張含偉

(四川交投設(shè)計(jì)咨詢(xún)研究院有限責(zé)任公司， 成都 610041)

截止2021年底，中國(guó)高速公路通車(chē)總里程達(dá)16萬(wàn)km，穩(wěn)居世界第一。瀝青路面因具有良好的平整度、行車(chē)舒適性、養(yǎng)護(hù)維修方便等優(yōu)點(diǎn)，已成為我國(guó)高速公路路面主流修筑類(lèi)型。但在極端惡劣氣候、超載、重載車(chē)輛等綜合作用下，瀝青路面常在運(yùn)營(yíng)初期就出現(xiàn)較為嚴(yán)重的車(chē)轍狀況，對(duì)路面造成不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)性損壞，對(duì)路面行駛質(zhì)量產(chǎn)生較大影響，降低行車(chē)舒適性和安全性[1-2]。

路面車(chē)轍產(chǎn)生的根源是在輪載作用下，非均布荷載在路面面層內(nèi)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力，一旦材料承受的剪應(yīng)力大于或接近于其本身的抗剪強(qiáng)度，材料將會(huì)出現(xiàn)剪切破壞或剪切疲勞破壞。瀝青混合料是一種典型的流變性材料，它的強(qiáng)度和勁度模量隨著溫度的升高而降低。因此瀝青混凝土路面在夏季高溫與重載交通的綜合作用下，會(huì)在輪跡帶處形成逐漸下凹、兩側(cè)鼓起的“車(chē)轍”。根據(jù)形成原因，車(chē)轍主要分為3種類(lèi)型[3]：1) 結(jié)構(gòu)性車(chē)轍：是指土路基、(底)基層、瀝青面層等結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度不夠引起的永久變形。特點(diǎn)是寬度比較大，兩側(cè)沒(méi)有隆起，橫斷面呈凹陷；2) 失穩(wěn)性車(chē)轍：是指瀝青面層進(jìn)一步被壓實(shí)及側(cè)向流動(dòng)的變形，這種變形主要發(fā)生在重載車(chē)輛車(chē)輪經(jīng)常作用的部位。其特點(diǎn)是車(chē)輪作用的部位下陷，兩側(cè)向上隆起，看似一種槽溝；3) 磨損性車(chē)轍：這種車(chē)轍多是人為因素造成的。比如在雨雪天氣里，一些車(chē)輛為防止輪胎打滑，在車(chē)輪上加防滑鏈或使用鍍釘輪胎，導(dǎo)致磨損性車(chē)轍出現(xiàn)，多發(fā)生在我國(guó)北方寒冷地區(qū)。

目前抗車(chē)轍的方法主要有以下3類(lèi)：1) 使用硬質(zhì)瀝青或改性瀝青，比如橡膠類(lèi)(如SBR、CR)、橡膠塑料類(lèi)(如SBS)、樹(shù)脂類(lèi)(如PE、EVA)和SBR膠乳等。該類(lèi)方法的主要缺點(diǎn)是改性劑與瀝青相容性差、容易分層離析、施工和易性差、施工不易控制；2) 調(diào)整瀝青混合料的礦料級(jí)配：該類(lèi)方法典型代表是瀝青馬蹄脂碎石SMA混合料廣泛應(yīng)用，SMA屬于骨架-密實(shí)型間斷級(jí)配，礦料之間的嵌擠作用明顯，對(duì)混合料抗車(chē)轍性能的貢獻(xiàn)度可達(dá)到60；3) 采用瀝青混合料添加劑：外摻添加劑使用及存儲(chǔ)方便，品質(zhì)保證時(shí)間久、施工方便。本文采用布敦巖瀝青(BRA，Buton Rock Asphalt)作為添加劑，與SBS改性瀝青混合制成高灰分復(fù)合改性巖瀝青，應(yīng)用于路面瀝青混合料中，起到改善路面抗車(chē)轍性能的作用。

1 高灰分復(fù)合改性巖瀝青混合料制備

1.1 高灰分天然巖瀝青

布敦巖瀝青(BRA)是一種天然瀝青，原產(chǎn)地為南太平洋印度尼西亞蘇拉威西省東南部布敦島(BUTON)。形成機(jī)理是石油滲透到巖層中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期沉積后，在高壓和地質(zhì)運(yùn)動(dòng)中逐漸形成的瀝青巖，顏色多呈淺褐色粉末狀，其中瀝青含量約為20%～30%，其余為石灰?guī)r類(lèi)礦物質(zhì)。布敦巖瀝青最大粒徑小于3 mm，不僅細(xì)度很細(xì)，而且吸收瀝青的能力相當(dāng)好，稱(chēng)為瀝青活性劑[4-5]。

