鐘夢武， 唐 明， 任 江

(1.湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長沙 410015； 2.湖南省大岳高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 岳陽 414000)

高溫多雨地區(qū)重載高速公路瀝青路面瀝青材料技術(shù)指標(biāo)研究

鐘夢武1， 唐 明2， 任 江2

(1.湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長沙 410015； 2.湖南省大岳高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 岳陽 414000)

針對高溫多雨地區(qū)重載高速公路的常見病害情況，結(jié)合大量試驗(yàn)檢測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，提出了適合于高溫多雨地區(qū)重載高速公路瀝青路面的瀝青材料技術(shù)指標(biāo)建議值。

高速公路； 瀝青路面； 高溫多雨； 瀝青材料; 技術(shù)指標(biāo)

0 前言

我國現(xiàn)行的《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)對公路瀝青路面所用瀝青材料提出了系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)要求。但我國幅員遼闊，各地自然條件差異懸殊，技術(shù)水平、材料來源和經(jīng)濟(jì)條件也不盡相同，加之公路本身的交通條件，線型條件也各不相同，因而僅僅依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求進(jìn)行材料設(shè)計(jì)和使用材料，難以充分反映各地區(qū)各項(xiàng)目的具體情況，也就難免不出現(xiàn)一些質(zhì)量問題。如動穩(wěn)定指標(biāo)DS，在生產(chǎn)實(shí)踐中，許多高速公路上所用的瀝青混合料的動穩(wěn)定度已高于規(guī)范要求值很多，但車轍病害還是比較普遍，有些還很嚴(yán)重。還有水穩(wěn)定性指標(biāo)、滲水系數(shù)都滿足規(guī)范要求的公路，都產(chǎn)生了較嚴(yán)重的早期水損害。當(dāng)然路面病害的產(chǎn)生，與許多因素有關(guān)，如施工質(zhì)量、路面結(jié)構(gòu)組合、氣候條件、交通條件等等。但生產(chǎn)實(shí)踐證明，現(xiàn)行規(guī)范對瀝青路面結(jié)構(gòu)材料的技術(shù)指標(biāo)要求，有些確實(shí)是欠妥和缺乏針對性的。對于象我省這樣典型的高溫多雨地區(qū)的重載高速公路而言，瀝青路面破壞的主要形式為車轍、水損害和開裂。對于這些路面損壞，首先必須在結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)中進(jìn)行充分考慮，如我省的通常做法是，表面層采用SBS改性瀝青SMA結(jié)構(gòu)層，可很好地解決水損壞與疲勞開裂問題，并具有良好的抗車轍能力與延緩半剛性基層反射裂縫的能力；中面層采用抗車轍能力較強(qiáng)SBS改性瀝青AC-20C；下面層也是采用抗車轍能力較強(qiáng)的ATB-25或AC-25C。但為了進(jìn)一步提高路面的使用壽命，有必要對瀝青材料提出合理的技術(shù)指標(biāo)要求。本文針對高溫多雨重載交通的使用條件，對高速公路瀝青路面瀝青材料的部分技術(shù)指標(biāo)要求開展研究，力求有針對性地提出相對合理的技術(shù)指標(biāo)要求值。

