沥青混合料高温稳定性能的关键性影响因素分析

沥青混合料高温稳定性能的关键性影响因素分析摘要：本文针对AC10、AC-13、AC-16和AC-20四种级配类型的沥青混合料进行高温稳定性能研究，从原材料、温度、粉胶比、材料、级配组成等几个方面简要地对沥青路面高温稳定性的影响进行了分析，发现研究沥青混合料的高温性能的几个关键性因素很有实际意义，对预估沥青混合料的高温稳定性能很有价值。关键词：粉胶比级配组成高温稳定性沥青混合料随着我国高等级公路的大量修筑，沥青路面发展迅猛，但很多的路面都出现了泛油、车辙等高温稳定性不够的问题，严重影响路面平整度与行车安全性。究其原因：沥青混合料是一种典型的热流变材料，在夏季高温季节，材料表现为弹、粘-塑性体或粘-塑性体，在荷载作用下产生较大的塑性变形，特别是在高速公路和城市道路中，由于渠化交通，随着荷载重复次数的增加，塑性变形的累积，使车辙现象严重。本文结合几种不同级配混合料进行高温稳定性试验并作了对比分析，发现研究沥青混合料的高温性能的几个关键性因素很有实际意义。对预估沥青混合料的高温稳定性能很有价值。1.原材料1.1沥青本试验选取A类SBS改性沥青，各种技术指标均满足规范[1][2]要求,SBS改性沥青的等级为PG70-22。1.2矿料试验用粗集料采用武明石灰岩，细集料采用钦州砂，填料为武明石灰岩质矿粉，技术指标均满足现行规范[2][3]要求。1.3级配设计本试验级配采用马歇尔试验方法设计，试验选用AC10、AC-13、AC-16、AC-20级配类型，根据马歇尔试验击实结果确定SBS改性沥青最佳油石比分别为4.9%、4.8%、4.6%、4.5%。由于篇幅有限，本文仅列出AC-10、AC-13的级配曲线，如图1-2所示。。2．试验结果分析本试验根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》T0719-1993试验方法得到如下动稳定度对比结果。影响沥青混合料高温稳定性的因素包括沥青混合料的自身因素和外部因素两个方面。2.1自身因素影响2.1.1原材料沥青胶结料沥青混合料的高温稳定性主要取决于沥青胶结料的粘度及其感温性。粘度越大感温性越好的沥青，其高温性能就越好。所以一般改性沥青要远好于基质沥青，这从施工技术规范对沥青混合料的车辙试验动稳定度技术要求也可以看出，因此本研究省略了此处试验。集料集料的尺寸、形状及表面构造对沥青混合料的高温性能起着重要的作用。矿料颗粒形状及其粗糙度，在很大程度上将决定混合料压实后颗粒间相互位置的特性和颗粒接触有效面积的大小。一般具有显著的面和棱角，各方向尺寸相差不大，近似正立方体，具有明显细微凸出的粗糙表面的矿质集料，在碾压后相互嵌挤而具有很大的内摩擦角，这种矿料所组成的沥青混合料比圆形而表面光滑的颗粒具有较高的抗剪强度。使用石灰岩碎石可以提高沥青混凝土的温度稳定性和高温下的抗变形能力。使用粗大、均匀颗粒的矿料配制的沥青混合料具有较大的内摩擦角。相同粒经组成的集料，卵石的内摩擦角比碎石的小。2.1.2粉胶比通过对不同粉胶比的沥青混合料进行高温车辙试验，试验结果如图3。图3不同粉胶比对应的动稳定度Fig.3Powderdifferentplasticthanthecorrespondingdynamicstability如图3所示：粉胶比越大，沥青混合料高温稳定性能越好，当粉胶比大于1.2的时候已经有减小的趋势，说明并不是粉胶比越大越好，而是应当有一定的范围限制，这与规范提出的最佳粉胶比范围在0.8～1.2之间相对应。2.1.3沥青用量以AC16级配为例，采用不同的油石比进行动稳定度试验，试验结果如图4所示。在固定质量的矿料条件下，沥青和矿料的比例是影响沥青混合料抗剪强度的重要因素。