(扬州大学 建筑科学与工程学院，江苏 扬州 225127)

我国绝大多数沥青路面还未达到设计使用年限就出现了各种病害，如车辙和水损害等，部分是因为室内试验结果和现场性能指标的差异。汉堡车辙试验仪可以综合评价沥青混合料高温抗车辙和水稳性能，且其评价结果与实际路用性能相关性较高[1]。董泽蛟等[2]研究表明沥青混凝土路面结构中存在大量自由水时，重载交通作用下产生的结构性破坏会大大提前。

国外学者Lubinda等[3]采用汉堡车辙试验分析热拌沥青混合料试样静置时间和试验温度变化对混合料抗车辙和抗水损害的能力影响。Preeda等[4]发现在水损伤和荷载共同作用下沥青混合料性能衰减很明显。国内对汉堡车辙试验较少，祝海折等[5]、齐琳等[6]研究发现，汉堡车辙试验方法能够有效的评价不同类型沥青混合料水稳性。崔新壮等[7]研究表明在移动荷载损伤和水压力损伤的耦合作用下沥青路面的性能衰减大大加剧。

本研究通过改变水浴温度和车轮行驶速度对掺加与不掺玄武岩纤维的Superpave沥青混合料进行汉堡车辙试验，分析随上述参数变化时沥青混合料的水损伤衰变过程；通过灵敏度分析将水浴温度试验参数波动对玄武岩纤维沥青混合料水稳定性和抗车辙性能等指标影响程度进行排序，从而指导在高温—水浴耦合作用下沥青混合料材料选择和设计。

1 材料与级配

1.1 原材料

选择SBS改性沥青，粗细集料为镇江石灰岩，填料为石灰岩磨细的矿粉，技术指标见表1～表3。选用江苏天龙的玄武岩纤维(Basalt fiber，BF)，技术指标如表4所示。

表1 SBS改性沥青主要技术指标Table1 MaintechnicalindexesofSBSmodifiedasphalt类别针入度(25℃)/0.1mm软化点/℃延度(5cm/min,5℃)/cm针入度指数PI溶解度(三氯乙烯)/%闪点/℃规范要求60～80≥55≥30-0.4～1.0≥99≥230检验结果7164480.599.8329试验方法T0604T0606T0605T0604T0607T0611

表2 粗、细集料主要性能指标Table2 Mainperformanceindexesofcoarseandfineaggregate集料规格压碎值/%磨光值BPN磨耗值/%针片状含量/%石灰岩11.45310.66.9规范要求≤28≥42≤30≤15

表3 矿粉主要技术指标Table3 Maintechnicalindexesofmineralpowder类型视密度/(g·cm-3)含水量/%粒度范围/%<0.6mm<0.15mm<0.075mm亲水系数检验结果2.7320.232210097.277.80.600规范要求≥2.50≤110090～10070～100<1

表4 玄武岩纤维技术指标Table4 Technicalindexesofbasaltfibre项目断裂强度/MPa断裂伸长率/%吸油率/%可燃物含量/%含水率/%可燃性检验结果22182.71520.40.13明火点不燃规范要求≥1200≤3.1≥500.1～1.0≤0.2明火点不燃

1.2 矿料级配

选用Superpave-20级配沥青混合料进行配合比设计，各筛孔通过率见表5，其马歇尔试验结果如表6所示。

表5 沥青混合料设计级配各筛孔通过率Table5 Gradationdesignofasphaltmixtures级配范围通过各筛孔(mm)的质量百分率/%26.519.013.29.54.752.361.180.60.30.150.075上限10010080722616128543下限1009062505644332417137SUP-2010092.180.765.042.623.514.09.26.14.74.1

表6 沥青混合料马歇尔试验指标汇总Table6 MarshallTestresultsofasphaltmixture混合料胶结料类型油石比/%空隙率/%VMA/%VFA/%稳定度/kN流值/mmSUP-20SBS4.35.1015.2864.6410.123.78SUP-20SBS+BF4.54.5714.5368.6013.813.02指导意见要求4～6≥13.060～70≥8.02～4