1 中、上面層瀝青材料技術(shù)指標(biāo)要求

根據(jù)對已通車高速公路的調(diào)研結(jié)果，對于象我省這樣典型的高溫多雨地區(qū)的重載高速公路，要有效控制車轍病害，同時(shí)兼顧抗裂和防止水損害，在瀝青路面中、上面層中采用SBS改性瀝青是很有必要的。調(diào)查結(jié)果表明，在交通量比較大，重車比較多的高速公路上，沒采用SBS改性瀝青的與只在上面層中采用改性瀝青的，其車轍病害明顯比在中、上面層中采用了雙層改性瀝青的要嚴(yán)重。如我省沒有采用改性瀝青的潭邵高速公路與僅在上面層中采用SBS改性瀝青的衡棗高速公路(上面層還是抗車轍性能很強(qiáng)的SMA結(jié)構(gòu))的車轍病害，明顯比超載、超重車明顯要多得多(交通量也要大得多)的京港澳國家高速公路(G4)耒宜段(中、上面層均采用了SBS改性瀝青)要嚴(yán)重得多。日本2001年《路面結(jié)構(gòu)技術(shù)指針》中以塑性變形作為路面性能指標(biāo)，對干線公路，采用道路石油瀝青時(shí)，即使在級配和瀝青用量上下功夫，動穩(wěn)定度的上限約為1 500次/mm，但交通量在3 000輛/d以上時(shí)，動穩(wěn)定度要求的下限約為3 000次/mm，故規(guī)定交通量在3 000輛/d以上時(shí)必須采用改性瀝青，在3 000輛/d以下時(shí)，根據(jù)情況也需要采用改性瀝青。2002年，NCAT試驗(yàn)路的試驗(yàn)表明，非改性瀝青增加0.5%的油石比將使車轍增加54%，改性瀝青的抗車轍性能對瀝青用量的敏感性大為降低。但是，即使采用了雙層改性瀝青的高速公路，也有不少路段產(chǎn)生了較嚴(yán)重的車轍病害。其原因也許是多方面的，如施工質(zhì)量問題、混合料級配問題、使用環(huán)境條件問題(如氣溫特別高、高溫持續(xù)時(shí)間特別長，超重超載車特別多，長大上坡等等)、結(jié)構(gòu)組合設(shè)計(jì)問題等等?？梢钥隙ㄒ稽c(diǎn)是，對于高溫地區(qū)的特重交通高速公路，我國現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)對I-D級SBS改性瀝青(我國大部分地區(qū)高速公路都選擇I-D級)的軟化點(diǎn)要求是明顯偏低的。我省剛開始在高速公路上使用SBS改性瀝青時(shí)，就將軟化點(diǎn)指標(biāo)提高到了70 ℃。我省最早使用SBS改性瀝青是2001年在京港澳國家高速公路(G4)耒宜段，由于是第一次使用，SBS改性瀝青生產(chǎn)單位對質(zhì)量都非常重視，實(shí)際供應(yīng)的SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)絕大多數(shù)在80 ℃左右。盡管耒宜高速公路交通量很大，超載、超重車輛很多，受地形條件限制，線形也不好，存在長大縱坡與小半徑彎道，但通車10多年來，除個別較短的路段外，并沒有產(chǎn)生嚴(yán)重車轍病害，這與中、上面層都采用了軟化點(diǎn)較高的SBS改性瀝青有很大關(guān)系。

在我省這樣的高溫地區(qū)，夏天最高氣溫達(dá)到40 ℃左右，瀝青路面溫度達(dá)到65 ℃左右。參考美國Superpave研究項(xiàng)目的瀝青結(jié)合料等級選擇研究成果，經(jīng)計(jì)算分析與路面溫度實(shí)測試驗(yàn)結(jié)果，按路面溫度應(yīng)選擇的瀝青PG高溫等級為PG-64或PG-70。對極高數(shù)量的重載交通，還應(yīng)提高1～2個高溫等級。Superpave研究成果中提出，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)在1千萬次至3千萬次時(shí)(美國的標(biāo)準(zhǔn)軸載為80 kN)，應(yīng)提高一個高溫等級，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)在3千萬次以上時(shí)，應(yīng)提高2個高溫等級。本項(xiàng)目研究的對象是特重交通，按我國現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定，特重交通是按2.5千萬次標(biāo)準(zhǔn)軸載作用次數(shù)以上(我國的標(biāo)準(zhǔn)軸載為100 kN)，按我國現(xiàn)行的軸載換算公式換算成美國80 kN標(biāo)準(zhǔn)軸載，相當(dāng)于(100/80)4.35×2.5=6.6(千萬次)。按美國瀝青協(xié)會AI的換算標(biāo)準(zhǔn)，也相當(dāng)于6.1千萬次。因此，對于我國的特重交通條件標(biāo)準(zhǔn)，瀝青結(jié)合料應(yīng)提高2個高溫等級，即應(yīng)采用PG-76或PG-82?？紤]到超重、超載車輛較多與較嚴(yán)重的高速公路，行車速度也比較緩慢，產(chǎn)生車轍破壞的可能性會更大。因此，對于高溫多雨地區(qū)的重載高速公路瀝青路面中、上面層的瀝青結(jié)合料的高溫等級應(yīng)達(dá)到PG-82。

