譚建軍，鄧 松，龔明輝，丁千寧，熊子佳，吳文超

(1.南京市城市道路管理中心，江蘇 南京 210016;2.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 210016; 3.高性能土木工程材料國家重點實驗室，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著市政道路交通量逐漸增大，重載交通增多，在役瀝青路面的車轍病害問題日漸突顯。車轍是指在交通荷載的反復作用下，瀝青混合料由于抗剪性能不足而產生塑性流動的病害。環(huán)境和荷載是路面產生車轍的外部因素，混合料的瀝青性能、路面結構、骨料級配等因素是影響路面抗車轍性能的內部因素。車轍病害不僅影響行車的舒適性與安全性，還會減弱路面結構的整體強度。

為解決以上問題，近年來多名作者對瀝青路面高溫抗車轍性能展開研究。黃曉明等[1]采用環(huán)道試驗建立了車轍預估模型，并提出瀝青混合料配合比設計要同時兼顧材料的抗車轍能力與抗剪切流動特性。張登良等[2]發(fā)現(xiàn)高溫下瀝青混合料的變形與時間和溫度具有相關性，變形速率隨荷載作用時間增長而遞減，同時瀝青混合料的級配對其高溫抗變形能力有一定影響，開級配優(yōu)于密級配，但粗粒料過多不利于高溫性能的提高。郝培文等[3]考察了4種AC16型級配和1種OGFC級配瀝青混合料的抗車轍性能，結果表明同粒徑級配中粗顆粒骨料占比高可提高抗車轍能力。張爭奇等[4]探究了瀝青膠漿對瀝青混合料高溫性能的影響，結果表明粉膠比對瀝青高溫性能影響較明顯。蘇凱等[5]分析了形成車轍的影響因素，認為車轍主要是由瀝青混凝土的剪切流動變形造成，通常發(fā)生在表面以下10 cm范圍內，路面結構與材料類型都對抗車轍性能有影響。Lv等[6]使用26種不同瀝青混合料在50 ℃條件下進行漢堡車轍試驗(HWT)，發(fā)現(xiàn)油石比過大或過小都會造成車轍深度加大，且4.75 mm篩孔的通過率從20%增加到35%時,車轍明顯加深；當通過率大于41%時，混合料出現(xiàn)了離析；13.2～9.5 mm集料組成的骨架優(yōu)于9.5～4.75 mm集料組成的骨架。曾鋼[7]研究了冷拌半柔性路面的路用性能，結果表明其高溫抗車轍性能及抗水損害性能較好。

研究多集中于對傳統(tǒng)瀝青混合料高溫抗車轍性能的表征和分析，但半柔性路面作為一種新型的路面結構，其大空隙瀝青混合料基體在高溫時能否與剛性的漿料協(xié)同保持結構穩(wěn)定，卻少有研究?；诎肴嵝月访娌牧咸厥獾墓羌芙Y構，采用不同方法與傳統(tǒng)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能進行對比的研究，也鮮有報道。因此，本文對比分析了SFP13半柔性瀝青混合料與3種常見抗車轍型路面材料(AC20、Sup20、SMA13)的高溫性能。通過采用車轍試驗、動態(tài)模量試驗、單軸貫入試驗和斜剪試驗表征不同抗車轍型路面材料抵抗高溫變形的能力，為市政道路抗車轍路面組成設計提供依據。

1 原材料與級配

1.1 原材料

1.1.1基質瀝青

采用70#重交瀝青，其性能指標均滿足規(guī)范《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)[8]的要求。具體指標見表1。

表1 70#重交瀝青性能指標類別針入度(25℃)/0.1 mm延度(15℃)/cm軟化點/℃薄膜烘箱試驗(163 ℃/5 h)質量變化/%針入度比/%試驗結果6553.648.1<0.960測試方法T0604-2011T0605-2011T0606-2011T0610-2011T0610-2011

1.1.2SBS瀝青

采用SBS瀝青，其性能指標均滿足規(guī)程[8]的要求。具體指標見表2。

表2 SBS瀝青性能指標類別針入度(25 ℃)/0.1 mm延度(5 ℃)/cm軟化點/℃薄膜烘箱試驗(163℃/5h)質量變化/%針入度比/%試驗結果6225.454.1<168測試方法T0604-2011T0605-2011T0606-2011T0610-2011T0610-2011

1.1.3集料

所采用粗集料為玄武巖，細集料和礦粉為石灰?guī)r，其基本指標按《公路工程集料試驗規(guī)程》(JTG E42—2005)[9]進行測試，檢測結果表明集料與礦粉的性能均滿足《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》(JTG F40—2017)[10]的要求。

1.2 級配

采用的瀝青混合料級配如表3所示。不同級配混合料瀝青與改性劑類型、摻量見表4所示。

表3 瀝青混合料級配表混合料類型篩孔(mm)通過率 / %26.5191613.29.54.752.361.180.60.30.150.075AC2010094.387.777.763.037.823.017.514.411.18.04.7Sup2010097.590.882.469.444.226.416.412.17.95.84.7SMA13——100.090.063.629.920.417.816.314.713.211.5SFP13——100.077.016.38.07.36.35.75.14.53.8

