随着沥青路面设计施工体系的完善以及沥青混合料技术的进步, 材料松散、路基沉陷等沥青路面的短期病害逐渐减少。取而代之的, 以车辙为代表的长期病害成为我国高等级沥青路面的主要病害^[1-3]。车辙发展产生的车辙槽不仅会影响路面的排水, 加速路面的水损害, 而且会影响到路面的平整度, 降低行车安全。

福建位于我国东南, 属于炎热多雨型气候, 高温与雨水的作用使得福建省高速公路一直存在严重的车辙病害^[4-5]。为应对其软土路基以及多雨的气候特征, 其高速公路主要采用倒装式路面。倒装式路面在防治反射裂缝与路基不均匀沉降上具有优势, 但该结构的剪应力几乎完全由沥青层承担, 使得倒装式路面的车辙也较相同情况下的半刚性基层路面的车辙更为严重。此外, 福建多山地丘陵, 大量的长纵坡使得路面要承受远大于平原地区的水平力。这些都给面层沥青混合料的高温稳定性带来了更严峻的挑战^[6-8]。

为应对高等级公路极高的抗车辙需求, 福建省在上面层与中面层中广泛应用高掺量SBS改性沥青, 并对抗车撤剂的应用做了多条试验段的探索^[5]。尽管SBS改性沥青由于具有优良路用性能, 但不可避免的是, 高温性能优越的高掺量SBS改性沥青的价格十分昂贵^[9-10]。除聚合物改性沥青外, 低标号硬质沥青也同样具有良好的高温性能。金杰等众多研究者对低标号硬质沥青的基础性质、PG分级、混合料性能等进行了系统的评价^[11-13]。但以动稳定度为单一指标的高温稳定性评价体系与路面的实际抗车辙能力之间存在差异, 无法确定其是否能够满足福建省高速公路的抗车辙需求。

相较于SBS改性沥青, 低标号沥青的低温性能较差, 价格则更加低廉^[14-16]。而福建省冬季气候温和, 极端最低温度大于零摄氏度, 在部分工程中甚至对材料的低温性能不作要求。因此, 低标号硬质沥青若能够满足福建省高等级公路的抗车辙需求, 将具有极高的应用价值, 能够大幅度降低路面的建设成本^[17-19]。

为系统地验证低标号硬质沥青在福建省沥青路面中的适用性, 本研究以30^#基质沥青为对象, 70^#基质沥青以及福建省高速公路普遍使用的SBS I-D改性沥青为对照, 研究低标号沥青混合料的抗车辙性能, 并着重验证了30^#基质沥青混合料在极端高温条件下是否仍具有应用价值。同时, 针对室内车辙试验与实际路面车辙发展规律相差较大的问题, 本研究同时实施了缩尺加速加载MMLS试验, 验证常规室内车辙试验结果的有效性。

为验证低标号硬质沥青的高温稳定性, 本研究选择30^#基质沥青为试验对象, 以70^#基质沥青与SBS I-D改性沥青作为参照。试验中所采用的3种沥青的基础性质如表 1所示。

如表 1所示, 与SBS I-D改性沥青相比, 30^#基质沥青的软化点远低于SBS改性沥青, 但60 ℃动力黏度与SHRP高温分级甚至高于SBS I-D改性沥青。SBS改性剂在添加至沥青中时将形成了絮状或网状结构, 在短时间内能够有效限制沥青的流动, 而在动力的扰动中这种聚合物结构将被破坏, 使得改性剂的影响减弱。这使得相对静态的软化点试验中SBS改性沥青优于低标号沥青, 而动态的动力黏度与PG分级的结果则相差很小。

因此, 从胶结层层面上, 尽管30^#基质低温性能较差, 但高温性质与SBS I-D改性沥青基本相同。为进一步对30^#沥青的高温稳定性进行混合料层面的验证, 试验采用福建省中面层应用广泛的AC-20C级配, 试验中采用的混合料合成级配如表 2所示。试验采用的集料为石灰岩, 满足《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)对于高速公路中面层集料的技术要求。配合比设计采用马歇尔设计法, 70^#沥青、30^#沥青、SBS改性沥青AC-20C混合料的油石比分别为4.4%, 4.3%, 4.4%。