大量的室內(nèi)試驗(yàn)檢測結(jié)果表明，SBS改性瀝青的軟化點(diǎn)低于70 ℃時(shí)，其高溫等級是很難達(dá)到PG-82的。如軟化點(diǎn)為68 ℃、針入度為58的某品牌SBS改性瀝青，其高溫等級僅達(dá)到PG-70。SBS改性瀝青要達(dá)到PG-82的高溫等級，一般來說，其軟化點(diǎn)應(yīng)在75 ℃以上。根據(jù)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與大量的試驗(yàn)檢測資料，也有必要對針入度、彈性恢復(fù)等指標(biāo)做適當(dāng)修改。軟化點(diǎn)要求高，SBS的摻量必然要大，相應(yīng)地，針入度會隨之降低，彈性恢復(fù)隨之增大。大量的不同品牌的SBS改性瀝青的檢測結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明，彈性恢復(fù)達(dá)到90%是一點(diǎn)問題都沒有。至于針入度，也是與車轍相關(guān)性很大的一個技術(shù)指標(biāo)，針入度越小，抗車轍能力越強(qiáng)，只要基質(zhì)瀝青選用合適，針入度可以降至55以下。綜上所述，建議用于高溫多雨地區(qū)的重載高速公路瀝青路面中上面層的SBS改性瀝青的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 高溫多雨地區(qū)重載高速公路瀝青路面中上面層SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)要求類別針入度(25℃，100g，5s)/(01mm)針入度指數(shù)PI延度(5℃，5cm/min)/cm軟化點(diǎn)TR&B/℃運(yùn)動粘度(135℃)/(Pa·s)閃點(diǎn)/℃要求值30～55(T0604)≥0(T0604)≥20(T0605)≥75(T0606)≤3(T0625)≥230(T0611)溶解度/%彈性恢復(fù)(25℃)/%離析，48h軟化點(diǎn)差/℃TFOT后質(zhì)量變化/%針入度比(25℃)/%延度(5℃)/cm≥99(T0607)≥90(T0662)≤25(T0661)≤±10(T0610)≥65(T0604)≥15(T0605) 注：表中括號內(nèi)為試驗(yàn)方法。

2 下面層瀝青技術(shù)指標(biāo)要求

下面層或?yàn)r青穩(wěn)定碎石基層所處層位較深，在夏季高溫季節(jié)，其最高溫度要比中、上面層要低，所承受的應(yīng)力、應(yīng)變也較小，我國高速公路上一般以采用70號瀝青為主。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在超載、重載現(xiàn)象非常嚴(yán)重且夏季氣溫高的我省高速公路上，下面層的車轍變形也是不容忽視的。參見圖1，為某高速公路車轍處下凹部位與上凸部位的鉆芯對比圖片。表2中列出了我省某高速公路產(chǎn)生車轍處的鉆芯芯樣厚度情況(表中同一測點(diǎn)處，下凹處與上凸處的鉆芯位置鄰近，相距60 cm左右)。通過對表中同一測點(diǎn)處凹、凸位置芯樣厚度的對比，可以看出，下面層的變形量在車轍變形總量中所占比例是很大的。因此，在我省重載交通的高速公路上，下面層的高溫穩(wěn)定性也必須加以高度重視。