表4 不同級配混合料瀝青與改性劑類型、摻量表混合料類型瀝青類型油石比/%改性劑類型及摻量(占瀝青混合料總質量)/%AC2070#4.2抗車轍劑0.3Sup20SBS4.3—SMA13SBS5.5木質素纖維0.3SFP13SBS3.5—

其中，SFP13為半柔性路面材料大空隙瀝青混合料基體，成型后需灌入專用的水泥基灌漿料(JGM-301)。

2 試驗結果與分析

2.1 車轍試驗

車轍試驗直接模擬了路面真實的車輪荷載作用，可有效地反映瀝青混合料抵抗塑性變形的能力。因此本文采用室內車轍試驗評定不同混合料的高溫穩(wěn)定性，試驗溫度為60 ℃和70 ℃，輪壓為0.7 MPa，車轍板尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，橡膠輪碾壓速度為(42±1)次/min。測試結果如表5和表6所示。

表5 60 ℃不同瀝青混合料動穩(wěn)定度值混合料類型車轍深度/mm45 min60 min動穩(wěn)定度(次·mm-1)AC201.2151.37 412 Sup200.8931.0035 727 SMA131.0151.1146 364 SFP130.2230.23552 500

表6 70 ℃不同瀝青混合料動穩(wěn)定度值混合料類型車轍深度/mm45 min60 min動穩(wěn)定度(次·mm-1)AC201.5521.6735 207 Sup201.4861.6144 922 SMA131.5451.6824 599 SFP130.2540.27137 059

由表5和表6可知，不同級配瀝青混合料在60 ℃時動穩(wěn)定度大小排序為：SFP13>AC20>SMA13>Sup20；在70 ℃時動穩(wěn)定度大小排序為：SFP13>AC20>Sup20>SMA13。與普通的柔性瀝青混合料相比，SFP13高溫動穩(wěn)定度值明顯較大，主要原因是在大空隙中灌入水泥基剛性材料后，SFP13兼具剛性和柔性，在高溫條件下固化的水泥基材料形成骨架結構限制了瀝青基體的流動，因此其車轍深度較小，動穩(wěn)定度較大，且SFP13受溫度變化影響的動穩(wěn)定度降低比例較小。

AC20動穩(wěn)定度值僅次于SFP13，這主要是因為AC20中加入了抗車轍改性劑材料?？管囖H劑為橡塑高分子聚合物，通過直投法加入到瀝青混合料中后，在瀝青混合料中產生嵌擠、加筋和增韌作用，從而增強了瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

在溫度為60 ℃時，SMA13的動穩(wěn)定度稍大于Sup20,溫度為70 ℃時，SMA13的動穩(wěn)定度稍小于Sup20。從動穩(wěn)定度降低比例上看(見圖1)，SMA13高于Sup20，其原因可能是在60 ℃時SMA13中的纖維和SBS瀝青相互作用，加之骨料嵌擠形成較大的抗剪強度，但當溫度升高到70℃時，瀝青與纖維流動性大幅增加，導致動穩(wěn)定度降低幅度較大。

圖1 不同級配瀝青混合料70 ℃時動穩(wěn)定度降低比例

2.2 動態(tài)模量

瀝青混合料是一種較為典型的黏彈性材料，兼具彈性和黏性，尤其在高溫荷載條件下，其變形特性更為復雜。瀝青混合料中，瀝青主要起黏結作用，是一種高分子非晶混合料，在荷載作用下變形特性具有時間、溫度依賴性；形成骨架的礦料能發(fā)生轉動和位移。因此，瀝青混合料的變形由瞬時彈性變形、黏彈性變形和黏流動變形組成。描述材料黏彈性性質的基本參數(shù)包括動態(tài)模量、蠕變柔量和松弛模量等。其中動態(tài)模量因測試方法簡單應用較為廣泛，規(guī)范也將其列為路面設計指標之一。本文使用通用UTM-30測試不同材料的動態(tài)模量，測試溫度為45 ℃，加載方式為半正弦波動態(tài)加載。試驗結果如圖2所示。

本系統(tǒng)數(shù)據采集以及插深控制單元包括微處理器、電源轉換電路、A/D轉換器、電機控制電路以及電平轉換電路。數(shù)據采集及插深控制單元原理框圖，如圖4所示。