由于布敦巖瀝青中含有大量石灰?guī)r類(lèi)礦物質(zhì)和適量的瀝青，這種“油”+“巖”的特殊組成使其具有瀝青和集料的雙重功能，且此種巖瀝青中石灰?guī)r灰分比例達(dá)到65%～75%，屬于高灰分天然巖瀝青，瀝青與灰分的相互作用，使得界面穩(wěn)定，使用性能提高。普通瀝青與集料的粘結(jié)界面和高灰分天然巖瀝青與集料的粘結(jié)界面如圖1所示。通過(guò)圖1可以看出，高灰分天然巖瀝青中的灰分可充當(dāng)?shù)V粉，通過(guò)改善瀝青膠漿性能，從而改善瀝青與集料的粘結(jié)界面，這樣可有效提高瀝青混合料的抗車(chē)轍性和抗老化性能[6-12]。

(a) 普通瀝青與集料的粘結(jié)結(jié)構(gòu)

1.2 高灰分復(fù)合改性巖瀝青

為了全面了解高灰分復(fù)合改性巖瀝青的性能，將改性瀝青Sup20、外加劑高模量EME-14、成品硬質(zhì)瀝青高模量EME-14、復(fù)合高模量EME-14與高灰分復(fù)合改性巖瀝青BRAC-20分別從設(shè)計(jì)方法、技術(shù)目標(biāo)、級(jí)配特征、現(xiàn)場(chǎng)空隙率、瀝青用量等方面進(jìn)行比較，各種改性瀝青的性能對(duì)比主要是通過(guò)動(dòng)穩(wěn)定度和15 ℃、10 Hz下的動(dòng)態(tài)模量體現(xiàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 不同改性瀝青對(duì)比

由表1可知，在幾種改性瀝青中，改性瀝青Sup20的15 ℃動(dòng)態(tài)模量最低，其動(dòng)穩(wěn)定度處于中等程度；不同類(lèi)型的高模量EME-14的15 ℃動(dòng)態(tài)模量均較高，但其動(dòng)穩(wěn)定度較低；而高灰分復(fù)合改性巖瀝青BRAC-20的動(dòng)穩(wěn)定度和15 ℃動(dòng)態(tài)模量都較為均衡，二者兼顧。因此，本文擬采用高灰分復(fù)合改性巖瀝青BRAC-20來(lái)制備瀝青混合料，并研究其性能。

1.3 BRAC-20瀝青混合料設(shè)計(jì)

由于布敦巖瀝青自身具有一定的瀝青含量和高礦物質(zhì)的特殊性，在進(jìn)行瀝青混合料級(jí)配設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮對(duì)級(jí)配和瀝青用量的影響[13]。按照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40—2004)[14]的要求，采用室內(nèi)馬歇爾方法進(jìn)行AC-20瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)。BRA改性劑采用“干法”外摻，摻量為礦物集料質(zhì)量的2.5%～4%，瀝青采用SBS改性瀝青。針對(duì)BRA改性瀝青混合料的特殊性，其試件的成型溫度控制條件為：集料190 ℃～200 ℃，拌和180 ℃～185 ℃，擊實(shí)160 ℃～165 ℃，常溫狀態(tài)不加熱。先將BRA和集料干拌30 s，使得BRA均勻分布在礦料中，然后將SBS改性瀝青按照預(yù)定用量加入，拌和90 s，之后加入礦粉，再拌和90 s。

通過(guò)上述試驗(yàn)方案，巖瀝青中的灰分可替代部分礦粉、細(xì)集料以及瀝青，充分發(fā)揮高灰分的作用，增強(qiáng)膠漿的粘附性和高溫穩(wěn)定性，混合料設(shè)計(jì)還應(yīng)符合表2中技術(shù)指標(biāo)要求。

表2 相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求

2 BRAC-20瀝青混合料性能評(píng)價(jià)

為評(píng)價(jià)BRAC-20瀝青混合料性能，對(duì)比分析了4種不同類(lèi)型的瀝青混合料：70#基質(zhì)瀝青AC-20、SBS改性瀝青AC-20、BRA改性BRAC-20、BRA復(fù)合改性BRAC-20，并分別對(duì)不同類(lèi)型試件進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)、浸水馬歇爾試驗(yàn)、凍融劈裂試驗(yàn)[15]與動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)。

2.1 車(chē)轍試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)。采用室內(nèi)成型車(chē)轍板，試件尺寸為300 mm×300 mm×50 mm，試驗(yàn)溫度為60 ℃，試驗(yàn)輪接地壓強(qiáng)0.7 MPa，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同類(lèi)型混合料動(dòng)穩(wěn)定度測(cè)試結(jié)果

