基于耐久性的交叉口硬质沥青混合料抗车辙性能研究

顾夕领,丁 彬

(1.江苏省宁连高速公路北段管理处，江苏 连云港 222200；2.苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 211112)

1 交叉口车辙调查

S237交叉口路段原设计采用橡胶沥青上面层，普通沥青下面层和两层水稳碎石基层。交叉口调查路段均出现车辙、沉陷和坑塘病害。调查结果如表1所示。

表1 交叉口车辙调查分析

为提高交叉口抗车辙性能，养护方案采用掺0.6%抗车辙剂的SUP-20下面层。上面层采用改性沥青SMA-13。性能试验结果如表2所示。

表2 混合料性能验证试验结果

由表2可知，上面层和下面层沥青混合料各项性能均满足要求。针对交叉口车辙病害处治1年后，进行调查分析，调查结果如表3所示。

表3 改造后交叉口车辙病害统计

由表3可知，改造后交叉口车辙状况仍较差。最大车辙深度3.5 cm，路面压实度不足。采用传统改性沥青+抗车辙剂路面，耐疲劳性能不足，通车1年会出现明显车辙和裂缝。这主要是由于传统沥青混合料在加入添加剂后油石比偏小，混合料耐疲劳性不足导致。

2 性能试验分析

针对干线公路交叉道传统中面层添加抗车辙剂方案耐久性不足的缺点。本文分别设计三种交叉口抗车辙硬质沥青混合料，中石化50#沥青+抗车辙剂(PR.M)，中石化30#沥青+抗车辙(PR.M)和中石化30#基质沥青不添抗车辙剂。按照法国高模量沥青设计要求，制备三种抗车辙沥青混合料EME-14。三种混合料油石5.5%～5.9%，丰度系数K>3.4。

2.1 混合料设计结果

分别通过冻融劈裂试验、车辙试验和法国车辙试验、ITSM试验、低温小梁试验，对三种沥青混合料进行性能试验。试验结果如表4所示。

表4 混合料设计结果

2.2 冻融劈裂试验分析

采用冻融劈裂试验评价混合料抗水损害性能。试件分为两组，一组室温下保存。另一组真空饱水15 min后，在(-18±2)℃保持(16±1)h。最后在60 ℃水箱中保温24 h。同时将两组浸入25 ℃水中保温2 h后进行劈裂强度试验，加载速率为50 mm/min。试验如图1所示。

图1 冻融劈裂试验结果

TSR指标表明，三种混合料均不满足大于80%的要求。而三种混合料的条件劈裂强度试验结果均大于0.7 MPa。仅从条件劈裂强度不小于0.7 MPa来看，三种混合料都满足技术要求。

2.3 AASHTO-T283试验

采用旋转压实成型2组试件。每组试件分别制作空隙率2%、4%和6%对照试件。按照冻融劈裂试验要求测试混合料抗水损害性能。试验结果如图2所示。

图2 AASHTO T283试验结果

由图2试验可知，三种混合料TSR指标均不满足大于80%要求。冻融劈裂试验也表明，三种混合料不满足TSR要求。考虑到本设计的耐久性抗车辙沥青混合料，不同于普通沥青混合料，空隙率较小，因此常规的抗水损害性能评价指标已不适合评价本设计的EME混合料。

2.4 高温稳定性能试验

国标车辙试验试件采用轮碾成型机碾压成型。使用橡胶制成实心轮胎进行测试，往返碾压速度42次/min±1次/min。法国车辙试验测试前，件应放置在上述环境中12～16 h。试件达到试验温度60 ℃，空气温度不应超过75 ℃。当试件进行荷载循环次数100、300、1 000、3 000、10 000、30 000后，停止设备的运转。计算试件一系列的测量值i所得的成比例的车辙深度Pi。试验结果如图3所示。

图3 高温性能试验结果

(1)

