瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)研究

孔德勝

（河南中州路橋建設(shè)有限公司，河南周口 466000）

瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)研究

孔德勝

（河南中州路橋建設(shè)有限公司，河南周口 466000）

以3種連續(xù)級(jí)配AC-13C、AC-16C、AC-20C瀝青混合料為研究對(duì)象，通過改變壓實(shí)次數(shù)和油石比成型不同試件進(jìn)行室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)，分析動(dòng)穩(wěn)定度、抗剪強(qiáng)度、車轍模量和貫入模量的變化及其在瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)方面的相關(guān)性。結(jié)果表明，當(dāng)以動(dòng)穩(wěn)定度和抗剪強(qiáng)度評(píng)價(jià)高溫性能時(shí)，不能以變化油石比來控制高溫性能，而要綜合分析最佳油石比，再變動(dòng)相應(yīng)級(jí)配的壓實(shí)次數(shù)來提高高溫性能，細(xì)粒式混合料比中粒式更易達(dá)到最優(yōu)高溫性能；當(dāng)以車轍模量和貫入模量評(píng)價(jià)高溫性能時(shí)，受壓實(shí)的影響程度小于油石比的影響程度，應(yīng)以控制油石比來改善混合料的高溫性能，貫入模量比車轍模量更能反映瀝青混合料的高溫性能。

公路；瀝青混合料；動(dòng)穩(wěn)定度；抗剪強(qiáng)度；車轍模量；貫入模量；高溫性能

瀝青路面作為一種連續(xù)的、無接縫的路面類型，對(duì)其質(zhì)量影響最大的是車轍病害。車轍是輪跡帶在車輛反復(fù)荷載作用下逐漸形成的永久下陷變形的累積結(jié)果，會(huì)大大降低路面的使用舒適性，乃至影響道路交通的進(jìn)一步發(fā)展，已成為一個(gè)世界性的難題。為此，在路面設(shè)計(jì)中要對(duì)路面高溫穩(wěn)定性采用嚴(yán)格的技術(shù)要求。該文主要針對(duì)瀝青路面的高溫穩(wěn)定性，從車轍和單軸貫入兩個(gè)角度綜合分析瀝青路面在配合比設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)高溫性能的技術(shù)要求及其評(píng)價(jià)關(guān)系，以降低道路使用過程中車轍病害發(fā)生概率。

1 原材料性能及其組成設(shè)計(jì)

瀝青混合料是一種由粗集料、細(xì)集料、礦粉和瀝青膠結(jié)料組成的特殊粘彈性材料，各材料的物理性指標(biāo)和組成設(shè)計(jì)后的綜合指標(biāo)在一定程度上影響混合料的路用性能。根據(jù)河南省瀝青路面發(fā)展情況，采用統(tǒng)一的原材料并以AC-13C、AC-16C、AC-20C 3種級(jí)配作為研究對(duì)象，以消除研究過程中的不利因素。

1.1 基質(zhì)瀝青

不同瀝青膠結(jié)料對(duì)混合料的影響很大，這在道路發(fā)展中早已達(dá)成了共識(shí)。在選擇試驗(yàn)材料時(shí)，為消除瀝青膠結(jié)料的影響，統(tǒng)一采用廈門華特愛思開有限公司生產(chǎn)的70＃重交石油基質(zhì)瀝青，其主要性能指標(biāo)見表1。

1.2 礦料

AC路面是一種連續(xù)級(jí)配路面，為了鑲嵌緊密形成穩(wěn)定骨架，粗、細(xì)集料和礦粉的各項(xiàng)物理性指標(biāo)必須達(dá)到JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》的要求。試驗(yàn)所用粗、細(xì)集料均來自駐馬店市遂平生產(chǎn)的玄武巖，礦粉為親水系數(shù)小于1的石灰?guī)r礦粉，其主要性能指標(biāo)見表2～4。

表170 ＃基質(zhì)瀝青的技術(shù)性能指標(biāo)

表2 粗集料的技術(shù)要求及檢驗(yàn)結(jié)果

表3 細(xì)集料的技術(shù)要求及檢驗(yàn)結(jié)果

1.3 混合料組成設(shè)計(jì)

按照J(rèn)TG F40-2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》，利用L50（511）正交優(yōu)化，綜合考慮河南省的氣候條件進(jìn)行混合料級(jí)配設(shè)計(jì)（見表5和圖1）。