圖1 下面層車轍變形對比圖片

表2 車轍位置鉆芯芯樣變形情況對照表測點(diǎn)編號車轍深度/mm鉆芯位置芯樣厚度/cm上面層中面層下面層總厚度633下凹處335357143上凸處3867217744下凹處404640125上凸處405062151832下凹處453852135上凸處415765153946下凹處434046129上凸處534584182 注：路面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)(瀝青面層部分)為上面層：4cm改性瀝青SMA-13；中面層：5cm70號瀝青AC-20；下面層：6cm70號瀝青AC-25。

為增強(qiáng)抗車轍能力，國際上早就開始使用較稠的瀝青，尤其是在中、下面層和瀝青穩(wěn)定碎石基層中。例如法國有2種基層：瀝青結(jié)合料處治基層(GB)采用的瀝青等級為35/50或50/70號；高模量瀝青混合料HMAC(EMA)基層采用的瀝青結(jié)合料是硬質(zhì)瀝青10/20或者15/25，20/30或35/50+改性劑(天然瀝青、聚乙烯)。我國由于多方面的原因，在高速公路上使用的瀝青針入度偏大，導(dǎo)致無論在南方，還是在北方，甚至在東北地區(qū)都出現(xiàn)了嚴(yán)重的車轍。近年來我國一些地方，開始在下面層中使用50號瀝青，湖南省已在多條高速公路的下面層中使用50號瀝青，目前已全面推廣使用。在下面層中使用30號瀝青也做了一些試驗(yàn)路。

毫無疑問，采用針入度較小的低標(biāo)號瀝青，其瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性肯定要好一些，但疲勞性能和抗裂性能相對較差。眾所周知，我國高速公路瀝青路面幾乎是清一色的半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)。在半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)中，以往人們總誤認(rèn)為下面層產(chǎn)生的拉應(yīng)力、拉應(yīng)變在整個瀝青層中是最大的，最容易產(chǎn)生疲勞開裂。其實(shí)不然，當(dāng)各結(jié)構(gòu)層之間的接觸條件為完全連續(xù)時(shí)，瀝青混凝土各層的底面都處于受壓狀態(tài)，按現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)方法，在半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)中，瀝青層層底拉應(yīng)力驗(yàn)算是毫無意義的。根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變的計(jì)算分析，瀝青層層底的拉應(yīng)變也是很小的。因此，在半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)中，下面層的疲勞性能是不需要作為主要問題過多考慮的。相反，在高溫、重載條件下，路表面倒是存在較大拉應(yīng)力，容易產(chǎn)生疲勞裂縫。調(diào)查表明，許多縱向裂縫就是從上往下開的，參見圖2。這與粒料做基層的柔性路面結(jié)構(gòu)不同，可以采用相對較硬的瀝青。另外，從抗半剛性基層反射裂縫的角度來說，不是瀝青軟一點(diǎn)(即針入度大一些)就可以解決問題的。事實(shí)上，下面層的瀝青軟一點(diǎn)或硬一點(diǎn)，對半剛性基層瀝青路面反射裂縫產(chǎn)生與否，或多少，影響不會很大(當(dāng)然多少有一點(diǎn))。要解決或減輕半剛性基層瀝青路面的反射裂縫問題，主要還得從半剛性基層的級配、強(qiáng)度、施工工藝、養(yǎng)護(hù)等方面，以及設(shè)置應(yīng)力吸收層，采用較厚的瀝青層，結(jié)構(gòu)中采用抗裂性很好的SMA結(jié)構(gòu)層等方面采取措施。