2 汉堡车辙试验

2.1 试验方案与条件

为评价2种类型沥青混合料抗车辙形变能力和抗水损伤衰变性能，选取水浴温度、车轮行驶速度2个试验条件，通过汉堡车辙试验分析高温—水浴耦合作用下掺加与不掺玄武岩纤维对沥青混合料抗水损伤衰变及其抗车辙能力的影响。

2.2 试样制备

前期研究发现，在Sup-20级配沥青混合料中掺含量3‰、长度9 mm的短切玄武岩纤维时，各项路用性能效果相对较优。采用轮碾法成型长320 mm、宽260 mm、厚40 mm的板块式试件，待在室温下冷却48 h后脱模，当水浴工作取内水温加热到试验要求温度后，将板块试件放入固定容器中，施加轮碾荷载，延时30 min确保试件内部温度达到水浴温度要求且车辙试件完全处于高温水环境中，开始轮碾试验。

3 沥青混合料水损伤衰变分析

3.1 试验结果指标选择与分析

汉堡车辙试验过程中，钢轮在水浴环境下对板块试件来回往复碾压，位移传感器间隔一定作用次数收集轮迹带上11个点处车辙深度变化趋势，如图1(a)所示。在系统收集的11个点中需要剔除一些不合格点位，结合剩下的点位数据评价混合料的水损伤衰变过程[8]。参考美国蒙大拿州对于板式试件，选取点位3、4、5、6、7、8、9处计算，剔除试件末端点位[9]。通过车辙形变曲线中剥落拐点(SIP)、剥落斜率和最终车辙深度表征掺加纤维的沥青胶结料与集料粘附性的好坏，评价玄武岩纤维沥青混合料水稳定性；蠕变斜率和车辙深度表征玄武岩纤维与沥青胶浆以及集料之间加筋增韧效果，评价其抗车辙变形能力。

选择美国AASHTO T324试验规范[10]中水浴温度50℃，车轮行驶速度52次/min，车轮荷载0.7 MPa标准试验条件，荷载作用次数达到20 000次时停止试验，分析其试验结果。从图2(b)车辙深度变化趋势图中可以看出车辙深度曲线先处于压密缓慢蠕变阶段，到达一定程度(剥落变形拐点)车辙曲线处于急剧下降剥离阶段，最终达到试验停止次数时的最大车辙深度。在压密蠕变阶段和剥离阶段曲线部分别作出2条切线，为蠕变切线和剥落切线，2个阶段的切线交点即为剥落变形拐点(SIP)。式(1)中剥落变形拐点和剥落斜率越大沥青混合料抗水损伤性能越好，蠕变斜率越大沥青混合料抗车辙性能越好。

(1)

3.2 水浴温度

在其它标准条件不变时，选取水浴温度(40～60)℃，分析水浴温度对玄武岩纤维沥青混合料水损伤衰变的影响，其试验结果如图2所示。

由图2中(a)和(b)可以看出，掺玄武岩纤维沥青混合料在各个水浴温度下的剥落拐点和剥落斜率均大于普通沥青混合料，说明玄武岩纤维对沥青混合料的抗水损害有一定的提高。随着水浴温度提高，2种类型沥青混合料的剥落拐点和剥落斜率均减小，说明在温度增加的情况下沥青混合料的抗水损害能力下降。这是由于随水浴温度升高，沥青胶结料逐渐软化，与集料粘附性变差，导致混合料的水稳定性下降。比较水浴温度40 ℃和60 ℃下的两种类型沥青混合料的剥落拐点和剥落斜率可知，在高温-水浴耦合作用下玄武岩纤维对沥青混合料的抗水损伤衰变能力有一定的提高。这是由于玄武岩纤维与沥青形成纤维胶浆裹附在集料表面，在高温水浴环境中延缓纤维沥青胶浆从集料表面剥落，可提高混合料的抗水损害能力。

