基于国内车辙试验的Superpave沥青混凝土高温抗变形性能研究

刘 欢，肖 强

（1.湖北交投高速公路运营集团有限公司，武汉 430074；2.湖北交投智能检测股份有限公司，武汉 430100）

交通道路的面层主要有沥青路面和水泥路面2种形式，分别采用沥青混凝土和水泥混凝土铺筑。沥青路面因具有舒适度高、噪音低和易于维修等一系列的优点被广泛使用；水泥路面强度高、脆性大，在一些长期处于重交通的地方使用较多，如收费站，同时其也被广泛应用于农村道路的硬化工程中。因而，相比而言，沥青路面更适合在高等级公路中使用。

在设计沥青混凝土时，马歇尔设计方法和Superpave设计方法是2种常用的方法[1-2]。马歇尔设计方法因操作简便，且配套设备比较价廉，在国内被广泛采用；Superpave设计方法则是美国战略公路研究计划（SHRP）的重要成果之一[3-4]。沥青路面在建设时，主要靠压路机对沥青混凝土的揉搓、碾压作用成型路面。而马歇尔设计方法在设计沥青混凝土时，主要依赖于击实仪对混凝土的击实作用来成型沥青混凝土试件；而Superpave设计方法则依赖于能对沥青混凝土实施旋转揉搓效应的旋转压实仪来成型沥青混凝土试件[5]，因而这一过程较接近路面建设时的实际情况。另外，Superpave设计方法设计出的沥青混凝土性能非常优良。出于这几个方面的原因，近些年Superpave设计方法在国内一些高等级路面工程的建设中也得到了应用。

沥青是一种温敏性材料，因而车载作用使沥青混凝土在高温环境下有产生车辙破坏的潜能。例如，夏季沥青路面纵向上常见的坑槽就是沥青流变叠加车载破坏造成的。因此，在沥青混凝土的设计阶段及沥青路面服役过程中，检测沥青混凝土的高温抗变形性能是获得性能优异沥青混凝土及保障沥青路面服役性能的关键工作之一。根据我国现行的JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》[6]，采用普通车辙仪评价沥青混凝土的高温性能，而Superpave沥青混凝土的高温性能评价则通过与其配套使用的专用设备——汉堡车辙仪来完成。普通车辙试验方法和汉堡车辙试验方法的不同主要表现在试件成型方法和高温性能评价方法上。前者采用的是轮碾成型的沥青混凝土板状试件，后者则是采用的旋转压实成型的沥青混凝土圆柱体适当切割后拼接而成的试件；前者通过车辙深度和动稳定度指标评价沥青混凝土的高温抗变形性能，后者则通过变形曲线上蠕变段到剥落段的拐点对应的碾压次数SIP来评价沥青混合料的高温抗变形性能。

普通车辙仪最早由英国运输与道路研究试验所（TRRL）开发，目前国内许多设备厂商也能自行生产该类设备。该类设备不仅操作过程简单，而且价格便宜；汉堡车辙仪则需从国外进口，成本高且操作过程稍显复杂，在国内的使用还是受到限制。另外，JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》[7]对沥青混凝土高温性能的要求也是基于普通车辙试验提出的，所以在国内沥青路面工程建设及检测中，主要还是依赖于普通车辙试验结果来评价沥青路面的高温稳定性。考虑到Superpave设计方法设计的沥青混凝土不仅性能优越，而且与路面实际情况更符合，因而很有必要基于普通车辙仪设计一种适用于评价Superpave沥青混凝土高温性能的方法，以此来降低Superpave沥青混凝土的车辙试验成本。

1 原材料及试验方法

本研究采用的粗集料和细集料为玄武岩，填料采用石灰石矿粉，沥青为SBS改性沥青。采用Superpave设计方法和马歇尔设计方法分别设计沥青混凝土，使两者的合成级配尽量比较接近。普通车辙试验仪采用的模具尺寸为300 mm×300 mm×50 mm，马歇尔设计方法设计的沥青混凝土用于制备尺寸为300 mm×300 mm×50 mm的板状试件，作为对照组使用。

为与普通车辙试验仪的模具尺寸相匹配，制备Superpave沥青混凝土试件时，将直径为150 mm的旋转压实试件切割成厚度为50 mm的圆饼；再沿竖直方向对圆饼进行对称切割，保证2切割面间的距离为100 mm；按照类似的操作制备3个沥青混凝土块，在模具中将其拼接在一起，周围空隙采用水泥混凝土填充；待水泥混凝土固化后，即完成普通车辙试验用Superpave沥青混凝土试件的制备，如图1所示。车辙试验过程：采用宽度为5 cm的钢轮沿沥青混凝土试件表面中部区域持续往复碾压1 h；按照式（1）计算动稳定度。采用的试验温度为50℃、60℃、70℃；采用的胎压为0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa。

