水对沥青混合料APA车辙的影响研究

2020-09-30杨嵩桥

山西交通科技 2020年4期

杨嵩桥

（山西路桥建设集团有限公司，山西太原 030006）

0 引言

随着对沥青路面损坏研究的不断深入，车辙防治已经成为当前的研究热点之一。为分析、评价沥青混合料的抗车辙性能，国内外研究人员建立了多种车辙试验方法，其中APA（Asphalt Pavement Analyzer）车辙试验以其可以真实模拟现场荷载情况的优点，近年来在国际上获得较为广泛的关注。谢军[1]等应用沥青路面分析仪APA对沥青混合料的水稳性进行试验研究，对APA浸水车辙试验结果进行了分析，提出了浸水车辙稳定度指标，并利用该指标比较了不同混合料的水稳性能。韩海峰[2]等采用APA方法研究了水作用下混合料试件永久变形的表现形式，指出APA测试条件、APA测试条件与试件预处理方式的交互作用、冻融循环次数是导致浸水车辙深度普遍大于干燥车辙深度的主要原因。张超[3]等通过APA试验研究揭示了级配中各档集料对其高温性能的影响规律,提出了各关键筛孔集料筛上剩余质量百分率的合理值，为骨架密实型沥青混合料设计提供了有价值的参考。张俊标[4]等利用数字图像处理技术对RLWT(Rotary Loaded Wheel Tester or Rutmeter)与APA车辙试验的加载模式进行了分析，通过量测RLWT试件、APA试件与原样试件中粗集料颗粒长轴与X轴夹角的差异,得出RLWT与APA车辙试验的加载模式存在较大差异的结论。曹丽萍[5]等采用APA进行室内试验模拟，对恒温、变温下的沥青混合料变形特性进行了研究，并分析了影响因素提出恒温下沥青混合料的变形曲线可以分为延迟弹性变形和黏性流动变形阶段，第2温度下的变形特性受荷载作用次数、荷载大小、温度、应力历史、间歇时间以及混合料自身特性的影响。薛忠军[6]等利用APA对应力吸收防水黏结层SAWI（Stress-absorbingWaterproof Interlayer）进行了性能试验，试验结果表明SAWI的疲劳寿命是普通沥青混凝土的3.32倍，SAWI结构表现出了优良的抗反射裂缝能力，SAWI具有低模量、高韧性、高黏性、防渗等优点，可以有效地延缓沥青路面的开裂。Xiao[7-8]等采用APA方法研究了不同沥青混合料的密实特性，分析了开级配磨耗层的抗车辙和抗水损害能力。Rushing[9]等利用APA、三轴静载蠕变和三轴重复荷载试验评估车辙敏感性，结果表明增加沥青混合料的流动时间、永久应变与APA车辙深度的相关性显著。Ali[10]等利用APA试验评价抗车辙性能，测试结果显示WMA降低了施工温度，可能会导致更多由于水分引起的损伤，以及更大的车辙变形。

2001年，NCAT(National Center for Asphalt Technology)评价了多种抗车辙性能评价方法，指出APA、HWTD(Hamburg Wheel-tracking Device)、FRT(French Pavement Rutting Tester)、旋转轮辙仪、三轴重复荷载试验、动态模量和侧向压力指示均能得出合理的抗车辙性能评价，但优先推荐采用APA车辙试验。目前，利用APA方法研究沥青混合料的抗车辙性能已经取得了很多成果，但是对于APA车辙试验方法的研究仍然不够，尤其对试验条件如何影响APA车辙试验结果缺乏足够的认识。因此，本文通过室内试验研究温度、水对沥青混合料APA车辙试验结果的影响，为APA车辙试验方法的进一步推广应用提供参考依据。

1 试件制备与试验方案

1.1 沥青混合料组成设计与试件制备

表1 壳牌70号基质沥青的技术性能

为了研究水对APA车辙试验的影响规律，结合我国公路项目，运用不同的材料组成，设计了4种AC-20混合料，2种AC-13的沥青混合料（分别为AC-20粗型改性沥青，AC-20粗型基质沥青，AC-20细型改性沥青，AC-20细型基质沥青，AC-13改性沥青，AC-13基质沥青）。采用壳牌70号基质沥青、SBS改性沥青2种沥青，其技术性能如表1、表2，均符合《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）技术要求。

