杜榮耀，林有貴*

(1.廣西交投科技有限公司，廣西 南寧 530000；2.廣西高速公路養(yǎng)護(hù)工程技術(shù)研究中心)

1 引言

車轍是瀝青路面的主要病害類型，嚴(yán)重影響公路的行駛舒適性和安全性，由于車轍處理方式一般是銑刨重鋪，養(yǎng)護(hù)費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于坑槽等病害的維修，因此瀝青路面車轍的防治一直都是瀝青路面研究的重點(diǎn)。車轍病害較多，一定程度上是由于現(xiàn)行試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的瀝青混合料室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)性能相關(guān)性較差引起的。國(guó)內(nèi)外眾多的研究結(jié)果表明漢堡車轍試驗(yàn)作為一種評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫抗車轍性能和水穩(wěn)性能的試驗(yàn)方法，其評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際路用性能相關(guān)性較高，可以確保二者之間的一致性。

集料是瀝青混合料的重要組成部分，占混合料整個(gè)體積90%左右。韓雪等以瀝青路面中面層為研究對(duì)象，探究了集料的壓碎值、磨耗值對(duì)混合料路用性能的影響，研究結(jié)果顯示集料的壓碎值、磨耗值越大，瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性整體下降；譚積青采用瀝青混合料APA(瀝青路面分析儀)車轍試驗(yàn)研究了壓碎值分別為23.6%和16.3%的石灰?guī)r和花崗巖對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響，結(jié)果顯示壓碎值對(duì)試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有明顯的影響，采用動(dòng)穩(wěn)定度車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)了棱角性指標(biāo)對(duì)瀝青混合料穩(wěn)定性的影響，結(jié)果顯示棱角性指標(biāo)對(duì)瀝青混合料穩(wěn)定性有顯著影響；周燁研究了集料針片狀含量對(duì)瀝青混合料抗剪強(qiáng)度、高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)性的影響，結(jié)果表明：針片狀顆粒含量對(duì)混合料性能的影響比較大，針片狀顆粒容易斷裂、混合料不容易壓實(shí)、骨架結(jié)構(gòu)的抗車轍能力下降、水穩(wěn)性下降。JTG E20-2011《公路工程瀝青與瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中關(guān)于車轍試驗(yàn)的條文說(shuō)明中提到漢堡車轍試驗(yàn)會(huì)導(dǎo)致集料破碎，影響試驗(yàn)結(jié)果，但未明確漢堡車轍試驗(yàn)適用范圍。

該文采用漢堡車轍試驗(yàn)和APA試驗(yàn)儀，成型不同集料壓碎值的瀝青混合料試件進(jìn)行漢堡和APA試驗(yàn)，通過(guò)分析試驗(yàn)結(jié)果界定漢堡車轍試驗(yàn)和APA試驗(yàn)評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫的適用范圍，以便指導(dǎo)漢堡車轍試驗(yàn)和APA試驗(yàn)。

2 漢堡車轍試驗(yàn)原材料

采用的集料主要為石灰?guī)r、輝綠巖、閃長(zhǎng)巖及玄武巖，其壓碎值及針片狀指標(biāo)見表1；細(xì)集料(粒徑≤4.75 mm)采用石灰?guī)r軋制，砂當(dāng)量為71，礦粉采用石灰?guī)r磨制。

瀝青采用SBS I-D改性瀝青，各項(xiàng)指標(biāo)滿足JTG F40-2004《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》中技術(shù)指標(biāo)的要求，瀝青檢測(cè)結(jié)果見表2。

表1 不同集料壓碎值、針片狀含量結(jié)果

3 漢堡車轍試驗(yàn)和APA試驗(yàn)方案

3.1 級(jí)配設(shè)計(jì)

表2 SBS改性瀝青(I-D)技術(shù)指標(biāo)

