淺談瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素及簡(jiǎn)要分析

馬海濤

摘 要：公路和城市道路，絕大多數(shù)是瀝青路面。隨著日益超載加載的運(yùn)輸型汽車的在公路上的不斷涌進(jìn)，有一些瀝青路面在開通后不久就出現(xiàn)了車撤，裂陷，坑槽等不同程度的路面破壞，這不僅僅影響到行車的安全性，舒適性，還將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究抗車轍性能良好的瀝青混合料是減小瀝青路面車轍的重要途徑之一，是促進(jìn)現(xiàn)代公路交通運(yùn)輸業(yè)的高速發(fā)展的有利途徑。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料；高溫穩(wěn)定性；影響因素；車轍試驗(yàn)

瀝青混合料是由典型粘彈性材料瀝青膠結(jié)礦料及填料構(gòu)成的路用材料，在高溫及荷載作用下會(huì)產(chǎn)生流動(dòng)變形，流動(dòng)變形的不斷累積就形成車轍，瀝青混合料應(yīng)具有良好的高溫抗車轍性，以滿足實(shí)際路用性能要求。影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的因素有很多，可分為內(nèi)因和外因兩方面。在荷載、氣候難以預(yù)測(cè)控制的情況下，通過合理的混合料設(shè)計(jì)，提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能是可行的辦法。

1.瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素

1.1 瀝青性質(zhì)

瀝青的物理性質(zhì)對(duì)混合料抗車轍性能有影響。在一定溫度和加載速率下，瀝青粘度越大，混合料的粘滯阻力也越大，抗剪切變形能力越強(qiáng)，瀝青混合料抗車轍性能越好。瀝青粘度隨溫度變化而變化，瀝青的溫度敏感性越低，則形成的瀝青混合料相應(yīng)具有更好的高溫穩(wěn)定性能，這種關(guān)系已被一些快速加載試驗(yàn)所證實(shí)。

1.2 氣候因素

氣候?qū)r青路面高溫穩(wěn)定性的影響是通過瀝青路面混合料力學(xué)性能來起作用的，由于瀝青是一種感溫性很強(qiáng)的材料，使得瀝青混合料也成為溫度敏感性材料，在不同的溫度條件下，瀝青混合料路面會(huì)表現(xiàn)出截然不同的力學(xué)性質(zhì)，較高的溫度會(huì)使瀝青混合料的勁度模量和抗剪能力降低，從而在車輛荷載作用下出現(xiàn)高溫穩(wěn)定性問題。因此，針對(duì)高溫多雨的山區(qū)高速公路，在修筑瀝青路面時(shí)，一定要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)和當(dāng)?shù)氐膶?shí)際經(jīng)驗(yàn)來選擇瀝青以及進(jìn)行結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)。

1.3 荷載因素

荷載的大小，重載和超載是瀝青路面產(chǎn)生車轍和其它高溫病害的重要因素之一，國(guó)內(nèi)外的調(diào)查資料表明：在交通量組成中，重載占有較大比例的路段上，瀝青路面的高溫病害要比其它路段嚴(yán)重得多。

1.4級(jí)配

集料級(jí)配決定了礦料顆粒間嵌擠力的大小及混合料密實(shí)程度，直接影響瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。研究表明，在最佳瀝青含量時(shí)，中粒式瀝青混凝土車轍最小，細(xì)粒式次之，粗粒式車轍最大。WestTrack環(huán)道試驗(yàn)也得出了相似的結(jié)論。

1.5 瀝青混合料組成設(shè)計(jì)

除原材料的性質(zhì)外，瀝青混合料組成設(shè)計(jì)對(duì)其高溫穩(wěn)定性的影響十分巨大，主要包括：礦料級(jí)配、各類材料用量比例（如：天然砂用量、礦粉用量、回收粉比例）、自由瀝青的多少（即：瀝青用量），空隙率、飽和度等。

