改性沥青路面抗车辙能力研究
　　　　　　　　　　　　文/高进科
高速公路沥青路面行车道车辙不仅降低了路面的行车舒适性，还可能给行车安全带来隐患。车辙超过一定深度，就会在下雨天形成积水，出现汽车“水漂”现象。因车辙造成的路面横向和纵向不平整，还容易导致夜间、雨天快速行驶的小汽车在变换车道时失去方向控制，酿成交通事故。我国高速公路沥青路面普遍采用了刚度大的水泥稳定粒料基层，路面结构的车辙变形主要集中在沥青面层内。
1、影响沥青路面抗车辙能力的因素
高速公路沥青面层是由满足一定级配要求的集料和沥青拌和碾压成型的混合料，其使用性能受到各组成材料的影响。沥青是面层沥青混凝土的结合料，它具有显著的粘弹性质。其抗变形性状取决于荷载作用温度和荷载的施加速率。沥青具备时间-温度转换或叠加的性质，即在短时间高温作用下的变化与较低温度较长时间作用下出现的变化是等值的。在夏季炎热高温条件或持续荷载作用下，沥青结合料表现出像粘性液体那样的性质。冬季低温环境或快速施加荷载条件下，沥青表现出弹性体特征，受荷变形，卸载后变形迅速恢复。而在中等温度条件下，沥青则显示介于粘性液体和弹性固体之间的特性。仅就减少沥青路面的永久变形而言，应选择粘度更大、更“硬”的沥青类型。
矿料在抵抗沥青路面的车辙中也起着重要作用。颗粒方正、棱角粗糙的机制矿料比边角圆滑的天然矿料表现出更强的抗变形能力，因为荷载作用时，集料能够紧紧束缚在一起，产生较大的内摩阻，增大了抗剪强度。良好的矿料级配也非常重要，密实嵌锁的矿料级配比其他级配表现出更好的抗变形能力。开级配、断级配的沥青混合料抗变形能力差，原因主要是轮胎接地面积小，单点压强增加，使混合料承受更大的荷载压力而出现变形。用于沥青路面的集料应该具备抵抗车轮反复碾压作用的抗剪强度，而不致出现剪切变形，形成车辙。
构成面层沥青混凝土的沥青结合料、矿料和空隙的共同作用最终决定着面层的抗车辙能力。一般地，沥青用量越多，混合料的抗车辙能力越低，因为过多的沥青在高温条件下膨胀体积增大，易于充填矿料剩余的空隙，多余沥青泛油到表面上。空隙率太低，也会影响沥青混凝土的抗车辙能力，研究表明，空隙率低于一定值后，随密实度增加，沥青混合料的抗变形能力降低。
沥青路面施工中的不均匀性客观存在，使路面局部混合料出现离析、沥青用量增加，碾压不足等，往往使一些路段车辙首先出现。某高速公路的SMA沥青表面层的现场取样进行车辙试验，结果发现，动稳定度最大值与最小值相差近一倍，实测结果见表1。
表1? 某高速公路SMA-16沥青面层实测动稳定度

2、提高高速公路沥青路面抗车辙能力的试验研究
2.1沥青混合料抗车辙能力评价试验指标
评价沥青混合料的高温稳定性（抗车辙能力）的试验方法很多，主要有无侧限抗压强度法、马歇尔试验法、三轴试验法、蠕变试验法、轮辙试验法和简单剪切试验等。但是，由于一些试验方法得到的结果与路面实际的使用效果没有很好的相关性，或者试验设备昂贵、试验方法非常烦琐而没能得到广泛的应用。目前来看，普遍采用轮辙试验来评价沥青混合料的高温稳定性。
轮辙试验通过模拟车轮荷载在路面上实际行驶状况进行试验，能够比较真实地反映路面沥青混合料的实际受力和变形，而且这种方法设备简单，操作方便。最重要的是，经验证明轮辙试验的结果与路面车辙之间有良好的相关性。
在我国，轮辙试验的试验温度是60℃，试件成型后置于试验机上，模拟车轮在试件上来回碾压，并测量车辙变形。以沥青混合料试件变形趋于稳定的时段测定结果为准。一般以碾压开始后45～60min这一时间段的车辙变形计算抗永久变形能力，以车辙每增加1mm所需碾压次数来衡量，记为动稳定度，单位是mm/次。
2.2沥青结合料类型影响混合料抗车辙能力
京沪高速公路河北段采用SBS改性沥青提高沥青路面抗车辙能力。基质沥青改性前后的技术指标见表2。
表2?? 5%SBS改性前后的沥青技术指标对比?????????????

可见，重交沥青AH-70在用5%SBS改性后，针入度降低近40%，软化点提高近50%。而用AC-16I型矿料级配，进行混合料动稳定度试验结果是，使用重交沥青AH-70号结合料：698（次）；使用5%SBS改性沥青结合料：8196（次）。
河北省交通科研所对不同沥青结合料的SMA-16和AC-16I沥青混合料的动稳定度进行了测定。试验用集料为石家庄安山岩，沥青为重交AH-90号，分大港产和日本产两种。沥青技术指标见表3，SMA-16混合料矿料级配见表4，纤维采用德国产纯纤维。AC-16I矿料级配见部颁规范。沥青混合料车辙试验结果汇总见表5。
表3?? 沥青技术指标??????????????????????????

