论沿江高速公路沥青结合料招标技术指标选择及对策
2005-07-07 15:34:25
?? l陆学元
??? 一、?现行道路石油沥青的评价指标
目前，世界上具有代表性的道路石油沥青技术标准有三种：针入度级规范、粘度级规范和PG分级性能规范。在工程实践中，沥青的选取主要受到当地温度、交通量和水分的制约。为了便于沥青的选取，在沥青的分级依据中就要考虑温度和交通荷载的因素。由于水分对路面的破坏主要表现在沥青与矿料之间的粘附力上，所以把它归入混合料中考虑。我国“八五”国家科技攻关“道路沥青及沥青混合料路用性能的研究”专题对我国的气候特点进行了深入地研究，选择了反映影响沥青及沥青混合料路用性能的最主要的气候因素，充分借鉴了SHRP的做法，分析了中国气候的特点及其对沥青路面的影响，提出了以年最高月平均最高温度（通常为七月）作为反映高温抗车辙能力的气候指标，以年极端最低气温作为反映低温抗裂性能的气候指标，以年降雨量作为反映沥青路面水稳定性的气候指标，根据我国615个气象站的30年数据资料分析，提出了我国沥青与沥青混合料使用性能气候分区标准的建议[1]，以及温度和雨量的分区图。在这个成果的基础上，把沥青按高温-低温进行分级，并最终形成《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004），
以次指导我国沥青类型的选择。
沥青针入度分级体系是根据针入度大小确定所适应的气候条件和荷载条件，其主体是人们所熟悉的拉（延度）、扎（针入度）、落（软化点），辅以沥青安全性指标（闪点）、沥青纯度指标（溶解度）和沥青抗老化性能指标的薄膜烘箱试验（TFOT）以及沥青所用原油的约束指标含腊量等，构成了沥青针入度分级体系。
粘度分级是根据沥青或旋转薄膜烘箱（RTFOT）后的沥青在60℃时粘度值确定沥青使用环境和使用条件的。在此体系中，60℃粘度表征沥青的高温性能，同时该体系中还给出了25℃针入度、135℃粘度和TFOT后残留沥青60℃时的粘度与25℃时的延度以及闪点。这些规定可控制沥青温度敏感性，与针入度分级相比，可以表征更高温度下的沥青性能。
?????? PG分级体系是美国联邦公路局于1993年历经5年半的时间完成了美国公路战略研究计划（SHRP-Strategic Highway Research Protect）沥青结合料项目研究的任务，耗资额达5亿美元。该体系首先将路面的高温和低温使用性能紧密联系在一起，常规实验方法（现行试验规程）采用的是实验温度一定，测定不同沥青的技术指标应满足的指标要求，而SHRP计划PG分级规范采用的是沥青技术指标为定值，寻求道路所要满足的高温和低温范围，这是两种根本不同的评价思想。因此该规范的根本特点是各项指标明确与各项路用性能直接相关。
SHRP 的研究成果SuperpaveTM提出了一个按照沥青的路用性能分级
（PG分级）的沥青结合料规范，该规范是SHRP计划研究成果的精髓[2]。PG分级直接采用沥青路面所能承受的高温和低温所形成的温度差作为设计温度范围。在PG性能分级规范中，用路面最高设计温度（采用一年中温度最高的7d周期的由空气温度转换过来的路表下20mm深处的平均最高温度MAXPVT）下的动态剪切流变试验（DSR-dynamic shear rheometer）所测的抗车辙因子（G*/sinδ）表征沥青的高温性能，用最低路面设计温度下的弯曲流变仪（BBR）所测的劲度模量（S）和劲度模量曲线斜率（m）来表征沥青的低温性能，用疲劳温度下的动态剪切模量表征沥青的抗疲劳性能，用旋转薄膜烘箱试验和压力老化罐（PAV老化箱）试验分别表征沥青的短期老化（模拟沥青在拌和和铺筑过程中的老化）和长期老化（模拟沥青在路面使用8～10年过程中的老化）性能。SHRP的思想主要考虑了沥青路面的车辙等永久性变形常常发生在沥青路面铺筑的初期（对车辙变形来说是最不利季节），所以采用原样沥青和RTFOT后的沥青结合料的两次动态剪切模量（DSR）来评价；而沥青路面的低温开裂和疲劳开裂主要发生在沥青路面已经老化的后期，所以采用经过RTFOT又经过PAV的残留沥青，通过动态剪切试验（DSR）、弯曲梁流变试验（BBR）、直接拉伸试验（DTT）等所测定的动态剪切模量DSR、蠕变劲度模量S和拉伸应变技术指标来评价。 二、?现行规范沥青技术指标的不足