(a)11个变形计算点

(b)车辙深度变化

(c)汉堡车辙试验装置

(d)试件及压痕图1 汉堡车辙试验Figure 1 Hamburg wheel-track device test

图2 不同水浴温度下试验结果Figure 2 Test results under different water temperature

由图2中(c)和(d)可以看出，掺玄武岩纤维沥青混合料在各个水浴温度下的最大车辙深度均小于普通沥青混合料，且蠕变斜率也大于普通，说明玄武岩纤维对沥青混合料的抗车辙变形能力有一定的提高。随着水浴温度提高，2种类型沥青混合料的最大车辙深度逐渐变大，蠕变斜率逐渐减小，说明在温度增加的情况下沥青混合料的抗车辙能力下降。这是由于随水浴温度升高，沥青胶结料黏结作用被削弱，集料颗粒在高温水浴中的嵌锁能力下降，导致混合料的高温稳定性降低。比较水浴温度40 ℃和60 ℃下的2种类型沥青混合料的最大车辙深度和蠕变斜率可知，在高温-水浴耦合作用下玄武岩纤维对沥青混合料高温稳定性有较大的提高。这是由于玄武岩纤维在高温水浴环境下纤维与集料之间产生应力，限制矿料之间的相对滑移，大幅度提高其抗车辙能力。

3.3 车轮行驶速度

在其他标准条件不变时，选取车轮行驶速度42、46、49和52次/min，分析车轮行驶速度对玄武岩纤维沥青混合料水损伤衰变的影响，其试验结果如图3所示。

由图3中(a)和(b)可以看出，在不同车轮行驶速度条件下掺玄武岩纤维沥青混合料的剥落拐点和剥落斜率均大于普通沥青混合料，说明玄武岩纤维对沥青混合料的抗水损害有一定的提高。随着车轮行驶速度提高，2种类型沥青混合料的剥落拐点和剥落斜率均增大，说明在较低的行驶速度下沥青混合料的抗水损害能力下降。这可能是由于在较低车轮速度下，每次车轮来回碾压时荷载对于11个计数点位的作用时间相对延长，对于沥青胶结料与矿料之间的推移作用更明显，两者之间的黏附作用下降得更快，混合料水稳定性下降。比较车轮行驶速度52次/min和42次/min下的2种类型沥青混合料的剥落拐点和剥落斜率可知，在较低车轮行驶速度作用下玄武岩纤维对沥青混合料的抗水损伤衰变能力较大地提高。这是由于玄武岩纤维起到了桥联和加筋的作用，一定程度上限制了沥青与粗细集料颗粒之间的剥离，使沥青胶浆在轮碾反复作用时不易从集料表面剥落，提高混合料的抗水损害能力。

由图3中(c)和(d)可以看出，掺玄武岩纤维沥青混合料在不同车轮行驶速度条件下的最大车辙深度均小于普通沥青混合料，且蠕变斜率也大于普通，说明玄武岩纤维沥青混合料的抗车辙变形能力有一定的提高。随着车轮行驶速度提高，两种类型沥青混合料的最大车辙深度逐渐变小，蠕变斜率逐渐增大，说明在车轮行驶速度增加的情况下沥青混合料抗车辙能力提高。这可能是由于在较低车轮速度下，每次车轮来回碾压时荷载对于11个计数点位的作用时间相对延长，粗细集料之间的相对滑移更明显，矿料车辙形变越大，混合料抗车辙性能下降。比较车轮行驶速度52次/min和42次/min下的两种类型沥青混合料的最大车辙深度和蠕变斜率可知，在车轮行驶速度较低时玄武岩纤维对沥青混合料高温稳定性有较大的提高。这是由于玄武岩纤维在混合料中形成纤维网状结构，荷载作用时间相对延长情况下，纤维以微加筋的形式存在于粗细集料之间，延缓矿料的纵向位移，较明显地提高其抗车辙能力。