表4?? SMA-16沥青混合料级配???????????????????????

表5? 不同沥青混合料车辙试验结果汇总??????????????

从表3可以看出，尽管两种沥青结合料同属AH-90号，但日本产沥青针入度较小，软化点较高。表5中，对于普通AC-16I型沥青混凝土，采用日本产沥青的混合料的动稳定度比采用大港产沥青的动稳定度提高50%。对于SMA-16这种特殊的沥青混合料，因其混合料矿料骨架特殊性、纤维稳定剂的使用等等，没有表现出与AC-16I沥青混凝土相同的抗变形性能规律。此外，从表5中还可以看出，尽管SMA沥青混合料主要通过粗骨料骨架提供较强的抗变形能力，但随着沥青用量的增加，混合料的动稳定度是逐渐减少的。
2.3矿料级配影响混合料抗变形能力
哈尔滨建筑大学曾对不同矿料级配的沥青混合料的抗车辙能力进行了试验。试验采用欢喜岭沥青AH-90号，矿料为玄武岩，七种矿料级配曲线见图1（图中级配曲线自上而下为级配1，2，3，4，5，6，7）。车辙试验温度为50℃，轮压为0.5MPa。

图1 七种矿料级配组成曲线
试验中，级配1、2在车辙试验刚开始，就迅速破坏。主要原因是细料含量太大，不能形成有效的抵抗荷载变形的粗骨料骨架，加载后迅速破坏。级配6、7由于粗集料含量过大，细集料不足以填充主骨架空隙，沥青混合料也易松散破坏。级配3、4和5的动稳定度值见表6。
表6?? 不同矿料级配的动稳定度（次/mm）???????????????

可见，沥青混凝土中的集料能否真正形成嵌挤骨架，提高整体抗变形能力，不仅要求粗集料超过一定比例，同时细料也不应低于某一界限。
习惯认为，沥青混合料要具备良好抗车辙能力应优先选用粗骨料、断级配嵌挤型沥青混合料。河北省京沪高速公路管理处对不同矿料级配和不同沥青类型的沥青混合料进行了一组动稳定度试验，结果见表7。
表7??? 不同矿料级配、沥青类型的沥青混合料动稳定度?????????

从表7可以看出，改性后的小粒径的沥青混凝土（SAC13，UTAC10，UTAC6）都表现出较高的抗变形能力。而采用普通沥青的多碎石沥青混合料SAC25，SAC20，所谓的能够提供骨架密实结构，动稳定度值却较低。
如果动稳定度能够准确反映混合料的抗车辙能力，那么从上面试验中，可以得到一个初步的结论，沥青结合料的性质对沥青混合料的抗变形能力贡献比矿料的级配更大。为提高沥青路面的抗车辙能力，与其费力寻找“最佳”级配曲线，不如在选择合适的沥青结合料类型上下功夫。
2.4沥青混合料空隙率影响抗变形能力
空隙率是表征沥青混合料体积特性的一个重要参数，对沥青混合料的抗变形能力也有影响。通车几年后的沥青路面钻芯取样检测结果显示，在汽车轮载的反复碾压下，沥青混凝土面层有进一步密实，空隙率进一步减少的趋势。表8是某高速公路通车五年后在行车道和硬路肩分别钻芯取样测得的沥青混凝土空隙率结果。该高速公路硬路肩路面结构同行车道。可以看出，如果假定硬路肩的现有空隙率与通车时行车道沥青混凝土空隙率相同，则通车几年后，行车道沥青混凝土的确存在进一步压实，并导致一部分车辙产生。
表8? 某高速公路沥青面层通车后空隙率减少??????????????

??? 河北省交通科学研究所使用美国工程兵旋转压实机（GTM）进行沥青混合料的抗变形能力研究，进行的一组试验结果见表9。试验所用沥青为ESSO重交AH-90号，集料为安山岩，级配为AC-16I和SAC-16两种。可以看出，随着GTM成型试件压强增加，沥青混合料的动稳定度提高，相应地沥青用量也在减少。
表9?? 不同沥青混合料密实度对动稳定度的影响????????????

3、结语
高速公路沥青路面的车辙不仅影响行车舒适性，严重的会威胁行车安全。半刚性基层沥青路面的车辙主要集中在沥青面层，因此应当从改善沥青混合料的高温稳定性来减少车辙。研究表明，在影响沥青混合料高温稳定性的诸多因素中，沥青结合料的种类非常重要，采用合适的改性沥青、较低标号的沥青是提高沥青路面抗车辙能力的比较有效的措施。通过上面分析，可以从以下几个方面，提高沥青路面的抗车辙能力：
1）使用较低标号的重交沥青，如AH-50，或者使用改性沥青；
2）优先选用骨架密实型矿料级配；
3）加强混合料现场碾压，提高混合料密实度；
4）加强路面施工质量控制，减少离析、沥青用量不均等现象。
但从现有的资料看，以上措施中，降低沥青标号、采用改性沥青是提高沥青面层抗车辙能力最直接有效的办法。

作者单位：中交远洲交通科技有限公司