陈龙海1 熊冰2
1中铁二院工程集团有限责任公司公路与市政设计研究院，成都610031; 2四川公路工程咨询监理公司，成都610041
摘要：本文根据巴基斯坦南部地区气温及交通特征，通过混合料配合比试验、三轴压缩抗剪强度、四点疲劳试验，以及试验段试铺等方法对多碎石沥青混凝土在当地的应用进行研究。研究结果指出多碎石沥青混合料孔隙率宜控制在5~5.5%，并宜采用相对较小的沥青用量；混合料中粗集料含量超过60%，能形成有效的骨架嵌挤结构，同时采用SBS改性沥青及抗车辙剂等措施，因此具有优异的高温抗剪性能，同时还具有优良的水稳定性、抗裂性能和抗疲劳特性。
关键词： 多碎石沥青混合料 巴基斯坦 高粘沥青 沥青混合料 车辙 疲劳
Research On The Application of Multi-Gravel Asphalt Concrete in heavy road Pakistan
Longhai Chen1 , Bing Xiong2
1China Railway Eryuan Engineering Group Highway and Municipal Design Institute Co. Ltd, Chengdu, 610031
2 Sichuan Highway Engineering Consult Supervision Company, Chengdu, 610041
Abstract: Based on the temperature and traffic characteristics of southern Pakistan, this paper studies the application of multi-gravel asphalt concrete in the local area through several tests, which includes mixture mix ratio test, triaxial compression shear strength test, four-point fatigue test, and pavement test on testing section, etc. The research results show that adopting measures on asphalt concrete could make it have excellent high temperature shear resistance, excellent water stability, crack resistance and fatigue resistance. Particularly, the porosity of multi-gravel asphalt mixture should be controlled at 5~5.5%, and the relatively small amount of asphalt should be applied. The coarse aggregate content in the mixture exceeds 60%, which could form an effective frame embedded structure. Moreover, adopting SBS modified asphalt and using anti-rutting agent, etc.
Keywords: Multi-gravel asphalt mixtures, Pakistan, High viscosity asphalt, Asphalt mixtures, Track, Fatigue
1 引言
巴基斯坦N5公路为连接卡拉奇和伊斯兰堡的南北向公路干线，交通量大，重车辆比重超过60%。该公路南段位于信德省，气温高、持续时间长，每年有七个月平均最高气温超过35℃，最高气温超过50℃。该道路车辙病害严重，许多路段在沥青路面铺筑仅数月后就出现严重车辙。据对约130km路段调查，车辙路段超过70%，车辙深度一般在2～5cm，严重路段达6～10cm，造成车辙破坏异常严重的原因既有当地恶劣的气温、交通等外部因素，也有沥青混合料设计、施工质量控制不适应上述恶劣条件的原因。说明必须采用高温抗剪性能优异的新型沥青混合料才能适应繁重的交通及恶劣的气温条件。