1.6 空隙率

空隙率較大的瀝青混合料容易產(chǎn)生壓密變形，增加其密實(shí)度可增加礦料顆粒間的接觸壓力，從而提高其抗車轍能力。但當(dāng)空隙率低于某臨界值時(shí)，繼續(xù)減小空隙率，反而會(huì)使瀝青混合料抗車轍能力降低。對(duì)于臨界空隙率，WestTrack環(huán)道試驗(yàn)認(rèn)為接近4%，也有研究表明，當(dāng)空隙率為8%左右時(shí)，車轍最小。

2.瀝青路面車轍影響因素

瀝青路面車轍影響因素包括材料參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、荷載參數(shù)、路面結(jié)構(gòu)組合和施工條件等方面。

2.1材料參數(shù)

2.1.1 瀝青性質(zhì)

大量的加速試驗(yàn)結(jié)果表明，瀝青類型對(duì)車轍有影響，佐治亞州的加載車輪測(cè)試結(jié)果表明，每一種改性瀝青混合料同標(biāo)準(zhǔn)混合料相比，車轍深度均有所減少。

2.1.2集料類型、表面特性和級(jí)配

由于集料的表面紋理和形狀可以影響混合料中的空隙結(jié)構(gòu)，因而可以對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性表現(xiàn)出不同的影響。 國(guó)外有研究表明，按照Superpave體積法設(shè)計(jì)的混合料級(jí)配，通過了限制區(qū)的混合料的抗車轍性能最好，并且在 40℃時(shí)，動(dòng)蠕變?cè)囼?yàn)的勁度模量和純剪切實(shí)驗(yàn)值最高。

2.1.3瀝青用量

瀝青用量對(duì)瀝青混合料的抗車轍性能有很大影響。瀝青用量太低，瀝青混合料難以壓實(shí)，并且瀝青不能完全裹覆礦粒界面，也影響瀝青混合料的粘結(jié)力，使其抗車轍能力差；而瀝青用量過多，瀝青混合料礦料顆粒間游離的自由瀝青增多，使混合料易于產(chǎn)生流動(dòng)變形，也影響其高溫穩(wěn)定性。

2.1.4空隙率

空隙率較大的瀝青混合料容易產(chǎn)生壓密變形，增加其密實(shí)度可增加礦料顆粒間的接觸壓力，從而提高其的抗車轍能力。但當(dāng)空隙率低于某臨界值時(shí)，繼續(xù)減小空隙率，會(huì)使得混合料內(nèi)部沒有足夠的孔隙來吸收材料的流動(dòng)部分，必然造成混合料外部的整體變形，反而會(huì)使瀝青混合料抗車轍能力降低。

2. 2 環(huán)境參數(shù)

2.2.1溫度

當(dāng)氣溫較高時(shí)，瀝青路面強(qiáng)度降低容易產(chǎn)生車轍。這是因?yàn)闉r青粘度的大小反映了瀝青抵抗蠕變的能力，當(dāng)溫度升高時(shí)瀝青粘度變小，其抵抗蠕變的能力下降，在受到外力時(shí)很容易產(chǎn)生永久剪切變形導(dǎo)致瀝青材料橫向流動(dòng)而產(chǎn)生車轍。

2.2.2水

當(dāng)路面積水或路面結(jié)構(gòu)含水量增加時(shí)，瀝青和礦料之間的粘結(jié)力在潮濕條件下會(huì)被削弱或損壞，在行車荷載和水分的聯(lián)合作用下，這種損壞會(huì)明顯加劇，從而導(dǎo)致瀝青路面會(huì)產(chǎn)生較大的車轍。

2.2.3 荷載參數(shù)

2.2.3.1渠化交通

隨著日益繁重的交通量需求，渠化交通已成為交通組織的主要手段，導(dǎo)致瀝青路面車轍破壞的情況日漸突出。

2.2.3.2重載

日本的研究表明，車輛超載加快了路面的損壞，輪胎的種類對(duì)車轍影響較大。北京公路科學(xué)研究所的加速加載試驗(yàn)研究表明，在不同軸載作用下，重軸載作用下產(chǎn)生的車轍比輕軸載大得多。

2.2.3.3車速

車速越低，汽車荷載作用在瀝青路面上的持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，由于瀝青混合料在高溫情況下的粘彈性特點(diǎn)，累積剪切變形越大，因此造成越深的車轍。