由于目前国内外通行的沥青标准与实际道路使用性能相矛盾，有些指标并不反映沥青的使用品质，而沥青使用中的主要性能要求又缺乏相关的性能指标来描述。实践证明没有良好的沥青结合料及沥青混合料配合比设计，就
不可能有良好的路用性能。研究表明 [3][4]，沥青结合料在高温抗车辙方面贡献率占40%，在低温抗裂方面，沥青结合料贡献率达90%。因此有必要对常规试验技术指标进行分析：
1.现行《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）关于沥青标号的选择虽然吸收了SHRP计划思想，即考虑了适用气候分区的特点，但对同一气候分区又有不同的沥青标号可选择，比如规范中夏炎热冬冷1-3区，既可选择90号又可选择70号沥青，这时只能凭经验来确定。到底对这两种标号的沥青结合料所能满足或适应的温度范围，我们不得而知；对于不符合我省所在气候分区的沥青材料是否就不能使用，比如50号沥青，按规范只能用于夏炎热冬温1-4区，是否就不能用于我省沿江高速公路沥青路面下面层呢？现行规范难以给出答案。另外对改性沥青而言，我国沥青技术规范没有结合气候分区来区分满足不同地区不同温度要求的沥青材料，而是仅仅根据针入度的不同划分为三大类中三或四个等级。针入度试验本身是在30℃、25℃或15℃、一定荷载条件下测的变形值，而对于其它温度，如30～60℃或更高温度时沥青的变形情况不清楚。
2.现行规范中的许多技术指标都是经验性的和条件性的。例如软化点是在一特定实验条件下表示沥青软硬程度的一个条件温度，软化点高，沥青的高温性能不一定就好，因为基质沥青中不可避免地含有腊晶体，石蜡的升温过程滞后于水的升温过程，导致所测的沥青软化点出现假象。笔者曾做过伊朗90号、伊朗110号、克拉玛依90号和壳牌90号基质沥青软化点试验研究[5]，软化点和当量软化点相差达到5～10℃，同时研究过程中也发现，如果
水浴的升温速率从℃/min升高到℃/min，虽然两者都能满足现行规程JTJ052-2000 [6]要求的5±℃/min范围内，但软化点将会相差℃。由于软化点受到腊的影响，必须对软化点进行修正，以当量软化点（T800）修正现行规范中的软化点。
3.现行规程技术指标的测定方法都在恒定荷载作用下测得的应变情况，不能反映行车荷载的反复作用。同时该方法虽然充分照顾到了沥青所能适应的气候分区，但没有能反映出沥青的路用性能随交通量的变化而变化，规范中仅说明根据交通条件确定沥青路面的沥青标号，没有明确与交通量的量化关系，只能凭经验确定。
4.沥青的粘度分级体系是按照沥青的高温性能分级，对沥青在平均使用温度和低温性能的表征具有局限性。
5.现行技术规程对沥青的老化性能评价过于简单，没有能真正模拟沥青及沥青路面在使用过程老化现象。《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）中对原样沥青仅仅采用薄膜烘箱（TFOT）或旋转薄膜烘箱（RTFOT）确定质量损失、针入度比或延度，代表的仅是沥青在储存、运输、加热过程中的老化，属于短期老化的一部分，对沥青的长期老化评价方法还是空白。同时对改性沥青而言，规范[7]明确写出了采用TFOT或 RTFOT两种都可以，但笔者在实验过程中发现，RTFOT能保持改性剂在沥青结合料中处于流动状态，能够避免改性剂的离析，相反，采用TFOT方法发现改性剂有明显的离析产生，这也是规范不严密之处。