式中：Pi为运行i次车辙深度，%；mij为变形值，mm；m0j为j点初始测量值，mm；h为试件的厚度，mm。

从上图3可知，国标车辙试验动稳定度均满足要求，超过3 000次/mm。与其它耐久性高模量混合料的动稳定度相比，中石化30#沥青+PR.M耐久性高模量混合料的动稳定度最大，达到10 703次/mm，其次为30#沥青+PR.M，纯30#沥青混合料动稳定度最小。法国车辙试验表明，设计的三种混合料30 000次的车辙率都满足小于7.5%的技术要求，与国标车辙试验结果都表明30#沥青+PR.M抗车辙性能较好，其次为50#沥青+PR.M。三种混合料相比30#沥青抗车辙性能最差。

2.5 循环加载次数评价

在车辙发展的第一阶段即压密阶段变形率较小，累积应变达到40 000 με时，相当于车辙变形率的4%，能反映车辙发展的前两个阶段。因此本文选择累积应变到40 000 με时，对应的加载循环次数作为评价混合料高温稳定性能的指标。当累积应变达到40 000 με时，三种混合料对应的循环加载次数如表5所示。

表5 累积应变达到40 000 με时循环加载次数

从上表5试验结果可知，累积应变达到40 000 με时，30#+PR.M沥青混合料的循环加载次数最高，50#+PR.M沥青混合料次之，纯30#沥青混合料加载循环次数最小。循环加载次数试验表明30#+PR.M沥青混合料的抗车辙性能最高，50#+PR.M沥青混合料次之，30#基质沥青混合料的抗车辙性能最小。

2.6 低温性能

低温小梁试验评价混合料低温性能。测试温度为-10±0.5 ℃，采用50 mm/min加载速率。小梁试验结果如图4所示。

图4 低温小梁试验结果

由图4试验结果可知，三种混合低温性能均满足要求。50#沥青+PR.M低温性能最好，破坏应变值达到2 841 με。其次为30#基质沥青，破坏应变值2 128 με。30#+PR.M沥青混合料破坏应变最小为2 087.2 με。

3 试验段跟踪观测

为了验证三种耐久性抗车辙沥青混合料路用性能，通过设计抗车辙沥青混合料EME-14试验段进行跟踪观测，分析交叉口抗车辙性能。

3.1 车辙处治方案

针对交叉口反复改造车辙严重的问题，通过设计三种耐久性抗车辙沥青混合料方案进行改造。试验方案如表6所示。

表6 试验段车辙处治方案

3.2 现场车辙状况

试验段铺筑后针对试验段车辙数据进行为期1年半跟踪观测，试验结果如表7所示。

表7 现场车辙检测汇总表

由表7检测结果可知，通车3个月，由于通车时间较短，未经过夏季高温天气，现场最大车辙深度在5 mm以下。通车1年后，采用30#+PR.M的段落，最大车辙为6.2 mm。采用30#基质沥青的道口，最大车辙为15 mm。采用50#+PR.M的段落，最大车辙超过7 mm的有两个道口。通车1年半后对试验段进行跟踪观测，各路段车辙均由一定程度增长。

综上所述，三种沥青混合料30#+PR.M的抗车辙性能要优于50#+PR.M和30#基质沥青混合料。混合料抗车辙性能优劣顺序与中国车辙试验结果规律基本一致。

4 结 论

(1)不同空隙率试验表明抗水损害评价指标不适合EME-14混合料评价。三种混合料条件劈裂强度均满足要求。

(2)高温性能试验表明30#沥青+PR.M抗车辙性能较好，其次为50#沥青+PR.M。三种混合料相比30#基质沥青抗车辙性能最差。

(3)循环加载次数试验表明30#+PR.M沥青混合料的抗车辙性能最高，50#+PR.M沥青混合料次之，30#基质沥青混合料的抗车辙性能最小。

(4)试验段跟踪观测表明30#+PR.M的抗车辙性能最优，最大车辙为12 mm。50#+PR.M抗车辙性能次之，最大车辙15 mm。30#基质沥青混合料抗车辙性能最差，最大车辙达到18 mm。混合料抗车辙性能与高温性能试验规律基本一致。