表2 SBS改性沥青的技术性能

采用AC-20粗型、AC-20细型、AC-13等3种级配，分别与2种沥青进行拌和，制备6种沥青混合料。采用马歇尔设计方法确定最佳油石比，如表3所示。

表3 沥青混合料的设计级配与最佳油石比 %

根据上述材料组成设计结果，采用SGC（Superpave Gyratory Compactor）旋转压实仪成型φ150×75 mm的圆柱体试件，目标空隙率分别为4%和7%。

1.2 APA车辙试验方案

分别在干燥和浸水条件进行SGC圆柱体APA车辙试验。干燥状态下，采用空隙率为4%的试件进行APA车辙试验，试验温度为40℃、50℃、60℃。APA车辙试验是凹形轮通过一根充气橡胶管间接将力施加在试件上，本文研究中标准轮载为445±22 N，橡胶管标准充气压强为690±22 kPa，荷载轮运行频率为60 Hz，即60次往返/min。

浸水状态下，分别采用空隙率为4%和7%的试件进行试验，试验温度为50℃、60℃，荷载和胎压为445 N、690 kPa。试验前，均将试件放入APA试验机内，在试验温度下恒温6～24个小时，保证试件达到试验温度并且温度均衡。

图1 采用圆柱体试件进行APA车辙试验

2 试验结果与分析

2.1 干燥状态下温度对APA车辙的影响

干燥状态3种温度下，不同类型沥青混合料的APA车辙深度发展规律如图2～图4所示。结果表明，40℃空气浴、50℃空气浴、60℃空气浴3种试验条件下沥青混合料的高温性能按车辙深度大小排序趋于一致，即AC-20细型基质＞AC-13基质＞AC-20粗型基质＞AC-20细型改性＞AC-13改性＞AC-20粗型改性，由此可见改性沥青可以提高沥青混合料的高温性能。对比不同温度下的APA车辙试验结果可知，温度对车辙的发展影响非常显著。在40℃时，各种沥青混合料的车辙发展比较平缓，车辙比较小。50℃时的车辙是40℃车辙的2～3倍左右，60℃时的车辙是50℃车辙的1.5倍左右，是40℃时车辙的3～5倍。

图2 干燥状态40℃下沥青混合料APA车辙发展规律

图3 干燥状态50℃下沥青混合料APA车辙发展规律

图4 干燥状态60℃下沥青混合料APA车辙发展规律

2.2 浸水APA车辙的发展规律

不同温度和干湿状态下，4%和7%空隙率沥青混合料APA车辙深度发展规律如图5～图8所示。水浴条件下的APA车辙试验过程中，发现集料和沥青的界面经历了开裂、沥青片状剥落及沥青剥离的过程。这种集料与沥青黏附性的下降也导致沥青混合料结构稳定性的降低，较干燥条件下的APA车辙试验产生了更大的车辙。

图5 60℃水浴条件下沥青混合料APA车辙发展规律（4%空隙率）

图6 60℃水浴条件下沥青混合料APA车辙发展规律（7%空隙率）

图7 50℃水浴条件下沥青混合料APA车辙发展规律（4%空隙率）

图8 50℃水浴条件下沥青混合料APA车辙发展规律（7%空隙率）

定义车辙比为干燥车辙深度与浸水车辙深度的比值，车辙比越大，表明沥青混合料的水稳定性能越好。根据不同浸水条件下的APA车辙深度，计算了车辙比，结果如图9～图12所示。

分析结果表明，改性沥青混合料车辙比更大，它表现出更优的水稳定性能。主要是由于聚合物改性沥青的黏性较基质沥青的大，且存在较多的极性物质，并具有良好的润湿性。AC-13改性和AC-13基质由于使用了花岗岩这种酸性石料，较其他几种采用石灰岩混合料的水稳定性能较差，尤其以AC-13基质沥青混合料更为明显，车辙比最小，且60℃试验后车辙试件大量剥落，被压散。

对比不同碾压次数车辙比，可以看出随着碾压次数的增加，干湿状态对应的车辙比增大，水的影响逐渐减小。随着荷载轮的重复作用，沥青混合料更加致密，空隙率进一步减小，集料骨架的抗力增大，虽然孔隙水压力也有所增大，但相比于集料骨架抗力的增大幅度要小，所以水的影响是逐渐减小。同时还可以发现，25次和4 000次下的车辙比对混合料水稳定性能的排序都不稳定，8 000次荷载作用下的车辙比对混合料水稳定性能的排序较为稳定。因此，在水稳定性能评价试验中还要保证APA设备8 000次的碾压次数，不宜将25次、4 000次碾压次数得到的试验结果用于评价水稳定性能。