多碎石沥青混凝土结构是在传统AC结构基础上增加粗集料含量形成的高性能沥青混凝土，其粗集料含量通常在60%以上，能形成骨架密实结构，具有孔隙率小、抵抗变形能力强的特点，自1988年至2005年间在国内铺筑超过2000Km，是产生早期水损坏最少和车辙最轻的沥青混合料之一。本文结合中国援巴基斯坦国道公路网修复项目对多碎石沥青混凝土在巴基斯坦的应用进行研究，对推广中国沥青路面新技术在南亚地区的应用，并开拓南亚地区公路建设市场具有一定的参考作用。
2 试验用材料
2.1沥青
根据对当地气温资料的统计分析，按中国规范求取的最热月平均日最高气温为44.6℃，对应路面温度超过65℃；按美国PG分级求取7天最高气温为50.2℃，对应路面温度超过70℃。根据交通量调查资料预测，本项目设计年限内(10年)路面累计当量轴次为6.57×107 (轴重100KN) ，且重车比重超过60%，为特重交通。
美国SHRP计划研究表明沥青的性能提供了混合料约40%的抗车辙性能，所以沥青胶结料的选择对混合料高温重载性能影响很大。当地50号沥青软化点仅51℃，无法满足需要。根据气温及交通特征分析，应采用软化点不低于80℃的高粘沥青。试验结果见表1，4~5%掺量SBS改性沥青软化点显著提高，同时仍具有较好的延度及弹性恢复性能。
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根据SBS掺量工艺试验，SAC16、SAC20用沥青SBS改性剂掺量为5%，SAC25掺量为4%。
2.2集料
采用石灰岩轧制的粗集料。集料呈微红色，表面光滑，主要性能指标满足中国《公路沥青路面施工技术规范》相关要求，但指标较低，主要表现为与基质沥青粘附性差，仅达到3级压碎值偏大，洛杉矶磨耗损失偏低，吸水率偏高，试验结果见表2。
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用水泥替代矿粉可提高沥青与粗集料的粘附性，并改善混合料水稳定性，同时也有利于提高混合料高温抗车辙性能。当地缺乏合格的矿粉，本次试验混合料用水泥代替矿粉做填料。
3混合料设计
3.1 矿料级配
矿料级配是沥青混合料最重要特性之一，影响沥青混合料的所有重要特性。多碎石沥青混凝土SAC在传统AC结构基础上增加粗集料含量，形成骨架密实型结构。矿料级配设计时，粗集料(大于4.75mm颗粒)含量通常在60%以上，中间颗粒很少，既由高含量的粗集料、低含量的中间颗粒，以及较高含量的矿粉和适量的沥青组成的混合料，其大部分粗集料相互接触形成骨架结构，沥青胶浆填充于骨架之间，因此具有孔隙率较小、抗变形能力强的特点。SAC混合料实际最大颗粒的通过率都是100%，不再是90~100%。
混合料孔隙率较大时易产生压密变形，但孔隙率低于某临界值时，继续减小孔隙率，反而会降低混合料抗车辙能力。有研究表明，孔隙率小于4.9%时，抗剪强度下降最快；孔隙率4.9~5.9%时，抗剪强度下降速度有所减小；大于6%时以后，孔隙率增大，抗剪强度减小速度进一步减慢。设计孔隙率还应随着气候、交通条件变化，也应适应压路机加重的情况，重交通情况可以适当提高设计孔隙率和减少沥青用量。结合当地气温及交通条件，为提高混合料高温抗车辙性能，孔隙率适当加大，宜控制在5~5.5%。矿料级配见表3。
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3.2 沥青用量
混合料中沥青用量偏大时，集料表面沥青膜较厚，自由沥青增多，粗集料之间易发生相对滑移，降低混合料抗剪强度，在高温环境、重载交通作用下，容易产生车辙变形。针对当地高温重载情况，结合国内及巴基斯坦当地经验，在满足水稳定性、疲劳特性的前提下，混合料设计时宜采用较低的用油量。本次混合料设计沥青用量及混合料体积指标见表4，各结构层沥青用量为3.7～4.3%。
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4 混合料路用性能评价
4.1 混合料水稳定性检验
巴基斯坦南部地区气候干燥，多年平均年降雨量仅100~200mm。中国《沥青路面施工技术规范》要求，改性沥青混合料浸水马歇尔试验残留稳定度不小于80%，冻融劈裂试验残留强度比不小于75%。试验结果表明SAC混合料均满足该规范要求。SAC结构具有较好的水稳定性，主要是因为高粘沥青胶浆有效填充于集料孔隙之间，混合料具有合理的孔隙率，外界水分较难进入，因而提高了混合料水稳定性。用水泥替代矿粉也改善了粗集料粘附性，并提高了混合料水稳定性，试验结果见表5。
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4.2车辙试验