圖2 從路表向下開的縱向裂縫

大量的車轍試驗(yàn)結(jié)果表明，最大公稱粒徑為26.5 mm與19 mm的瀝青混合料，采用50號瀝青的動穩(wěn)定度DS要比采用70號瀝青的要高40%左右。湖南高速公路通常所用的AC-25與AC-20級配(如表3所示的級配范圍中值)分別采用50號與70號瀝青時(shí)，其動穩(wěn)定度對比數(shù)據(jù)如表4所示。從總體上看，采用50號瀝青比70號瀝青動穩(wěn)定度高了1 000左右。

表3 湖南高速公路通常所用的AC-25與AC-20礦料級配范圍類別篩孔(mm)通過率/%3152651901601329547523611806030150075AC-25100100～9586～7076～6066～5054～3838～2632～2024～1418～1014～711～57～3AC-20/100100～9590～7576～6260～4642～3032～2225～1518～1014～711～57～3

表4 50號瀝青與70號瀝青動穩(wěn)定度數(shù)據(jù)對比(次·mm-1)級配類型70號瀝青50號瀝青AC-25Pa=39%～41%2520，2625，22502423，2250，27393750，4375，33513500，3316，39382250，2100，23332032，2520，19093405，3298，35193000，3500，43152921，3177，21762423，2333，28643043，4013，32142739，3795，37952333，2172，25202325，2461，24143165，3050，31662118，1575，21532520，3000，27393987，3134，33692864，2423，30002625，2625，24303150，3316，37063150，2423，25201950，2342，22263150，3937，2739DS=2447(平均值)DS=3458(平均值)AC-20Pa=41%～43%2299，2124，23041642，1759，18913182，2930，30673058，3134，30001853，2100，14002281，1704，16302786，3150，28903351，2811，37282250，1750，24231556，1885，17283000，3316，25203408，2602，31501969，1750，13172022，2064，16882786，3500，24232680，2714，34541692，1843，19491812，1728，21902952，2764，22832755，3113，26602283，2571，20592104，2525，20181913，1851，19902218，2100，19871869，1744，1785DS=1947(平均值)DS=2972(平均值)

綜上所述，從功能設(shè)計(jì)的角度上講，下面層或?yàn)r青穩(wěn)定碎石基層采用50號瀝青比以往通常采用70號瀝青，對高溫多雨地區(qū)重載高速公路瀝青路面是更為有利的。當(dāng)然根據(jù)國內(nèi)外的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，采用30號瀝青是完全可行的，只是我國目前30號瀝青的供應(yīng)量很少。

通過對我省幾條高速公路所用幾個廠家的102個50號瀝青的三大指標(biāo)檢測結(jié)果(如表5)的統(tǒng)計(jì)分析，得到以下結(jié)論：

1) 只有一個樣品的軟化點(diǎn)低于A級瀝青的要求49 ℃，合格率99.02%；

2) 針入度也只有一個樣品超出40～60的范圍，合格率99.02%；

3) 15 ℃的延度100%合格；

4) 10 ℃的低溫延度只有27個樣品符合A級瀝青≥15 cm的要求，合格率只有25.96%；按B級瀝青的要求，只有19個樣品不合格，小于10 cm，合格率81.37%；

5) 針入度小于50的只有7個樣品，僅占6.86%，也就是說針入度絕大多數(shù)介于50～60之間。

從上述的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，50號瀝青在針入度較大的情況下(即介于50～60之間)，10 ℃的延度尚很難滿足規(guī)范對A級瀝青的技術(shù)要求，就是B級標(biāo)準(zhǔn)，也有不少樣品不能達(dá)標(biāo)。如果針入度處于低值水平的話(即介于40～50之間)，10 ℃延度就更難滿足要求了(本來規(guī)范對50號瀝青的10 ℃延度要求就欠妥，有點(diǎn)偏高，與用于1 — 4區(qū)、2～4區(qū)的70號瀝青的標(biāo)準(zhǔn)完全一樣)。瀝青生產(chǎn)廠家供應(yīng)的50號瀝青的針入度之所以絕大多數(shù)介于50～60之間，也就是想盡量滿足規(guī)范對10 ℃延度的要求，這對瀝青路面結(jié)構(gòu)的高溫穩(wěn)定性是不利的。