图4不同油石比对应的动稳定度Fig.4Honedifferentthanthecorrespondingdynamicstability从图4能够明显看出，随着油石比的增加，动稳定度增加，但是增加到一定程度又呈减小的趋势。由此说明，在沥青用量很小时，沥青不足以形成结构沥青的薄膜来粘结矿料颗粒，随着沥青用量的增加，结构沥青逐渐形成，沥青包裹在矿料表面，使沥青与矿料间的粘附力随着沥青的用量增加而增加。当沥青用量足以形成薄膜并充分粘附矿粉颗粒表面时，这时的沥青混合料具有最大的粘聚力。如果沥青用量继续增加，逐渐将矿料颗粒推开，在颗粒间形成未与矿粉交互作用的“自由沥青”，则沥青的粘聚力随着自由沥青的增加而降低。当沥青用量达到一定量时，沥青混合料的抗剪强度几乎不变，自由沥青起着润滑剂的作用，降低了粗集料的相互密排作用，降低了沥青混合料的内摩擦角。如果沥青含量过多时，内摩擦角可降低到采用不同矿料也不会产生任何区别的程度。所以，我们在进行沥青配合比设计时，必须找到最佳油石比。2.1.4级配类型本试验并未讨论有关连续型密级配、连续型开级配、间断型密级配的矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时的高温稳定性能的区别，因为篇幅有限，仅考虑了AC10、AC-13、AC-16、AC-20类型的不同级配之间的区别。如图3所示，同一试验条件下高温稳定度由小到大的排列次序为AC10、AC-13、AC-16、AC-20，证明随着集料粒径增大，沥青混合料的抵抗高温性变形的能力也增强。2.2外部因素的影响外部因素主要包括沥青混合料的温度和加载条件因素。2.2.1温度沥青路面的车辙主要发生在夏季高温沥青混合料强度最低的季节。沥青的粘度随着其温度的升高而降低，本试验采用20℃、40℃、50℃和60℃的不同温度对室内车辙试件进行动稳定度试验，结果如图5所示。图5车辙深度与加载温度关系Fig.5Rutdepthandtemperatureload图5的试验数据表明，随着温度的增加，沥青混合料抵抗车辙变形的能力减弱，60℃时的车辙深度约为50℃时的两倍，为40℃时的三倍，而20℃时车辙深度已不明显。这说明沥青混合料是一种热塑性材料，它的抗剪强度随着温度的升高而降低。粘聚力随着温度升高而显著降低，内摩擦角受温度变化的影响较小。2.2.2加载条件许多资料显示，随着轮压的增大，车辙会成比例的增大，而且影响深度也相应增大(剪应力的峰值下降)；随着荷载作用次数的增多，轮辙不断增大，初期增长幅度较大，以后逐渐趋于稳定。加栽速率对车辙的形成具有显著的影响，车速越慢，对于同一点的荷载作用时间就越长，对于处于粘弹性状态的沥青混合料的蠕变变形，也就越大。因此，上下坡路段(因减速或制动)的车辙往往要比平缓路段严重的多。因此，对于重车较多，坡度较陡的路段，沥青混合料要进行特殊设计。3．结论（1）由内因来看，影响沥青混合料高温稳定性能的因素主要有原材料、粉胶比、沥青用量和级配类型。（2）由外因来看，影响沥青混合料高温稳定性能的因素主要有温度和加载条件。（3）综合内、外因：沥青黏度、集料颗粒尺寸和形状、粉胶比、沥青用量等因素影响的增加对沥青混合料高温性能是有利的；温度和加载条件的增加是不利的。参考文献[1]公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].JTJ052-2000.北京:人民交通出版社，2000[2]公路沥青路面施工技术规范[S].JTGF40-2004.北京:人民交通出版社，2004[3]公路工程集料试验规程[S].JTGE42-2005.北京:人民交通出版社，2005[4]沈金安.沥青及沥青混合料的路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001.5.[5]尤占平.沥青路面及其车辙评价[J].云南交通科技,1999(6):19-23.