沥青混合料的抗车辙能力利用沥青混合料APA试验仪进行车辙试验来评价, 试验方法依据AASHTO T340^[16]。APA车辙试验采用芯样试件, 芯样试件与板型试件虽存在差异, 但当试件的厚度、加载轮的尺寸、试验荷载均相同的情况下, 试验结果与《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)规定的车辙试验结果是一致的。利用APA试验仪进行车辙试验的优势在于能够同时进行多个试件的车辙试验, 并能够方便调节试验荷载、试验温度与荷载加载速率, 本研究所采用的APA试验仪, 如图 1所示。

图 1 APA车辙试验 Fig. 1 APA rutting test

试验采用以3种沥青(道路A级70^#基质沥青、道路A级30^#基质沥青、SBS I-D改性沥青)为胶结料的AC-20C的沥青混合料。试件利用旋转压实仪成型直径150 mm, 厚度50 mm的圆柱体试件。之后将两个圆柱体试件经切割后在模具中进行拼接, 拼接处需要保证拼接弦长为50~80 mm。

为充分对比30^#基质沥青混合料与SBS I-D改性沥青混合料的抗车辙能力, 研究测试了3种试验温度(50, 60, 70 ℃)以及两种加载速率(50, 20次/min)条件下的车辙变形曲线。试验中, 钢轮荷载压强控制为700 kPa, 加载终止条件为累计荷载作用次数达到8 000次, 或车辙深度达到12.5 mm。

科研与工程实践中也常使用车辙板的车辙深度以及动稳定度来评价沥青混合料的抗车辙能力。但无论是我国《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中的标准车辙试验, 还是本研究中的APA车辙试验, 都仅能够定性地横向对比不同沥青混合料之间的抗车辙性能, 其试验结果往往与实际路面的车辙发展规律存在显著差异。这是由于车辙试验中的钢轮荷载与橡胶轮胎荷载之间存在明显差异, 且在实际路面结构的沥青混合料受力状态也与室内车辙试验中厚度50 mm的车辙试件明显不同。

为进一步验证在实际路面结构中, 低标号硬质沥青仍能够保持与SBS I-D一致的高温稳定性, 研究采用缩尺加速加载设备对30^#沥青混合料性能做进一步的对比测试。本研究采用的小型加速加载设备为南非生产的MMLS-3, 如图 2所示。设备可提供最高7 200次/h的加载速度, 以及厚度最高125 mm的混合料试件。125 mm的混合料试件尽管与实际路面结构仍有一定差距, 但相较于普通室内车辙试验, 更能够反映出沥青混合料在实际路面结构中的高温稳定性与车辙发展规律。

图 2 APA车辙试验变形曲线 Fig. 2 Deformation curves of APA rutting test

试验采用3种沥青(道路A级70^#基质沥青、道路A级30^#基质沥青、SBS I-D改性沥青)的AC-20C的沥青混合料。试验首先利用旋转压实仪成型直径150 mm, 厚度125 mm的圆柱体试件, 之后按照MMLS-3设备的模具尺寸进行切割。

设备胎压控制为690 kPa, 以7 200次/h的加载速度累计加载20万次。试验进行了60 ℃下3种沥青混合料的车辙发展趋势的对比测试, 并同时在70 ℃条件下对30^#基质沥青混合料的极端高温性能进行验证。

图 2为APA车辙试验结果。从总体趋势上, 3种沥青混合料的车辙发展曲线具有相似的规律: 车辙曲线均是在试验初期(约2 000次轴载前)存在快速发展阶段, 之后车辙的发展速度放缓, 后期车辙深度增长随荷载作用次数基本呈线性增长的规律。由图 2可以直观地看出, 70^#基质沥青混合料的高温稳定性远弱于30^#基质沥青与SBS改性沥青混合料, 而30^#基质沥青混合料的抗车辙能力与SBS改性沥青混合料基本相当。在60 ℃的标准试验温度以及70 ℃的极端高温条件下, 以及在两种不同的荷载加载速率下30^#基质沥青均能够表现出与SBS I-D改性沥青相类似的高温稳定性能。