圖2 不同級配瀝青混合料動態(tài)模量曲線

由圖2可知，在45 ℃條件下，當頻率大于5 Hz時，4種材料的動態(tài)模量有較明顯的差異；而當頻率小于5 Hz時，柔性瀝青混合料(AC20、Sup20、SMA13)的動態(tài)模量數(shù)值相差不大，這是因為在低頻加載條件下，黏彈性的瀝青混合料材料受荷載作用產生變形的時間效應并無太明顯差別。在全頻率下半柔性材料SFP13的彈性模量明顯較高，結合車轍試驗可知，在高溫時SFP13材料的變形較小，不容易產生流動變形。瀝青混合料的動態(tài)模量SMA13>Sup20>AC20，說明在動態(tài)軸向壓力作用下，SMA13的骨架作用能較好地分散荷載，具有較好的抵抗變形能力，Sup20較次之。而AC20為懸浮密實結構，動態(tài)模量最小。因此，動態(tài)模量與材料骨架結構有較大的相關性。半柔型材料SFP具有較大的動態(tài)模量，嵌擠型的混合料動態(tài)模量稍大于懸浮密實型材料。

2.3 單軸貫入試驗

我國的路面基層材料一般為半剛性材料，不易產生變形,車轍主要是由于面層瀝青混合料發(fā)生流動變形而產生。研究表明，面層瀝青混合料抗剪強度低是出現(xiàn)車轍病害的本質原因，因此，材料的抗剪強度對于評價材料的抗車轍性能十分重要。本文采用單軸貫入試驗對不同類型的瀝青混合料抗車轍性能進行研究。計算公式如式(1)和式(2)所示：

Rt=fTσp

(1)

式中，Rt為強度，MPa；σp為應力，MPa；fT為貫入應力系數(shù)，直徑150 mm試件fT=0.35；直徑100 mm試件fT=0.34。

(2)

式中，P為試件破壞時的極限荷載，N；A為壓頭橫截面面積，mm2。

試驗結果如圖3和圖4所示。

圖3 不同級配混合料貫入應力變形曲線

圖4 不同級配混合料貫入強度值

由圖3和圖4可知，貫入應力和貫入強度的大小規(guī)律一致，均為SFP13>SMA13>Sup20>AC20。單軸貫入試驗通常用來檢驗級配的合理性。SFP13的貫入強度值較大，是由于SFP中的瀝青骨架與水泥基材料形成的骨架相互嵌鎖，在荷載作用下雙網絡骨架結構能有效抵抗剪應力的作用。SMA13為間斷嵌擠型級配，也具有較好的抗剪能力，但由于其油石比較高，且空隙率較大，從應力-變形曲線可以看出，在高溫荷載條件下發(fā)生較明顯的位移，即存在一個壓密階段。而其他3種混合料則沒有壓密階段，直接進入了剪切荷載加載階段。

2.4 斜剪試驗

斜面剪切試驗的加載荷載從正應力和剪應力2個方向作用于瀝青混合料，符合車輛對路面剪切破壞的實際應力狀態(tài)[8]。根據《公路工程石料試驗規(guī)程》(JTJ 054—94)，最大抗剪強度計算公式如式(3)和式(4)所示：

(3)

(4)

式中，σn為試件剪切面上的正應力，MPa；τn為試件剪切面上的剪應力，MPa；P為加載荷載，N；A為試件抗剪切面積，取5 000 mm2；α為剪切角度，45°；f為滾軸滾動摩擦系數(shù)，取0.003。

60 ℃條件下不同級配材料的抗剪能力如圖5和圖6所示。

由圖5和圖6可知，破壞荷載與正應力、剪應力的趨勢基本一致。當破壞荷載大時，正應力與剪應力也相應較大。由計算結果可知，SFP13的強度較大，SMA13次之，AC20與Sup20的破壞應力相當，說明破壞應力與級配也有較大的相關性。SFP13雙網絡結構材料具有較好的抵抗剪切能力，其次是嵌擠型級配，如SMA13與Sup20。加了抗車轍劑的AC20抗剪效果與Sup20基本相當。

圖5 60 ℃條件下不同級配瀝青混合料剪切荷載值

圖6 60 ℃條件下不同級配瀝青混合料剪切應力值

3 結論

對比分析了SFP13半柔性瀝青混合料和3種常見的抗車轍型路面材料(AC20、Sup20、SMA13)的高溫性能，通過采用車轍試驗、動態(tài)模量試驗、單軸貫入試驗和斜剪試驗表征了不同抗車轍型路面材料抵抗高溫變形的能力。結論如下：

1)與普通的柔性瀝青混合料相比，SFP13高溫動穩(wěn)定度指標明顯較大，其車轍深度較小，且受溫度變化影響的動穩(wěn)定度降低比例較小。

2)瀝青混合料的動態(tài)模量值為SFP13>SMA13>Sup20>AC20。SFP13的彈性模量明顯較高，在高溫時SFP13材料的變形較小，不容易產生流動變形。

3)SFP13的貫入強度值和斜剪強度值均較大，半柔性材料的雙網絡結構材料具有較好的抵抗剪切能力。嵌擠型級配的抵抗剪切能力較次于雙網結構。

相比于常規(guī)瀝青混合料，半柔性路面材料SFP13的水泥-瀝青雙網絡結構表現(xiàn)出的各項抗車轍性能最優(yōu)、高溫穩(wěn)定性最好，因此,可以作為市政道路交叉口抗車轍典型材料進行應用。