图1 普通车辙试验用Superpave沥青混凝土试件的制备过程

式中：DS为动稳定度，次/mm；l60和l45为轮碾压时间分别为60 min、45 min时，沥青混凝土试件的最大车辙深度，mm。

2 结果与讨论

沥青在常温下虽然是固体状态，但其是一种温敏性的材料，随着温度的升高，其流变性质逐渐加强，变得易流淌；同时在车载的作用下，沥青路面会产生不可恢复的永久变形。这种变形破坏会随着路面温度和车载的升高进一步变得严重。因而本研究可以结合这一被公认的变化规律，以常规板状试件的车辙试验结果为参考，分析采用本研究中设计方法成型的Superpave沥青混凝土试件是否表现出与常规车辙试验结果类似的变化规律，以此判断本研究提出的试件制备方法是否适用。

沥青混凝土2类试件在不同温度及不同轮碾压力下的动稳定度结果分别如图2和图3所示。可见，不管是采用常规方法制备的板状沥青混凝土试件还是采用改进方法制备的Superpave沥青混凝土试件，两者动稳定度均随测试温度和胎压的升高而快速减小。说明沥青混凝土抗变形能力对温度和荷载非常敏感。

图2 常规板状试件的动稳定度试验结果

图3 Superpave沥青混凝土试件的动稳定度试验结果

具体来看，当测试温度从50℃升高至70℃时，在0.7 MPa胎压下，常规板状沥青混凝土试件的动稳定度从5 120次/mm下降至2 410次/mm，下降了约53%；在0.8 MPa下，动稳定度则从4 165次/mm下降至1 812次/mm，下降幅度约为56%；在0.9 MPa下，动稳定度则从2 906次/mm下降至1 204次/mm，下降幅度约为59%。可见随着胎压的增加，动稳定度下降幅度也在逐渐上升。整体上来看，当温度和胎压分别达到70℃和0.9 MPa时，相比温度为50℃、胎压为0.7 MPa时的起始状态，沥青混凝土的动稳定度衰减了76%，下降幅度非常显著。这进一步支撑了沥青混凝土抗变形能力对温度和车载变化十分敏感的结论。

对于采用改进方法制备的Superpave沥青混凝土试件，如图3所示，在相同试验条件下，其动稳定度总小于常规板状沥青混凝土试件；但其动稳定度随温度和胎压的变化趋势与常规板状试件相类似。当测试温度从50℃升高至70℃时，在0.7 MPa胎压下，Superpave沥青混凝土试件的动稳定度从3 805次/mm下降至1 912次/mm，下降了约50%；在0.8 MPa下，动稳定度则从3 309次/mm下降至1 196次/mm，下降幅度约为64%；在0.9 MPa下，动稳定度则从2 211次/mm下降至608次/mm，下降幅度约为73%。其动稳定度下降幅度同样表现出随胎压增加而快速拉大的特点。综合温度和胎压2方面的变化来看，当温度升高至70℃、胎压增加至0.9 MPa时，Superpave沥青混凝土试件的动稳定度相比温度为50℃、胎压为0.7 MPa的初始状态降低了84%。动稳定度的衰减程度高于普通板状沥青混凝土试件。

对于常规方法制备的沥青混凝土和改进方法制备的Superpave沥青混凝土，2类试件的车辙变形特征与动稳定度的变化规律非常相似，如图4和图5所示。具体来看，在相同的试验条件下，Superpave沥青混凝土试件的最大车辙深度总大于常规板状沥青混凝土试件。当温度升高至70℃、胎压增加至0.9 MPa时，常规板状沥青混凝土试件的车辙深度相比温度为50℃、胎压为0.7 MPa的初始状态提高了4.9倍；Superpave沥青混凝土试件的车辙深度则提高了3.9倍。不同于动稳定度的衰减程度，Superpave沥青混凝土试件的最大车辙深度增加幅度要小于常规板状沥青混凝土试件。

图4 常规板状试件的车辙深度试验结果

图5 Superpave沥青混凝土试件的车辙深度试验结果

3 结论

车辙试验结果表明，对于采用改进方法制备的Superpave沥青混凝土试件，在相同试验条件下，虽然试件具体的动稳定度和车辙深度不同于普通的板状沥青混凝土试件。但Superpave沥青混凝土试件的车辙试验结果依然能正确反映出温度和车载压力大小对沥青混凝土高温性能的影响规律。证明本研究设计的适用于国产车辙试验的Superpave沥青混凝土试件制备方法是有效的。