由圖2可以看出，BRA與SBS復(fù)合改性后的混合料動(dòng)穩(wěn)定度達(dá)到8 000次/mm以上，抗車(chē)轍性能得到明顯提高；普通基質(zhì)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度小于2 000次/mm，而B(niǎo)RA改性瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度為4 000次/mm，不及SBS改性瀝青混合料。由此可見(jiàn)，通過(guò)BRA與SBS復(fù)合改性后瀝青混合料的動(dòng)穩(wěn)定度大幅度提高，主要是因?yàn)锽RA中的高灰分與SBS改性劑相互作用，減少礦粉用量，一定程度上提高了瀝青與集料的粘結(jié)性，使得混合料在高溫下的抗車(chē)轍性能提高。

2.2 浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)混合料的抗水損壞能力，進(jìn)行浸水馬歇爾試驗(yàn)和凍融劈裂試驗(yàn)。馬歇爾試件采用雙面各擊實(shí)50次成型，試驗(yàn)結(jié)果如圖3和表3所示。

(a) 浸水馬歇爾穩(wěn)定度

從圖3可以看出，采用BRA改性的瀝青混合料的浸水馬歇爾穩(wěn)定度和劈裂強(qiáng)度均大于70#基質(zhì)瀝青混合料和SBS改性的瀝青混合料，有效提高了瀝青混合料的抗水損害性能。由表3可知，BRA復(fù)合改性BRAC-20瀝青混合料的殘留馬歇爾穩(wěn)定度為87%；凍融劈裂抗拉強(qiáng)度比TSR為81.2%，均滿足表2中的技術(shù)要求。

表3 不同類(lèi)型混合料浸水馬歇爾及凍融劈裂試驗(yàn)結(jié)果

2.3 動(dòng)態(tài)模量

為了分析BRA復(fù)合改性BRAC-20瀝青混合料使用性能，進(jìn)一步對(duì)比了SMA-13、BRAC-13、AC-20和BRAC-20的動(dòng)態(tài)模量，結(jié)果如圖4所示。由圖4可見(jiàn)，巖瀝青可提高混合料的動(dòng)態(tài)模量60%～106%，20 ℃動(dòng)態(tài)模量可達(dá)13 000 MPa以上，具有良好的路用性能。

(a) SMA-13與BRMA-13動(dòng)態(tài)模量對(duì)比

3 BRA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料應(yīng)用工程實(shí)例及效果

在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，BRA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料要嚴(yán)格按照控制要求及技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行。1) 在添加巖瀝青時(shí)，巖瀝青應(yīng)干燥、分散均勻、及時(shí)、精確，干拌時(shí)間增加10 s～15 s，提高拌和均勻性；2) 嚴(yán)格控制空隙率，目標(biāo)空隙率保持在4.5%左右，現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)空隙率要求達(dá)到3%～7%；3) 掌握瀝青含量與礦料級(jí)配，混合料瀝青用量=SBS改性瀝青用量+巖瀝青用量×25%，并且在生產(chǎn)過(guò)程中考慮巖瀝青中灰分對(duì)級(jí)配的影響。

目前BRA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料(BRA復(fù)合改性BRAC-20)已應(yīng)用于寧杭高速、鹽靖高速、江廣高速等多條高速公路，其中江廣高速公路應(yīng)用里程高達(dá)66 km。

江廣高速在通車(chē)后第15個(gè)月分別做了全線檢測(cè)，結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 每公里車(chē)轍深度沿里程的分布

圖7 第4車(chē)道RDI值分布統(tǒng)計(jì)

圖8 每公里PCI隨里程變化

從圖6可以看出，大部分車(chē)轍深度在5 mm以下。從圖7可以看出，RDI均值為大于95%，總體評(píng)價(jià)為優(yōu)。圖8主要展示了路面的PCI指數(shù)，其均值為99.73，總體評(píng)價(jià)為優(yōu)。

通過(guò)對(duì)比可知，BRA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料在抗車(chē)轍、提高水穩(wěn)性等方面有一定優(yōu)勢(shì)，且工程造價(jià)相對(duì)較低，有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

1) BRA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料BRAC-20的高溫抗車(chē)轍性能和抗水損壞性能優(yōu)于普通瀝青混合料，且略?xún)?yōu)于同級(jí)配下的SBS改性瀝青混合料。

2) 采用BRA/SBS對(duì)普通瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，能有效提高路面的抗車(chē)轍性能和抗水損害性能。

3) 通過(guò)在實(shí)際工程中的應(yīng)用及階段性的路用性能檢測(cè)，得出BRA/SBS復(fù)合改性瀝青混合料BRAC-20路面在路面行駛質(zhì)量、路面車(chē)轍深度、路面抗滑性能等方面均優(yōu)于其他改性瀝青路面，尤其在抗車(chē)轍能力上有明顯優(yōu)勢(shì)，具有推廣潛力。