表3 不同集料壓碎值的設(shè)計(jì)級(jí)配

不同集料、不同級(jí)配馬歇爾空隙率檢測(cè)結(jié)果如表4所示。

3.2 試驗(yàn)條件

采用的試驗(yàn)儀器為美國(guó)產(chǎn)APA試驗(yàn)儀，可以進(jìn)行漢堡車轍試驗(yàn)和APA車轍試驗(yàn)，采用凹面鋼輪加壓于橡膠管、而橡膠管置于試件表面即為APA試驗(yàn)，平面鋼輪直接加壓于試件即為漢堡車轍試驗(yàn)。采用的試驗(yàn)指標(biāo)參考國(guó)際常用的標(biāo)準(zhǔn)，漢堡車轍試驗(yàn)的具體試驗(yàn)條件如下：

(1)試驗(yàn)環(huán)境：50 ℃恒溫水浴。

(2)加載方式：鋼輪寬度47 mm，荷重716.7 N，輪壓約0.7 MPa。

(3)加載速度：42次/min。

(4)試驗(yàn)終止條件：碾壓次數(shù)達(dá)到20 000次或車轍深度達(dá)到12.5 mm。

該文采用中國(guó)國(guó)內(nèi)輪碾儀成型300 mm×300 mm×62 mm的方形試件，控制試件空隙率為5%～6%，然后使用150 mm的鉆芯機(jī)鉆芯取樣，將試件切割成規(guī)定尺寸后進(jìn)行漢堡車轍試驗(yàn)，試驗(yàn)所需時(shí)間大約為7.5 h，試驗(yàn)規(guī)程詳見APA使用手冊(cè)(文獻(xiàn)[12])。試驗(yàn)結(jié)束后以最終車轍深度作為漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果。

4 漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)不同集料壓碎值、不同級(jí)配成型的瀝青混凝土試件進(jìn)行漢堡車轍試驗(yàn)，以最終車轍深度作為漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果，檢測(cè)結(jié)果見表5，其中針片狀含量是按照粗集料的摻配比例進(jìn)行計(jì)算的。表5的級(jí)配編號(hào)也是瀝青混合料編號(hào)，對(duì)應(yīng)于表3、4的級(jí)配編號(hào)。

表5 漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果

由表5可知：混合料1～6(壓碎值≥20%)試件表面碎石被磨耗(水浴發(fā)白有石粉漂浮)、部分粗集料破碎，而且隨著壓碎值增大這種現(xiàn)象越嚴(yán)重；而混合料7～12(壓碎值<20%)則無(wú)碎石磨耗和壓碎現(xiàn)象。表明帶鋼輪的漢堡車轍試驗(yàn)適用于壓碎值小于20%的硬質(zhì)集料，而不適用于壓碎值大于20%的軟集料。

從漢堡車轍試驗(yàn)后的試件來(lái)看，當(dāng)集料壓碎值為24.8%時(shí)，試件表面集料壓碎磨耗嚴(yán)重，且漢堡車轍試驗(yàn)過(guò)程中部分集料被磨耗成粉狀顆粒，試驗(yàn)用水渾濁發(fā)白、漂浮白色石粉；隨著壓碎值的不斷減小，試件表面集料的磨耗壓碎現(xiàn)象也逐漸減輕，當(dāng)集料壓碎值為19.8%和19%時(shí)，漢堡車轍試驗(yàn)完成后僅試件表面存在集料輕微磨耗的現(xiàn)象，未見集料壓碎，當(dāng)集料壓碎值為13.8%時(shí)，漢堡車轍試驗(yàn)后試件表面未見集料被磨耗的現(xiàn)象。集料壓碎值表征集料的堅(jiān)硬程度，漢堡車轍試驗(yàn)由于使用鋼輪，并且運(yùn)行試件時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)7.5 h，所以集料的力學(xué)特性對(duì)漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果影響較大，JTG F40-2004《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》對(duì)于中下面層和上面層的集料壓碎值要求分別為28%、26%，該次試驗(yàn)最大壓碎值為24.8%，在相近瀝青混合料級(jí)配、空隙率及相同油石比的情況下集料壓碎值對(duì)漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果——車轍深度產(chǎn)生了較大的影響。顯然，當(dāng)集料壓碎值大于20%時(shí)，其混合料高溫性能不應(yīng)采用漢堡車轍試驗(yàn)。