表5 50號瀝青三大指標(biāo)檢測結(jié)果一覽表樣品編號針入度/(01mm)軟化點(diǎn)/℃延度/cm10℃15℃樣品編號針入度/(01mm)軟化點(diǎn)/℃延度/cm10℃15℃樣品編號針入度/(01mm)軟化點(diǎn)/℃延度/cm10℃15℃15649012>100355549010>100696049021>10025749012>100365349512>100704949511>10035749013>100375250013>10071495209>10045949514>100385449511>100725853015>10055350010>100395648519>100735754510>10065449012>100404849011>10074525009>10075649014>100415249512>10075534959>10085649014>100425449512>100765550011>10095649013>10043504959>10077544959>100105849510>100445250013>100785049511>100115849012>100455349512>10079445108>100125649012>100465249011>100805849515>100135749510>100475450012>100816049015>100145449016>100486050012>100825151510>100155549014>100495452014>100835751510>100165649015>100506052517>10084595009>100175549016>100515851524>10085554959>100186049015>100526050016>10086554959>100196149016>100536049518>100875351511>100205949013>100545849017>100885049015>100215449010>100556051516>100896049514>100225249511>100565449016>10090525109>100235450014>100576049514>10091585259>100245550012>100585549014>100925549011>100255549513>10059485057>100935549011>100265449013>100606049516>100945349511>100275949015>100616049516>100955549011>100285349512>100626049014>100965549510>100295950515>100636049514>10097584959>100305650513>100645949019>10098534909>100315449513>100656049020>10099554909>100325850016>10066504958>100100575009>100334949511>100675549015>100101524958>100345349515>10068485109>1001025749021>100

鑒于上述情況，對用于高溫多雨地區(qū)重載高速公路瀝青路面下面層的50號或30號瀝青，建議可不提10 ℃延度的技術(shù)指標(biāo)要求，只做實(shí)測記錄，用于使用單位對瀝青品牌的選擇。對于50號瀝青，應(yīng)要求瀝青廠家按40～50的針入度控制生產(chǎn)，進(jìn)貨驗(yàn)收檢測可放寬至40～55。建議用于高溫多雨地區(qū)重載高速公路瀝青路面下面層的50號與30號瀝青的技術(shù)要求見表6。

表6 高溫多雨地區(qū)重載高速公路瀝青路面下面層用50與30號瀝青的技術(shù)要求類別針入度(25℃，100g，5s)/(01mm)針入度指數(shù)PI軟化點(diǎn)TR&B/℃60℃動力粘度/(Pa·s)延度(15℃，5cm/min)/cm50號瀝青40～55-18～+10≥49≥200≥8030號瀝青20～40-18～+10≥55≥260≥50(T0604)(T0604)(T0606)(T0620)(T0605)延度(10℃，5cm/min)/cm蠟含量(蒸餾法)/%閃點(diǎn)/℃溶解度/%TFOT后質(zhì)量變化/%針入度比(25℃)/%實(shí)測記錄≤22≥260≥995≤±08≥63≤22≥260≥995≤±08≥65(T0605)(T0615)(T0611)(T0607)(T0610)(T0604) 注：表中括號內(nèi)為試驗(yàn)方法。

3 結(jié)語

本文所提出的用于高溫多雨地區(qū)重載高速公路瀝青路面的瀝青材料技術(shù)指標(biāo)，自2009年以來在我省長湘、衡桂、溆懷、新溆、大岳、汝郴、郴寧等多條高速公路得到了推廣應(yīng)用，并取得了良好效果。

[1] JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范[S].

[2] 沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京：人民交通出版社，2001.

[3] 沈金安.改性瀝青與SMA路面[M].北京：人民交通出版社，1999.

1008-844X(2016)04-0001-05

U 416.217

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