2.2.3.4 路面結(jié)構(gòu)組成

路面的結(jié)構(gòu)和組成對(duì)車轍的形成和發(fā)展有很大影響，是一個(gè)重要的影響因素。瀝青路面的抗車轍能力除了受所用材料及其性能影響外，還與路基類型和路面厚度有關(guān)。

2.2.3.5 施工

由于施工時(shí)沒有充分壓實(shí)或料溫不夠等施工原因?qū)е碌臑r青面層壓實(shí)不足，而致使通車后的第一個(gè)高溫季節(jié)瀝青混合料在行車作用下，繼續(xù)壓密形成車轍。

3.關(guān)鍵影響因素分析

以上分析了影響瀝青混合料高溫抗車轍性能的因素。從材料優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度，一般關(guān)心的是內(nèi)部因素，如瀝青性質(zhì)、集料性質(zhì)和混合料參數(shù)對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響，為選材和材料組合設(shè)計(jì)提供參考，從而設(shè)計(jì)出高溫穩(wěn)定性優(yōu)良的瀝青混合料。選取瀝青針入度、瀝青軟化點(diǎn)、瀝青用量、集料4.75mm篩孔通過率、礦粉用量、瀝青混合料空隙率作為影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的主要因素進(jìn)行研究。

3.1 瀝青混合料高溫車轍試驗(yàn)

3.1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用幾種國(guó)內(nèi)常用品牌瀝青，集料均為石灰?guī)r，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合規(guī)范要求。為了便于比較分析，選擇6種級(jí)配類型，具有廣泛代表性。

3.1.2高溫車轍試驗(yàn)及結(jié)果

車轍試驗(yàn)是評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫抗車轍性能的最直觀，最有效的方法。通過馬歇爾試驗(yàn)確定瀝青混合料最佳瀝青用量，然后以最佳瀝青用量下混合料密度作為控制標(biāo)準(zhǔn)，用輪碾儀制成30cm×30cm×5cm試板，在60℃條件下進(jìn)行車轍試驗(yàn)。為了考查不同瀝青用量的影響，還對(duì)級(jí)配最佳瀝青用量±0.5%的混合料進(jìn)行了試驗(yàn)。

3.2 灰關(guān)聯(lián)分析

下面分別以動(dòng)穩(wěn)定度和總變形量作為參考序列，對(duì)上述影響因素進(jìn)行灰關(guān)聯(lián)分析。

3.2.1 以動(dòng)穩(wěn)定度為參考序列

按灰關(guān)聯(lián)分析方法，首先對(duì)所示試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行初值化處理，計(jì)算求差序列，最終計(jì)算各因素灰關(guān)聯(lián)系數(shù)和灰關(guān)聯(lián)度?？梢钥闯龈饔绊懸蛩貙?duì)瀝青混合料動(dòng)穩(wěn)定度的影響大小依次為：瀝青混合料空隙率→4.75mm篩孔通過率→瀝青軟化點(diǎn)→瀝青針入度→礦粉用量→瀝青用量。

3.2.2 以60min總變形量為參考序列

以60min總變形量為參考序列的灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果。各影響因素對(duì)瀝青混合料總變形量的影響大小依次為：瀝青混合料空隙率→4.75mm篩孔通過率→瀝青用量→礦粉用量→瀝青軟化點(diǎn)→瀝青針入度。

通過以上優(yōu)勢(shì)分析可以看出，各因素對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度和60min總變形量的影響顯著程度并不完全相同。這主要由于動(dòng)穩(wěn)定度和總變形量物理意義不同。

結(jié)束語：

不論以動(dòng)穩(wěn)定度還是總變形量作為參考指標(biāo)，混合料空隙率和4.75mm篩孔通過率都是較重要的影響因素，其影響顯著程度大于瀝青結(jié)合料性質(zhì)。由于瀝青混合料空隙率主要由集料級(jí)配決定，因此，要提高瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，首先應(yīng)改善混合料級(jí)配，關(guān)鍵是使其形成骨架密實(shí)結(jié)構(gòu)。