进行了0.7MPa胎压60℃、70℃、80℃条件的车辙试验，分别测试了动稳定度及总变形率指标，并研究了SBS改性剂及抗车辙剂不同掺配方案对高温抗车辙性能的影响。试验结果见表6、表7。
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试验结果表明，由于粗集料增加，相互之间形成有效的嵌挤结构，使粗集料之间具有较大的内摩察力；掺配SBS改性剂或抗车辙剂，也提高了胶结料高温稳定性能。两项措施共同作用使混合料具有优异的抗车辙性能，明显优于普通的AC结构混合料。试验结果还表明，同时掺配SBS改性剂及抗车辙剂比单纯掺加SBS改性剂大幅提高了混合料动稳定度，降低了总变形率。
4.3三轴压缩抗剪强度试验
目前混合料抗剪强度评价无统一规定，本次采用三轴压缩试验评价混合料抗剪强度。试验采用UTM试验机，考虑当地温度条件，并参照车辙试验温度，SAC25采用70℃试验温度，SAC16、SAC20采用80℃试验温度。
SAC16、SAC20、SAC25三轴压缩抗剪强度分别为0.864MPa、0.823MPa、0.7.5MPa，相较普通AC沥青混合料提高近一倍，证明其高温抗剪性能优异。
4.4小梁弯曲试验
小梁弯曲试验采用-10℃±0.5℃试验温度，测定了SAC 20、SAC25混合料破坏应变、劲度模量、抗弯拉强度，综合评价混合料低温抗裂性能，试验结果见表8。
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SAC混合料通过采用SBS改性高粘沥青，沥青胶浆有效地填充于骨架之间的孔隙，使混合料具有较好的低温抗裂性能，破坏应变均大于2600με，满足中国《公路沥青路面施工技术规范》不小于2500με要求。
4.5 四点疲劳试验
四点疲劳试验采用恒应变控制的连续偏正弦波作为疲劳试验的标准加载波形，试验机采用气动伺服诺丁汉沥青材料试验仪NU14，试验温度20℃±0.5℃，加载频率为10Hz±0.1Hz，目标抗拉应变为500με，检验沥青混合料的抗疲劳性能。试验终止条件为强度达到初始强度的50%或最大周期100000次。
SAC16、SAC20、SAC25四点疲劳试验终止周期分别为21133次、17367次、36693次，均达到较高的水平。沥青中掺加高剂量SBS改性剂，有效的提高了沥青胶浆的性能；选择合理的混合料孔隙率，使沥青胶浆有效的填充于集料之间形成密实结构，保证混合料具有较优的抗疲劳性能，
5 试验段验证
5.1 试验段施工
试验段采用5cmSAC16+6cmSAC20+8cm SAC
25面层结构，基层采用水泥稳定碎石，试验段长度约700m。中上面层采用5%SBS改性沥青并掺加0.3%抗车辙剂，下面层采用4%SBS改性沥青。
面层摊铺采用全断面一次摊铺，松铺系数1.2。SAC混合料摊铺难度较大，中下面层摊铺出现轻微离析现象，上面层摊铺较为均匀。
混合料粗集料抗压强度低，而SBS改性沥青粘度大，因此混合料碾压难度大。为保证压实度，碾压均采用大吨位压路机。试验段采用2台双钢轮+4台胶轮压路机的设备组合，钢轮压路机仅起到稳压效果，主要以胶轮碾压为主。要求初压完成温度不低于150℃，复压完成温度不低于90℃，终压完成温度不低于80℃。
5.2车辙观测
经过两个高温季节的现场观测，试验段均未出现车辙现象。证明多碎石沥青混凝土SAC结构及采用的沥青改性方案是成功的，能较好的适应当地的气温及交通环境。
6 结论
(1)根据巴基斯坦高温和重载交通特征，混合料孔隙率控制在5～5.5%，并宜采用相对较小的沥青用量。
(2)多碎石沥青混凝土粗集料含量超过60%，能形成有效的骨架嵌挤结构；再加上采用SBS改性沥青及抗车辙剂等措施，混合料具有优异的高温抗剪性能。
(3)SBS改性高粘沥青胶浆有效地填充于粗集料空隙，形成密实结构，因此混合料具有优良的水稳定性、低温抗裂性和抗疲劳特性。
参考文献：
[1]沙庆林，重载交通长寿命半刚性路面设计与施工，人民交通出版社，2011.
[2]中华人民共和国交通部，公路沥青路面施工技术规范(JTG F40-2004)，人民交通出版社，2004.
[3]沙庆林，多碎石沥青混凝土SAC系列的设计与施工，人民交通出版社，2005.
[4]贾愈等编译，高性能沥青路面Superpave技术手册，人民交通出版社，2002.
[5]张涓，重载交通沥青路面高温抗剪性能研究，长沙理工大学硕士论文，2008.
作者简介：
陈龙海， 男 ， 大 本，高 级 工 程 师，E-mail:29073230@qq.com
熊冰，男，博士，教授级高级工程师，E-mail:46428142@qq.com