分析表5可知：混合料11和12為異常值應(yīng)予以剔除，車轍深度與壓碎值的回歸關(guān)系見圖1。

圖1 漢堡車轍深度與壓碎值的關(guān)系

由圖1可知：擬合曲線呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，兩個(gè)回歸式的相關(guān)性均大于0.97，即高度相關(guān)。顯然隨著壓碎值的減小，在相近級(jí)配、馬歇爾空隙率及相同油石比的情況下，漢堡車轍深度不斷減小。表明硬質(zhì)粗碎石的棱角性發(fā)揮了作用，即壓碎值越小材質(zhì)越硬、粗集料棱角越不易磨損，混合料抗剪強(qiáng)度越高，反之粗集料壓碎值越大材質(zhì)越軟、粗集料棱角越容易磨損，混合料抗剪強(qiáng)度越小。基于這一推斷，可認(rèn)為車轍深度的主要影響因素是混合料自身的抗剪強(qiáng)度，而集料磨耗影響微小。由此可見，集料硬度對(duì)瀝青混合料高溫性能影響顯著，其他條件相同時(shí)集料壓碎值越小，其瀝青混合料剪切強(qiáng)度越高，高溫性能越好。

相似地，視混合料9和10為異常值予以剔除，車轍深度與針片狀含量回歸關(guān)系見圖2。

圖2 漢堡車轍深度與針片狀含量的關(guān)系

由圖2可知：① 擬合曲線呈線性函數(shù)關(guān)系，相關(guān)性大于0.97，即高度相關(guān)。顯然隨著針片狀含量的增加，在相近級(jí)配、馬歇爾空隙率及相同油石比的情況下，漢堡車轍深度不斷增加，主要原因是針片狀顆粒干涉了集料顆粒排列，級(jí)配劣化，導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低；② 針片狀含量相同或相近時(shí)，硬質(zhì)集料混合料的車轍深度明顯小于軟質(zhì)集料混合料，一般小2～3 mm，表明試驗(yàn)過(guò)程中軟弱針片狀顆粒容易被壓碎，破碎集料劣化原級(jí)配，導(dǎo)致混合料抗剪強(qiáng)度降低，而硬質(zhì)針片狀顆粒未被壓碎，混合料集料保持了原級(jí)配，抗剪強(qiáng)度未降低。

綜上可知，集料硬度對(duì)瀝青混合料的抗車轍性能影響顯著，工程實(shí)際中對(duì)于濕熱地區(qū)(如廣西地區(qū))應(yīng)盡可能采用輝綠巖、玄武巖等硬質(zhì)集料，而避免采用石灰?guī)r等軟質(zhì)集料。

5 現(xiàn)場(chǎng)芯樣漢堡車轍和APA車轍試驗(yàn)

5.1 試驗(yàn)方案

研究采用APA車轍試驗(yàn)進(jìn)行軟集料瀝青混合料抗車轍性能評(píng)價(jià)，同時(shí)還進(jìn)行漢堡車轍試驗(yàn)，以再次驗(yàn)證上節(jié)結(jié)論的正確性。試驗(yàn)選取廣西地區(qū)壇洛至百色高速公路K690+770下行段進(jìn)行鉆芯取樣，該段已經(jīng)通車運(yùn)營(yíng)10年，行車道右輪跡帶車轍表面深度為5 mm，中面層僅發(fā)生約2 mm變形。為了盡可能保證所取試樣的性質(zhì)接近車轍發(fā)生位置的瀝青路面品質(zhì)，取芯位置盡可能接近車轍發(fā)生位置但盡量避免車轍位置，所以在硬路肩標(biāo)線位置取芯，采用中面層芯樣分別進(jìn)行漢堡車轍試驗(yàn)和APA車轍試驗(yàn)。施工時(shí)上面層采用輝綠巖碎石，壓碎值為12.6%；中面層和下面層為石灰?guī)r碎石，壓碎值為25.3%。