表4 礦粉的技術(shù)要求及檢驗(yàn)結(jié)果

表5 混合料礦料級(jí)配設(shè)計(jì)

圖1 混合料礦料設(shè)計(jì)級(jí)配曲線

2 混合料高溫性能評(píng)價(jià)方法

瀝青混合料作為一種特殊的粘彈性材料，在高溫性能研究方面，最主要的途徑是選擇并使用簡單、有效的試驗(yàn)方法。車轍試驗(yàn)和單軸貫入試驗(yàn)受力模式與路面一致，而且操作簡單，適合工程應(yīng)用。下面針對(duì)二者的相聯(lián)性進(jìn)行研究，為瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)提供借鑒。

2.1 車轍試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)是一種工程試驗(yàn)方法。根據(jù)河南省夏季高溫情況，選擇60℃作為試驗(yàn)溫度。輪碾成型300 mm×300 mm×50 mm方形試件，保溫5 h后進(jìn)行車轍試驗(yàn)。高溫時(shí)的動(dòng)穩(wěn)定度DS可反映混合料的模量在試驗(yàn)溫度下的變化趨勢。在最后15 min，混合料的變形量很小，假設(shè)最后15 min試

驗(yàn)輪與車轍板的接觸面積ADS保持恒定，即可近似地把混合料內(nèi)部某一點(diǎn)的平均應(yīng)力σDS視為對(duì)車轍板所施加的壓強(qiáng)PDS（0.7MPa）與接觸面積ADS的積分與接觸面積之比：

將ε60和ε45定義為60和45 min的應(yīng)變，即60和45 min的變形與車轍板厚度h之比，ε60=d60／h，ε45=d45／h。以平均應(yīng)力與最后15 min的應(yīng)變之比即車轍模量EDS來描述瀝青混合料在試驗(yàn)溫度下所能承受荷載作用的大小，它與混合料動(dòng)穩(wěn)定度DS是等效的。

將式（3）代入動(dòng)穩(wěn)定度計(jì)算公式［見式（4）］，化簡整理后得式（5）。車轍試驗(yàn)儀器參數(shù)C1和C2均取1.0，t60-t45=15 min，N=42次／min，PDS=0.7 MPa，將其代入式（5），得到EDS與DS的關(guān)系式［見式（6）］。

2.2 單軸貫入試驗(yàn)

瀝青混合料的單軸貫入試驗(yàn)類似于土工試驗(yàn)中的CBR試驗(yàn)，表征材料抵抗局部荷載變形的能力。試件內(nèi)部剪切應(yīng)力分布與車輪荷載下實(shí)際路面的剪切應(yīng)力模式相似，而且側(cè)向約束力大小反映瀝青及集料的性能。這里研究的級(jí)配最大為中粒式，試件為標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試件，故單軸貫入試驗(yàn)釆用直徑28.5 mm的壓頭。同時(shí)為了和車轍試驗(yàn)統(tǒng)一，試驗(yàn)溫度設(shè)為60℃，保溫5 h左右。在萬能試驗(yàn)機(jī)加載速率為1 mm／min的條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

3 瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)

3.1 動(dòng)穩(wěn)定度和抗剪強(qiáng)度

3種級(jí)配均采用室內(nèi)馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)法確定最佳油石比，AC-13C、AC-16C和AC-20C的最佳油石比分別為4.7%、4.3%、4.1%。在最佳油石比和室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)碾壓的基礎(chǔ)上，通過改變?cè)嚰尚蛪簩?shí)次數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。對(duì)于單軸貫入試驗(yàn)，試件成型后再進(jìn)行室內(nèi)鉆芯。試驗(yàn)結(jié)果見圖2～5。

圖2 動(dòng)穩(wěn)定度與壓實(shí)次數(shù)的關(guān)系

圖3 抗剪強(qiáng)度與壓實(shí)次數(shù)的關(guān)系

圖4 動(dòng)穩(wěn)定度與油石比的關(guān)系

圖5 抗剪強(qiáng)度與油石比的關(guān)系

由圖2、圖3可知：在瀝青混合料高溫性能評(píng)價(jià)

中，動(dòng)穩(wěn)定度和抗剪強(qiáng)度的變化趨勢整體上相同，都隨著壓實(shí)次數(shù)的增加先增大后減小，AC-13C、AC-16C、AC-20C分別在壓實(shí)次數(shù)14、15、18次時(shí)達(dá)到峰值。說明瀝青混合料在高溫性能最優(yōu)的情況下，用動(dòng)穩(wěn)定度和抗剪強(qiáng)度評(píng)價(jià)是等效的，也從另一方面證明在室內(nèi)成型試件時(shí)不可片面地增加壓實(shí)遍數(shù)，過多的壓實(shí)反而會(huì)破壞混合料的高溫性能。