4 基于灵敏度分析的水浴温度对沥青混合料水损伤衰变分析

为进一步比较水浴温度对掺加玄武岩纤维Superpave-20沥青混合料抗水损伤和抗车辙变形能力影响，采用灵敏度分析[11]方法，定量研究试验因素对试验指标的影响程度，并通过水浴温度变化对2个性能影响程度进行排序，得到水浴温度影响较大的试验指标及其对应的性能，从而指导提高沥青混合料某种相关性能的设计思路。

采用局部灵敏度分析方法[12]，使用因子变化法对关键参数进行变换，即将各个试验指标作为评价指标，分别得出其与试验因素Xi的关系表达式，设预分析的试验因素Xi变化量ΔXi，从而计算出各试验指标的变化量Δηi，最后采用不同ΔXi对应下的Δηi值，或采用灵敏度指数来评价试验因素对各个试验指标的影响程度。Δηi的计算公式如式2所示，灵敏度指数计算公式如式3所示。

令：ηi=f(Xi)

则：

(2)

(3)

式中：f(Xi)为各设计指标函数表达式；Sη为各指标对应的灵敏度指数；ΔXiXi为参数变化量绝对值；Δηi—ΔXi对应的各设计指标变化量。

以水浴温度为自变量，剥落变形拐点SIP、剥落斜率、最大车辙深度和蠕变斜率为因变量，首先拟合出4个试验评价指标与试验因素水浴温度的函数关系式，4个试验指标与水浴温度呈现良好的二次多项式关系。将图2中的关系表达式带入式(2)中，其中Xi设为试验标准温度50 ℃，假设试验因素ΔXi的波动幅度为±5%、±10%、±20%，计算后整理可得4个试验指标的波动幅度Δηi，将得到的4个试验指标波动幅度与试验因素水浴温度波动幅度作对应关系图，如图4所示。

图4 水浴温度与各试验指标波动幅度的关系Figure 4 Relationship between the water temperature and fluctuation of each test index

从图4中可以看出，剥落变形拐点SIP、剥落斜率、最大车辙深度和蠕变斜率这4个试验指标的波动幅度与水浴温度的波动幅度呈现接近线性关系，最大车辙深度与水浴温度呈现正相关，另3个为负相关。4个试验指标与水浴温度波动幅度排序：蠕变斜率>最大车辙深度>>剥落斜率>剥落拐点SIP。

蠕变斜率和最大车辙深度主要用来表征沥青混合料在高温水浴环境中抵抗车辙变形的能力，随水浴温度波动影响最大，这是由于高温水浴耦合下玄武岩纤维沥青混合料的胶结料开始剥落，沥青粘结力逐渐下降，导致粗细集料之间的嵌挤能力下降，抗车辙变形能力减小。玄武岩纤维沥青混合料水损伤衰变加剧，随着粗细集料之间的相对滑移增加，特别是水环境下，沥青混合料抵抗损伤变形的能力大大下降。

当水浴温度波动+20%时，4个试验指标波动幅度的绝对值均大于水浴温度波动-20%下的波动幅度值，特别是最大车辙深度，这主要是因为水浴温度越高，玄武岩纤维沥青混合料的水损伤更严重，车辙变形更大，且随着温度的升高呈现翻倍的增长。因此要注重高温水浴环境对沥青混合料的衰减损伤影响。

5 结论

a.玄武岩纤维可明显提高沥青混合料在高温—水浴耦合作用下的水稳定性能。

b.对于需要满足高抗车辙性能的交叉路口和急刹车路段，推荐使用玄武岩纤维沥青混合料延缓路面车辙变形。

c.由灵敏度分析可知，水浴温度提高幅度越大，玄武岩纤维沥青混合料的抗车辙变形能力衰减越明显，在材料设计时要注重高温水浴下沥青混合料抗车辙变形能力。