。

2.2 不同指标沥青胶结料对中面层混合料高温稳定性能的影响

为进一步确认同一种沥青胶结料，不同指标要求下所拌制的混合料的高温稳定性能的差异性，对比采用统一的结构类型AC-20C，均采用SBS改性沥青（但沥青指标有所不同），集料均采用广西地区石灰岩集料且级配基本一致。

（1）沥青指标对比（见表4）

从表4的对比结果可知，选用广西两个项目采用的SBS改性沥青，分别为样品1和样品2，样品1的改性沥青软化点指标高于样品2的软化点指标10度，且通过SHRP沥青性能等级可知样品1的高温性能等级比样品2高出一个等级。

（2）混合料体积指标和高温指标对比（见表5）

从表5的对比结果可知，两种指标有所偏差改性沥青分别拌制的AC-20C沥青混合料的高温稳定性能还是有一定的差异，这也证明了提高部分高温指标可以改善改性沥青混合料的高温稳定性能。

2.3 施工关键控制指标对中面层混合料高温稳定性能的影响

施工控制水平着重关注级配和油石比的波动、现场压实的均匀性，因此本次对比采用现场切割车辙板的方式进行混合料的燃烧级配、油石比和车辙板的动稳定度试验，分析施工过程中级配、油石比、压实度控制对中面层混合料的高温稳定性能的影响。

试验方案如下：现场在中面层AC-20C施工摊铺机起步位置，设置好取样地点，分别按照距中央分隔带1.0 m位置、6 m位置、9 m位置分别切割40 cm×40 cm的车辙板试件，每一处取三块试件，然后加工成车辙板30 cm×30 cm标准试件（切割多余的条状试件用于测量毛体积密度，计算压实度），放入长30 cm×宽30 cm×高8 cm试模中，边部不紧密处用水泥浆填充密实后进行养护，在60 ℃下保温5 h，分批进行相关动稳定度试验。每一组动稳定度试验结束后，烘散车辙板，剔除切割骨料外露和中间碾压轮位置的混合料，分别进行燃烧级配和油石比试验。

不同取样位置的车辙板烘散后的混合料级配和油石比数据如表6所示。

从表6对比结果可知，三处取样点的车辙板烘散后的沥青混合料合成级配、油石比与设计值有一定的偏差（边部1 m处级配相对偏粗，油石比偏小;中部6 m处，级配偏细，油石比偏大;9 m处级配和油石比相对稳定），说明由于摊铺设备的性能，导致摊铺的整个断面混合料的均匀性有一定的偏差，存在一定离析，而离析的存在导致级配和油石比產生一定的变异。

不同取样位置的车辙板压实度数据和动稳定度试验数据见表7。

从表7的对比结果可知，三处取样点的车辙板数据均满足要求，但对于同一摊铺断面取样试验结果仍有很大的变异性，并且由于边部1 m处的压实度偏小导致动稳定度偏小（边部离析且欠压导致变形相对过大）;中部6 m处摊铺机中缝部位容易细集料堆积（造成级配偏细，油石比相对偏大，4.75 mm以上骨料偏少，难以形成较好的骨架结构）;距中部9 m处数据相对正常，与日常室内成型车辙试件进行动稳定度试验结果偏差较小。

3 结语

本文结合目前广西高速公路发展的状况和中面层混合料类型的发展情况，通过分析常用的各种不同结构类型中面层沥青混合料高温稳定性能差异、不同指标要求的沥青胶结料对中面层沥青混合料高温稳定性能的影响、施工关键控制指标对中面层沥青混合料高温稳定性能的影响，得出以下结论：

（1）AC-20C、GAC-20作为常用的中面层沥青混合料类型，整体高温稳定性能两者基本相当，高模量沥青EME-14混合料略好于橡胶沥青ARAC-20混合料。因此就中面层高温稳定性能而言，AC-20C、GAC-20相比高性能的橡胶沥青ARAC-20混合料和EME-14混合料仍有一定的差异。后续项目可结合路段特点和路面性能要求，选择不同结构类型的组合，以保证整体路面的高温稳定性能，减少后续养护运营成本。

（2）在中面层混合料结构类型确定的情况下，通过提高沥青部分指标要求（例如：要求提高软化点至75 ℃以上，PG性能等级须达到PG76-22），对于提高中面层沥青混合料高温稳定性能是有帮助的，但也不能一味提高高温指标，这样既不经济，也会导致混合料的其他指标衰减严重。

（3）油石比、级配、压实度作为施工控制的关键指标，对中面层沥青混合料高温稳定性能影响较大，因此需要提高摊铺机的铺筑性能和压路机碾压的均匀性，采用大功率、抗离析的摊铺机，减少施工环节导致的施工的不均匀性，同时采用智能压实手段控制碾压的均匀性。

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