5.2 試驗(yàn)條件

APA瀝青路面分析儀采用多功能輪轍試驗(yàn)儀，前身為喬治亞州輪轍試驗(yàn)儀，主要用于評(píng)估瀝青混合料永久變形、疲勞開裂及水損，該試驗(yàn)采用的APA試驗(yàn)儀由美國(guó)生產(chǎn)，試驗(yàn)規(guī)程詳見文獻(xiàn)[12]。試驗(yàn)條件如下：

(1)試驗(yàn)環(huán)境：50 ℃恒溫水浴。

(2)加載方式：凹形鋼輪沿充氣的橡膠管在試件上往復(fù)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行加載，膠管內(nèi)壓力0.7 MPa，輪荷載716.7 N。

(3)試驗(yàn)終止條件：碾壓次數(shù)達(dá)到8 000次或車轍深度達(dá)到12.5 mm。

APA試驗(yàn)試件為現(xiàn)場(chǎng)取芯的中面層試件，為石灰?guī)r集料瀝青混凝土，制作試件時(shí)切去上面層和多余的下面層加工成直徑150 mm、高75 mm的圓柱形試件。另外，對(duì)于漢堡車轍試驗(yàn)試件，在表面黏結(jié)了單一粒徑3～5 mm的輝綠巖細(xì)集料，以減少鋼輪對(duì)試件的磨耗，然后進(jìn)行漢堡車轍試驗(yàn)。輝綠巖粗集料壓碎值為13.2%，鋼輪基本上不會(huì)對(duì)輝綠巖產(chǎn)生磨耗。

5.3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)制作后的試件分別進(jìn)行APA車轍試驗(yàn)和漢堡車轍試驗(yàn)，APA試驗(yàn)結(jié)果：碾壓8 000次后車轍深度為2.225 mm；漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果：4 374次荷載作用后中止試驗(yàn)，車轍深度達(dá)到12.5 mm。

實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)瀝青路面中面層未發(fā)生車轍，可見與APA車轍試驗(yàn)結(jié)果吻合，但是漢堡車轍試驗(yàn)結(jié)果卻出現(xiàn)了與現(xiàn)場(chǎng)不符合的現(xiàn)象。雖然試驗(yàn)時(shí)在試件表面加鋪了一層磨耗層，但漢堡試驗(yàn)鋼輪仍對(duì)試件集料產(chǎn)生了較嚴(yán)重的壓碎，漢堡車轍試驗(yàn)僅進(jìn)行4 374次荷載作用車轍深度就達(dá)到12.5 mm。從試件可看出，試驗(yàn)后漢堡車轍試驗(yàn)箱內(nèi)出現(xiàn)了集料粉塵顆粒的沉淀，這主要是由于集料壓碎磨耗造成的，試驗(yàn)結(jié)果再次驗(yàn)證了漢堡車轍試驗(yàn)不適用于集料壓碎值大于20%的混合料。APA車轍試驗(yàn)使用軟橡膠管，和實(shí)際瀝青路面運(yùn)營(yíng)中輪胎作用于路面原理較相似，在APA車轍試驗(yàn)過(guò)程中并未出現(xiàn)集料壓碎磨耗的現(xiàn)象，因此APA試驗(yàn)適合于壓碎值大于20%的軟集料瀝青混合料的抗車轍性能評(píng)價(jià)。

