不同车辙剂沥青混凝土的应用评价

董海军，陆学元

(1.安徽路达公路工程有限责任公司，安徽 安庆 246001； 2.安徽省交通控股集团有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引 言

目前，中国高等级公路与城市道路路面主要为半刚性沥青路面，一般认为路面出现的车辙主要产生于沥青混凝土面层结构内部[1-5]。车辙的外观特征表现为行车作用下产生的流动变形增大。路面高温抗车辙能力下降，进而产生连同底层、中层以及表层在内的W型结构性车辙，甚至未交工验收就需要进行翻修处理。2016年6、7月，江淮、江南地区出现罕见连续性强降雨期和连续2个阶段各9 d的29 ℃～39 ℃的高温天气，某些工程项目在建成通车后不久就出现了不同程度的车辙等病害。车辙的出现直接影响道路的使用品质和服务水平，过大的车辙(槽)在雨天更会直接危及行车安全。为此，国内外学者进行了大量的研究[6-11]，为解决沥青路面高温抗变形能力提供了有力的技术支持；但沥青路面车辙问题时有发生，不仅与沥青混合料材料及组成设计有关，还与施工过程质量跟踪优化和控制等因素有关[12-15]。目前，《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004)与《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006)并未针对车辙剂沥青混凝土提出明确的技术标准。2013年1月1日，国家颁布实施《道路用抗车辙剂沥青混凝土》(GB/T 29050—2012)，为探讨解决车辙问题给出了又一技术途径。针对不同车辙剂及其用量对沥青混凝土综合路用性能的影响，笔者结合多年从事高速公路沥青路面研究成果和工程实践，以重交通等级蚌淮高速公路工程项目为依托，研究车辙剂材料在沥青面层中的应用评价和工程实践验证，旨在减少车辙病害的发生，提出抗车辙剂材料应用的科学性及其用量和在沥青面层的合理层位，为延长道路使用寿命提供技术途径和支撑。

1 试验原材料及试验方案

粗集料采用反击破碎机加工的石灰岩，细集料采用专用制砂机碾磨的石灰岩，填料为石灰岩矿粉，矿料均产自安徽凤阳县；普通沥青采用韩国SK 70#A级道路石油沥青，改性沥青采用安徽芜湖环宇生产的SBS(I-D)改性沥青；抗车辙剂分别采用交通部公路科学研究院生产的RA高模量抗车辙剂(以下简称车辙剂A)和深圳海川工程科技公司生产的抗车辙剂(以下简称车辙剂B)。原材料各项技术指标均符合标准要求。

为优选车辙剂类型、用量且合理评价抗车辙剂沥青混合料的综合路用性能，试验方案同步对比普通沥青混合料和SBS改性沥青混合料的综合路用性能。室内试验分别采用普通沥青、SBS改性沥青、车辙剂A普通沥青、车辙剂B普通沥青4种沥青结合料，油石比均为4.3%；矿料级配依据工程进度分阶段分别进行目标和生产水洗筛分合成级配。普通沥青混合料马氏击实温度为152 ℃，SBS改性沥青混合料击实温度为163 ℃；马氏有效试件为6个，车辙剂普通沥青混合料击实温度依据研究目标而定，其他试验方法均满足试验规程的要求。

选择5 km路段作为车辙剂A和车辙剂B沥青混合料为中面层(6 cm AC-20)试验段，其他段落维持原设计(6 cm AC-20 SBS改性沥青混合料)。试验段在支线跨桥上，拌合、摊铺、压实等设备和施工工艺均与主线相同，经实验室验证后在主线上进行不同车辙剂类型及用量的试验段铺筑，并同步进行多次现场试验检测，最后通过重交通长期实践验证，提出针对不同车辙剂类型的合理添加量和推荐使用层位。

2 车辙剂对AC-20沥青混合料性能的影响

2.1 车辙剂A的不同用量对马氏指标的影响

4档石灰岩集料规格分别为9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0.075～2.36 mm，填料为矿粉，各档矿料用量比例为46∶25∶2∶23∶4，合成级配见表1；沥青结合料分别采用普通沥青、SBS改性沥青以及加入车辙剂A的普通沥青，车辙剂A的掺量分别为普通沥青质量的5.1%、1.9%、10.8%，试验结果如图1～4所示。