三、?基质沥青和改性沥青技术指标的选取的对策
随着国家对基础设施投入的增加，我国的公路建设进入了前所未有的高速发展阶段，促进了经济发展和文化交流。但是在工程实践中也发现了许多问题，其中路面的早期破坏就是突出的一个。许多工程实际都表明采用完全满足现行道路石油沥青技术要求的沥青，路面仍然出现了高温车辙、低温开裂等破坏。特别是高速公路大规模地建成通车，再加上轴载的增加、交通量的增大，交通的渠化使得现行的沥青标准已不能满足实际的需要。制定沥青指标体系的最终目的就是确保沥青能够提供优良的路用性能，若把指标与所要求的路用性能紧密地联系在一起，将有利于沥青的选取和质量的控制。 安徽省沿江高速公路公路沿线属亚热带湿润季风气候区，具有季风明显、四季分明，气候温和湿润，雨量充沛等特点，年平均气温为16℃，最热月7天多年平均最高气温36℃，98%保证率最高气温38℃，极端最高气温为42℃；多年平均最低气温-9℃，98%保证率最低气温-13℃，极端最低气温为-15℃；年平均降雨量为，年最大降雨量为，年最小降雨量为。结合当地自然环境、气候特点、交通量和行车速度以及SHRP计划沥青结合料规范，寻求分别能满足不低于PG64-16和PG70-22的基质和改性沥青，而不是仅仅根据针入度来选择沥青标号或结合料类型，建议对我省沿江高速公路沥青材料招标及技术指标的选择按如下方法进行：
1.组织有关人员对国内外沥青市场进行调查和对我国沥青路面沥青的实际使用性能进行试验评价以及咨询有关专家对沥青质量的稳定性、品牌等的
评价。
2.省指应对拟准备沥青供应商的沥青进行随机取样，避免由材料供应商直接提供沥青试验样品，力争实验样品应具有的代表性。更不能仅凭供应商提供的技术指标来判定沥青质量的优劣。
3.对省指所取得的原样沥青进行高低温性能评价，建议沥青的高温性能采用动态剪切流变仪测定抗车辙因子（G*/sinδ）来保证高温时抵抗永久变形的能力；低温和疲劳性能采用弯曲梁流变仪测定劲度模量（S）和劲度模量曲线斜率（m）来表征沥青的低温和疲劳性能。考虑到我国的经济实力及规范的延续性，①可依旧采纳软化点作为控制高温性能的指标。但由于沥青蜡含量的影响，试样在升温的同时，蜡处于结晶融化成液体的阶段，无疑是要吸收一部分熔解热，使得测得的软化点偏高，因此必须修正，即采用当量软化点T800进行控制，并找出抗车辙因子和当量软化点两者性能之间的相关关系。②通过对沥青混合料的拌合和碾压以及沥青路面使用过程中的模拟，建立RTFOT、PAV老化的残留沥青的S、m、破坏应变技术指标和现行沥青规范低温性能指标（5℃或10℃延度和当量脆点）之间的对应关系，最终确立常规试验所测的高温指标T800与低温指标之间的温差，即以作为沥青的塑性范围与SHRP试验所测的高低温性能之间的变化关系，为我省沥青结合料技术指标的评价和实际应用提供提出一个能控制沥青路用性能的新指标体系。 4.据了解我省以前高速公路建设沥青路面下面层结合料没有使用过50号基质沥青。客观地讲，我国大部分省份乃至我省修建的高速公路沥青路面有不同程度的早期损坏现象，从合徐南高速公路沥青路面切割的板块可以看出，
中下面层呈明显的波浪式，说明中下面层车辙现象比较明显。使得我们不得不思考沥青等级和沥青标号选用的重要性。目前，我国许多地方的沥青针入度偏大，无论在南方、北方，甚至东北地区都出现了严重的车辙。近年来，国内外使用的沥青有向稠的方向发展的趋势，以增强抗车辙能力。与国外不同的是中国的重载交通比较大，甚至有严重的超限超载情况，建议本项目应对50号基质沥青进行试验论证其路用性能能否满足要求，以适当选择针入度更小的沥青，努力扩大AH-50号沥青的适用范围。
5.建议本项目沥青结合料招标和技术指标以SHRP计划结合料性能规范的技术指标为基本依据，辅以常规试验技术表指标作为检验，开创我省沥青质量评价的新思路。
论沿江高速公路沥青结合料招标技术指标选择及对策