由圖4、圖5可知：油石比的變化對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度和抗剪強(qiáng)度的影響不同，動(dòng)穩(wěn)定度隨著油石比的增加呈現(xiàn)下降的趨勢，抗剪強(qiáng)度的變化趨勢與壓實(shí)度變化時(shí)的情況相同，隨著油石比的變化出現(xiàn)峰值。結(jié)合工程實(shí)踐，當(dāng)油石比一味降低時(shí)，雖然動(dòng)穩(wěn)定度得到提高，但路面由于瀝青含量降低會(huì)出現(xiàn)集料松散而導(dǎo)致其他病害。因此，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)要綜合分析，不能以改變油石比來控制高溫性能，而應(yīng)在綜合分析確定最佳油石比后，再根據(jù)不同級(jí)配以控制壓實(shí)遍數(shù)來提高高溫性能，且在相同壓實(shí)條件下細(xì)粒式混合料的高溫性能最先達(dá)到最優(yōu)。

3.2 車轍模量和貫入模量

試件成型方法與上面的相同，采用室內(nèi)馬歇爾標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)法確定最佳油石比后碾壓成型。試驗(yàn)結(jié)果見圖6～9。

圖6 車轍模量與壓實(shí)次數(shù)的關(guān)系

圖7 貫入模量與壓實(shí)次數(shù)的關(guān)系

由圖6、圖7可知：在瀝青混合料高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中，當(dāng)以壓實(shí)度來控制混合料的高溫穩(wěn)定性能時(shí)，隨著壓實(shí)次數(shù)的變化車轍模量和貫入模量會(huì)出現(xiàn)峰值，與動(dòng)穩(wěn)定度和抗剪強(qiáng)度的變化趨勢整體相同，只是受壓實(shí)的影響相對(duì)較小。對(duì)于AC-13C、AC-16C、AC-20C，以車轍模量和貫入模量評(píng)價(jià)高溫性能時(shí)，在壓實(shí)16次左右時(shí)方可認(rèn)為高溫性能最佳。

圖8 車轍模量與油石比的關(guān)系

圖9 貫入模量與油石比的關(guān)系

由圖8、圖9可知：油石比變化時(shí)車轍模量和貫入模量的變化趨勢相差很大。車轍模量受油石比的影響程度比貫入模量大。進(jìn)一步說明在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，用貫入模量評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能比車轍模量更有意義。

4 結(jié)論

（1）以動(dòng)穩(wěn)定度和抗剪強(qiáng)度評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能時(shí)，不要以改變油石比來控制高溫性能，而應(yīng)在綜合分析確定最佳油石比后，適當(dāng)根據(jù)不同級(jí)配以控制壓實(shí)次數(shù)來提高高溫性能；細(xì)粒式混合料的高溫性能最先達(dá)到最優(yōu)。

（2）以車轍模量和貫入模量評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能時(shí)，受壓實(shí)的影響程度較小，要以控制油石比來改善混合料的高溫性能；貫入模量比車轍模量能更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)瀝青混合料的高溫性能。

［1］ 朱洪洲，高曉明.瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素分析［J］.公路交通科技，2004，21（4）.

［2］ 高燕希，曾紅雄.瀝青混合料抗剪強(qiáng)度影響因素分析［J］.公路交通科技，2009，26（8）.

［3］ 呂文江，韓君良，郭平，等.瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的影響因素分析［J］.公路，2010（11）.

［4］ 邵顯智.瀝青混合料抗剪性能影響因素及剪切疲勞試驗(yàn)研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2005.

［5］ 譚巍，周剛.瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的單軸貫入試驗(yàn)研究［J］.石油瀝青，2009，23（2）.

［6］ 交通部公路科學(xué)研究所.瀝青及瀝青混合料路用性能［M］.北京：高等教育出版社，1993.

［7］ JTG F40-2004，公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［8］ 楊銀培.瀝青混合料高溫穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)研究［J］.公路與汽運(yùn)，2012（1）.

［9］ 王國忠，戴永杰，高明星，等.連續(xù)級(jí)配橡膠顆粒瀝青混合料路用性能的研究［J］.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，31（1）.

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2016-06-03