6 討論

對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)漢堡車轍深度的要求各個(gè)國(guó)家和地區(qū)不盡相同，德國(guó)漢堡地方規(guī)范規(guī)定，荷載作用20 000次對(duì)應(yīng)的車轍深度值應(yīng)不大于4 mm。美國(guó)各州之間也存在差異，如得克薩斯州、科羅拉多州、蒙大拿州等地區(qū)交通部門制定了適合本州實(shí)際情況的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，漢堡車轍試驗(yàn)的最大車轍深度值統(tǒng)一規(guī)定為不大于12.5 mm，荷載作用次數(shù)根據(jù)瀝青等級(jí)調(diào)整，文獻(xiàn)[14]指出在采用HWTD評(píng)價(jià)混合料性能時(shí)，要求荷載作用20 000次對(duì)應(yīng)的車轍深度值不大于20 mm。以上評(píng)價(jià)指標(biāo)差別較大，經(jīng)分析，其主要原因是對(duì)于不同壓碎值集料均采用漢堡車轍試驗(yàn)，而不是根據(jù)集料壓碎值選用APA試驗(yàn)。

對(duì)于APA車轍評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)NCHRP報(bào)告508研究采用從路面現(xiàn)場(chǎng)取芯，集料從芯樣中抽提得到，選擇與原有瀝青相似的瀝青與集料混合進(jìn)行短期老化，成型車轍試件進(jìn)行APA車轍試驗(yàn)，將APA車轍試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)車轍情況進(jìn)行對(duì)比，提出了APA車轍控制標(biāo)準(zhǔn)：在交通量水平為30×106標(biāo)準(zhǔn)軸次及4PGSC(圓柱形試樣，空隙率4%，PG分級(jí)高溫溫度，標(biāo)準(zhǔn)輪胎)的試驗(yàn)條件下APA車轍控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)小于3 mm。

文獻(xiàn)[16]檢測(cè)了廣西7段高速公路，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)車轍深度，鉆芯280個(gè)，使用路面芯樣進(jìn)行漢堡車轍和APA車轍試驗(yàn)，結(jié)果表明路面無(wú)車轍或輕微車轍時(shí)，室內(nèi)漢堡或APA車轍試驗(yàn)深度均小于4 mm。

7 結(jié)論

(1)漢堡車轍試驗(yàn)適用于評(píng)價(jià)集料壓碎值小于20%的瀝青混合料的高溫性能，對(duì)于集料壓碎值大于20%的瀝青混合料應(yīng)采用APA車轍試驗(yàn)評(píng)價(jià)其高溫性能。

(2)采用現(xiàn)場(chǎng)石灰?guī)r(壓碎值25.3%，中面層)集料瀝青路面芯樣分別進(jìn)行APA車轍試驗(yàn)和漢堡車轍試驗(yàn)，APA車轍試驗(yàn)車轍深度為2.225 mm，預(yù)測(cè)實(shí)際路面無(wú)車轍或輕微車轍，這一預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際路面相符；而漢堡試驗(yàn)車轍深度為12.5 mm，預(yù)測(cè)路面產(chǎn)生嚴(yán)重車轍，顯然與實(shí)際不符，再次驗(yàn)證漢堡車轍試驗(yàn)不適用于集料壓碎值大于20%的瀝青混合料。

(3)集料硬度對(duì)瀝青混合料的抗車轍性能影響顯著，集料壓碎值越低其瀝青混合料抗車轍性能越好。其主要原因是軟質(zhì)集料易被壓碎，劣化原集料級(jí)配，進(jìn)而導(dǎo)致混合料抗剪強(qiáng)度降低。因此，工程實(shí)踐中為提高瀝青混合料抗車轍性能，應(yīng)盡可能采用輝綠巖、玄武巖等硬質(zhì)集料，而避免采用石灰?guī)r等軟質(zhì)集料。

(4)集料針片狀顆粒不利于混合料高溫性能，其含量越大混合料車轍越深，主要原因是針片狀顆粒干涉集料級(jí)配，降低混合料抗剪強(qiáng)度。