从试验结果可知，在不同沥青结合料类型与车辙剂A的不同掺量下，马歇尔技术指标发生了较大变化：普通沥青和SBS改性沥青形成的AC-20C混合料空隙率变化较小，SBS改性沥青混合料的残留稳定度比普通沥青混合料大，说明改性沥青的抗水损害性能优于普通沥青；随着车辙剂掺量的逐渐增大，表干相对密度逐渐减小，空隙率和稳定度逐渐增大，残留稳定度比逐渐降低，较SBS改性沥青混合料明显偏低。尽管马歇尔残留稳定度比不作为密级配沥青混合料水稳定性的评价指标，但在一定程度上说明车辙剂A对水损害能力的提高效果不如SBS改性沥青。分析认为，车辙剂A的掺入虽然能提高60 ℃马歇尔稳定度，但在油石比4.3%和163 ℃成型温度下，随着掺量的增加，试件空隙率逐渐增大，在马歇尔残留稳定度试验过程中强度衰减较快，导致残留稳定度比降低[16-18]。

2.2 车辙剂类型对沥青混凝土性能的影响

为进一步验证不同结合料类型和不同车辙剂对马氏技术指标和路用性能的影响，依据9.5～19 mm、4.75～9.5 mm、2.36～4.75 mm、0.075～2.36 mm四档矿料和矿粉水洗筛分结果，确定其用量比例为49∶21∶6∶20∶4，目标合成级配如表2所示。结合料类型分别为普通沥青、SBS改性沥青、掺0.3%抗车辙剂A的普通沥青、掺0.3%抗车辙剂B的普通沥青，其中掺0.3%抗车辙剂A的普通沥青混合料击实温度为170 ℃，各混合料性能指标的试验结果如表3所示。在试验结果的此基础上，进行生产级配筛分，拌合站各热仓17～22 mm、11～17 mm、6～11 mm、3.5～6 mm、0.075～3.5 mm矿料及矿粉的比例为12∶34∶21∶9∶20∶4，生产合成级配如表4所示。针对普通沥青掺0.3%抗车辙剂A形成的AC-20C沥青混合料，分别进行163 ℃不同压实功下和双面各击实75次时不同成型温度下的马歇尔试验，结果如图5、6所示。之后对普通沥青掺0.3%抗车辙剂A和普通沥青掺0.3%抗车辙剂B形成的AC-20C沥青混合料进行短期老化，然后在不同压实功条件下进行冻融劈裂试验，试件成型温度均控制在163 ℃，结果如图7、8所示。

图1 不同结合料类型与试件密度的关系

图2 不同结合料类型与空隙率的关系

图3 不同结合料类型与残留稳定度的关系

图4 不同结合料类型与稳定度的关系

表2 AC-20C矿料合成级配

从试验结果可知：掺入沥青混凝土总量0.3%的抗车辙剂后，普通沥青的抗车辙性能有了明显提升，其中抗车辙剂A的效果更为明显，说明掺入该型号抗车辙剂的沥青高温稳定性优于掺入抗车辙剂B的沥青和SBS改性沥青；但从击实温度来看，加入抗车辙剂A的沥青混合料对击实温度的要求比较高，加快了拌和、摊铺过程中沥青的短期老化，同时也增加了施工的难度和燃料的消耗。

(1)由图5、6可知，加入0.3%车辙剂A的沥青混合料随击实功的增大，空隙率线性降低，随击实温度升高，空隙率呈凹形曲线变化，存在最佳成型击实温度，验证了表2试验结果针对车辙剂A采用170 ℃成型温度的合理性。

(2)从图7、8可知，经短期老化后的不同类型结合料形成的AC-20C沥青混合料，随着压实功增大，空隙率均随之降低，加入车辙剂A的混合料试件无论是击实30次还是50次，其空隙率均较SBS改性沥青和加入车辙剂B的沥青混合料偏大，表明加入车辙剂A的混合料较难压实，而加入车辙剂B的混合料和SBS改性沥青的压实功较为接近[19-20]。

表3 不同结合料马氏指标和路用性能试验结果

表4 AC-20C矿料合成级配

图5 压实功与空隙率的关系

图6 击实温度与空隙率的关系

图7 不同车辙剂类型与空隙率关系

图8 不同车辙剂类型与冻融劈裂强度关系

(3)从冻融劈裂强度比来看：加入车辙剂B的混合料较SBS改性沥青混合料高15%～20%，较加入车辙剂A的沥青混合料高20%～22%；且经短期老化后，SBS改性沥青和加车辙剂A的沥青混合料的冻融劈裂强度衰减较快，加入车辙剂B的沥青混合料冻融劈裂强度衰减较慢，表明加入车辙剂B改善沥青混合料抗水损害性能的效果较好；采用老化后沥青混合料冻融劈裂强度比指标更容易区分各类型结合料水稳定性的优劣。