由图 2(a), (c), (e)的横向对比, 70^#基质沥青混合料的高温稳定性能受温度的影响远大于30^#基质沥青与SBS I-D改性沥青混合料。70^#沥青混合料8 000次荷载后的车辙深度由50 ℃的2.4 mm增长至60 ℃的4 mm, 但70 ℃的极端高温使得车辙深度急剧增长至约10 mm, 这表明70^#沥青混合料无法满足70 ℃极端高温条件下的高温稳定性要求。而30^#沥青与SBS改性沥青混合料在8 000次累荷载作用后的车辙深度随温度的增长仅有小幅度上升。该结果与3种沥青的PG高温分级结果保持一致。

横向比较图 2(a)~(f)可以发现, 车辙试验的荷载加载速率并不改变车辙发展趋势。事实上, 车辙的发展与荷载的作用时间具有明显的相关性, 较慢的荷载碾压速率相当于荷载作用时间的增长, 试验条件20次/min的荷载作用总时间为50次/min的荷载作用总时间的2.5倍。

图 3为MMLS小型加速加载试验结果。从总体趋势上, 3种沥青混合料的车辙发展基本一致: 从试验加载开始至累计重复荷载2万次, 车辙深度增加迅速; 累计荷载2~8万次, 车辙深度增长逐渐放缓; 累计荷载8万次之后, 3种沥青混合料的车辙发展均已达到稳态, 车辙发展基本停滞。

图 3 不同沥青混合料MMLS车辙深度曲线 Fig. 3 MMLS rutting depth curves of different

在60 ℃的试验条件下, 横向对比3种沥青混合料, 其中30^#基质沥青与SBS I-D改性沥青的抗车辙性能基本相同。在20万次的累计重复荷载作用下, 二者的车辙深度最终稳定在约2.0 mm, 而70^#基质沥青的抗车辙性能仅略弱于30^#基质沥青与SBS改性沥青, 这与APA车辙试验结果保持一致。

对比70^#基质沥青混合料的试验结果可以发现, MMLS试验与APA试验结果大相径庭。在APA车辙试验中, 70^#基质沥青混合料的车辙深度在经过初期2~3 mm的快速增长之后, 基本处于线性增长的状态; 而MMLS试验中, 70^#基质沥青混合料的车辙发展逐渐收敛, 车辙的增加非常缓慢。相较于APA车辙试验, MMLS试验的试件厚度更大, 加载次数更多, 但后期的车辙深度反而更小。对于30^#沥青与SBS改性沥青混合料, 由于其抗车辙能力较强, 后期的车辙发展速度极慢, 这使得APA试验结果与MMLS试验结果差异减小; 而对于抗车辙能力较差的70^#沥青混合料, 钢轮、薄板(50 mm)的车辙试验与实际路面状况较大差异。

在70 ℃的试验条件下, 30^#基质沥青混合料的车辙发展规律也与APA车辙试验结果基本一致。尽管极端高温使车辙深度由约2.2 mm增长至3.0 mm, 但车辙的发展规律并没有改变, 材料并未因极端高温而出现车辙迅速发展的失稳状态。

福建省高等级公路的气候特性、交通特性、路面结构特性决定了路面对沥青混合料的高温稳定性具有极高的要求。为探究在福建省公路建设中低标号硬质沥青代替SBS改性沥青的可行性, 本研究以30^#沥青为对象, 研究低标号硬质沥青混合料的高温稳定性。本研究的结论如下:

(1) APA车辙试验表明, 30^#基质沥青在标准试验温度与极端高温条件下均具有良好的抗车辙性能, 其高温稳定性仅略弱于在福建省广泛使用的SBS I-D改性沥青, 可以取代SBS I-D改性沥青在上面层与中面层的使用。

(3) 30^#基质沥青与SBS I-D改性沥青的MMLS车辙试验结果与APA试验结果一致, 验证了APA试验结果的有效性。

(4) 70^#基质沥青的MMLS车辙试验与APA车辙试验结果相差较大, 这表明钢轮、薄板的车辙试验存在局限性, 会使得抗车辙性能较差的混合料车辙发展过快。