3 不同车辙剂及其用量在施工阶段的应用评价

考虑到掺车辙剂A的热拌沥青混合料需要在较高温度下才能降低室内空隙率，且混合料出场温度要控制在165 ℃～175 ℃之间，为了对不同车辙剂类型及用量在工程实践中的应用进行评价，沥青面层施工设备配备和施工工艺均保持相同，试验段油石比均为4.3%，马氏试件成型温度均为165 ℃。先后于2012年4、5月在高速公路支线跨桥桥面和主线沥青下面层上铺筑试验段，并对其进行了钻芯压实度和渗水试验检测。其中4月份采用表4的生产配合比铺筑掺0.3%车辙剂A的混合料和掺0.3%车辙剂B的混合料，5月份采用22 mm、11～17 mm、6～11 mm、3.5～6 mm、0.075～3.5 mm矿料及矿粉的比例为12∶32∶21∶9∶22∶4，合成级配见表5。5月10、11日进行了掺0.3%车辙剂A的混合料铺筑，5月12、13日进行了掺0.2%车辙剂A的混合料铺筑。

为节约篇幅和进一步对比不同车辙剂在施工阶段的应用，仅研究支线跨桥和主线上铺筑掺0.3%车辙剂A的混合料路段各2段，主线上铺筑掺0.2%车辙剂A的的混合料路段2段，以及主线上掺0.3%车辙剂B的混合料路段2段，分析试验数据。

表5 AC-20C矿料合成级配

(1)支线跨桥桥面上有2段掺0.3%车辙剂A的混合料路段，沥青中面层的10个芯样剩余空隙率均值为7.7%，大部分大于7%，9个芯样平均渗水系数为291.4 mL·min-1，接近规范规定的不大于300 mL·min-1。在主线上铺筑的2段中，掺0.3%车辙剂A的混合料成型中面层剩余空隙率均值分别为5.3%和5.5%，变异系数分别为22.5%和24.1%，空隙率较桥面铺筑有较大降低，但大部分单点渗水系数仍超出规范要求，且变异性较大。分析认为，在相同车辙剂A掺量、级配、油石比和厚度下，支线跨桥桥面上的沥青中面层施工较主线施工的空间(作业面)受限，导致压实工艺未能及时紧跟慢压、同进同退，加上桥面刚度较大等因素，最终导致剩余空隙率较大。

(2)主线2个掺0.2%车辙剂A的混合料路段的剩余空隙率均值分别为4.0%和4.3%，变异系数分别为16.3%和27.9%，但渗水系数变异性仍较大，与剩余空隙率相关性较差。与同样主线施工的0.3%掺量相比，车辙剂A掺量为0.2%的中面层剩余空隙率明显较掺量为0.3%时有所降低，且渗水系数基本符合规范要求，表明车辙剂A采用0.2%的剂量更有利于降低路面剩余空隙率和提高道路使用性能。

(3)主线上掺0.3%车辙剂B的混合料的2段中面层剩余空隙率基本在3%～6%，均值为5.5%，变异系数为15.8%，渗水系数均值为99 mL·min-1，变异系数为24.4%，满足规范要求。这表明，同样施工条件下掺0.3%车辙剂B的AC-20C沥青混合料的路用性能优于加入0.3%车辙剂A的混合料。同样的配合比和施工条件下，加入车辙剂B的混合料路面空隙率和渗水系数显著低于加入车辙剂A的混合料，表明车辙剂类型对路面剩余空隙率的影响较大，所表现的路用性能指标存在明显的差异性，车辙剂B的综合路用性能优于车辙剂A。

(4)采用上述2种不同类型车辙剂和不同剂量铺筑的试验段渗水检测结果表明，渗水系数与剩余空隙率相关性不理想。分析认为，尽管本次渗水试验均在钻芯芯样附近进行，出现部分渗水系数偏大的原因与试验检测过程中存在侧渗水有关，也可能是渗水仪器底座油腻密封效果较差或存在局部离析部位导致。

4 车辙剂在工程实践中的长期验证

本项目为重交通路面等级，设计为：上面层4 cm AC-13(SBS改性沥青)、中面层6 cm AC-20(SBS改性沥青)、下面层8 cm AC-25(70#A级道路石油沥青)、38 cm水稳基层、20 cm低剂量水稳层。道路于2013年6月份建成通车。项目实施过程中对部分路段进行中面层材料变更，将SBS改性沥青结合料改为加入车辙剂的70#A级道路石油沥青。经过4年重交通运营的路面检测，2种不同车辙剂铺筑的5 km试验段目前尚无车辙、坑槽和明显的裂缝病害发生，仅有几道纵向裂缝，路面呈现平整、密实和行车舒适的特点。这表明车辙剂对提高半刚性基层沥青路面的高温稳定性成效显著，施工阶段及时优化车辙剂掺量并验证其路用性能尤为重要，通过现场严格的施工工艺控制和施工质量管理有效保证了本项目沥青路面的使用品质和耐久性。

5 结 语

(1)车辙剂材料组成和性能指标对沥青混合料综合路用性能会产生较大的影响，加入车辙剂A的沥青混合料综合路用性能指标不及加入车辙剂B的混合料，掺车辙剂B的沥青混合料性能接近SBS改性沥青。虽然两种抗车辙剂均可显著提高沥青混合料的抗车辙性能，甚至超过SBS改性沥青，但指标的均衡性存在较大差异性。

(2)车辙剂虽然能够显著提高沥青混合料的高温性能，但车辙剂用量对沥青混凝土的室内和现场空隙率影响较大。考虑到综合指标的均衡性，抗车辙剂沥青混合料60 ℃动稳定度不宜低于6 000 次·mm-1。车辙剂A的用量推荐采用0.2%，车辙剂B的用量为0.3%较为合适，考虑掺车辙剂的沥青混合料在施工过程中由于温度过高会对普通沥青造成老化，其掺量不宜过大。

(3)优化车辙剂类型及用量可显著降低室内和现场剩余空隙率，验证了添加抗车辙剂后沥青混合料长期具有良好的路用性能；对短期老化后的AC-20沥青混合料进行冻融劈裂强度比试验更有利于评价水稳定性。采用车辙剂材料与普通沥青制备的沥青混凝土不宜用作沥青上面层。

(4)现场进行的10段不同车辙剂沥青混合料试验段铺筑检测结果表明，成型路面中面层的剩余空隙率与渗水系数相关性较差，与相关研究存在一定出入，在以后的研究工作中还需要进一步在室内试验和现场施工中进行验证。

[1] 胡家波，时华彬，梁奉铎，等.抗车辙剂沥青混合料路用性能试验研究[J].石油沥青，2012(3)：13-16.

[2] 周义生，吴革森，司徒丽新，等.抗车辙剂改性沥青混合料路用性能研究[J].公路,2015(1)：178-180.

[3] 陆学元.AC-20沥青混合料路用性能优化[J].华中科技大学学报：城市科学版，2010，27(2)：15-20.

[5] 陆学元，杨 博，张昭勇，等.AC-13改性沥青混合料劈裂强度影响因素与变异性[J].华中科技大学学报：城市科学版，2009，26(1)：51-56.

[6] 谢志方.抗车辙剂沥青混合料路用性能试验研究[J].公路与汽运，2016(6)：104-108.

[7] 周 琦，王枫成，李晓民，等.掺加抗车辙剂沥青混合料的高温性能评价方法[J].兰州理工大学学报，2011，37(4)：130-134.

[8] 董泽蛟，肖桂清，龚湘兵.级配及抗车辙剂对沥青混合料抗车辙性能的影响分析[J].公路交通科技，2014，31(2)：27-31.

[9] WEN H.Fatigue Performance Evaluation of West Track Asphalt Mixtures Based on Vis-coelastic Analysis of Indirect Tensile Test[D].North Carolina State:North Carolina State University,2001.

[11] IZZO R P,TAHMORESSL M.Testing Repeatability of the Hamburg Wheel-tracking Device and Replicating Wheel Tracking Device Among Different Laboratoires[J].Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists,1999(68):589-603.

[12] XIAO F P,AMIRKHANIAN S N,JUANG C H.Rutting Resistance of Rubberized Asphalt Concrete Pavements Containning Relclaimed Asphalt Pavement Mixtrues[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2007,19(6):475-483.

[13] HUI B,ZHANG C.Analysis of High Temperatrue Ability Influenc Factors of Ant-ruting Agent Modified Asphalt Mixtrues[C]∥Proceedings of Third International Conference on Transportation Engnieering,Chengdu,China:Amarican Sosiety of Civil Engineers,2011:1904-1909.

[14] LI P,WANG X L,LI H S,et al.Influence Factors and Ant-Ruting Agent of High-Temperatrue Stability of Asphalt Mixtrue[C]∥Proceedings of the 7thInternational Conference on Tranffic and Transportation Studies,Kunming,China:Amarican Sosiety of Civil Engineers,2010:1293-1302.

[15] 张业茂，胡光伟，赵锡娟，等.掺加抗车辙剂改性沥青混合料高温性能研究[J].公路，2012(9)：178-188.

[16] 陆学元.不同温度下HMA劈裂强度的影响因素[C]∥中国公路学会.第五届全国公路科技创新科技论坛论文集.北京：人民交通出版社，2010：581-585.

[17] 祁 峰，刘 崭，苏彦龙.沥青混合料高温稳定性参数研究[J].筑路机械与施工机械化， 2014，31(6):58-61.

[18] 陈建民.基于灰色理论的沥青混合料高温稳定性分析[D].长沙：湖南大学，2004.

[19] 张争奇，陶 晶，杨 博.沥青混合料高温性能设计参数研究[J].中国公路学报，2009,22(1):23-28.

[20] 王文君.抗车辙剂改性沥青混合料关键参数设计及路用性能研究[D].西安：长安大学，2011.