瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性影響因素研究

尹果果

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400000)

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瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性影響因素研究

尹果果

(重慶交通大學土木工程學院 重慶 400000)

瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性是在高溫條件下，能夠經(jīng)受荷載的作用而保持結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定，不發(fā)生影響其使用性能的能力。本文通過分析三種瀝青混合料SMA、SUP、AK瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性性質(zhì),找到影響高溫穩(wěn)定性性質(zhì)的關(guān)鍵因素,并進行嚴格控制,以達到提高瀝青施工質(zhì)量的目標。

瀝青混合料；高溫穩(wěn)定性

引言

中國高速公路的發(fā)展創(chuàng)造了世界矚目的速度，這是經(jīng)濟和社會發(fā)展的現(xiàn)實需要，也是交通實現(xiàn)跨越式發(fā)展的重要標志。由于瀝青路面具有無接縫、低噪音、易維修等優(yōu)點，因此在已建成的高速公路中有90%以上采用的是瀝青混凝土路面。瀝青路面直接受車輛荷載和大氣因素的影響，同時瀝青混合料的物理、力學性質(zhì)受氣候因素與時間因素影響較大，因此為了能使路面給車輛提供穩(wěn)定、耐久的服務，必須要求瀝青路面具有一定的穩(wěn)定性和耐久性。其中穩(wěn)定性包括高溫穩(wěn)定性、低溫抗裂性以及水穩(wěn)定性。由于瀝青路面的強度與剛度(模量)隨溫度升高而顯著下降，為了保證瀝青路面在高溫季節(jié)行車荷載反復作用下,不致產(chǎn)生諸如波浪、推移、車轍、擁包等病害，瀝青路面應具有良好的高溫穩(wěn)定性。

一、瀝青混合料介紹

(一)瀝青瑪蹄脂碎石混合料路(SMA)的組成原理及特點

SMA的結(jié)構(gòu)組成可概括為“三多一少，即：粗集料多、礦粉多、瀝青多、細集料少”。

(二)SUP的組成及特點

全稱Superpave,也是一種連續(xù)級配,與AC級配比較類似,混合料也屬于懸浮密實型,只是在其級配設(shè)計時，有一個禁區(qū),級配曲線是不允許通過的,實驗室級配設(shè)計時與AC、SMA的設(shè)計成型方式不一樣,它采用旋轉(zhuǎn)壓實,用的是體積設(shè)計法。

(三)AC的組成及原理

AC叫瀝青混凝土,是連續(xù)級配,即各檔料的用量是連續(xù)的,逐級填隙,其混合料屬于懸浮密實型骨架。實驗室級配設(shè)計時采用馬歇爾擊實成型。因為經(jīng)驗豐富,技術(shù)成熟,在我國使用的很多,基本上70、80%的1、2級公路的面層都會采用此級配。

二、影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的因素分析

(一)設(shè)計施工方面的影響

(1)瀝青材料本身的影響。在瀝青材料性質(zhì)中,與溫度變化有關(guān)的指標如針入度、針入度指數(shù)、粘度、軟化點等對瀝青混合料高溫穩(wěn)定性有明顯的影響。針入度是表示瀝青稠度的一個指標,針入度小,則瀝青與骨料的黏結(jié)力大,瀝青混合料的抗高溫變形能力增強;針入度指數(shù)反映了瀝青粘度隨溫度變化的幅度,瀝青的溫度敏感性越低,形成的瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能越好,針入度指數(shù)PI增加,瀝青的彈性和觸變性增加,增加瀝青針入度指數(shù)PI值可有效地提高抗變形能力;軟化點是高溫穩(wěn)定性的重要指標,在同樣的針入度下,軟化點越高,瀝青的高溫性能就越好,軟化點高意味著瀝青的等粘溫度高,混合料高溫穩(wěn)定性好,有研究表明,瀝青軟化點與車轍試驗的動穩(wěn)定度之間存在較好的相關(guān)關(guān)系。軟化點每增加5度,車轍率減半;瀝青的粘度越大,與石料結(jié)合的粘附性越好,在一定溫度和荷載條件下,瀝青混合料的粘滯阻力也越大,抗剪切變形能力越強,瀝青混合料抗車轍性能越好;瀝青的含蠟量對瀝青的性質(zhì)的影響非常明顯,對于含蠟量高的瀝青,瀝青溫度接近軟化點溫度時,蠟的熔融會引起瀝青粘度的明顯降低,從而使混合料穩(wěn)定性隨之降低。

(2)瀝青用量的影響。合適的瀝青含量能提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性,瀝青在混合料中以結(jié)構(gòu)瀝青和自由瀝青的方式存在,結(jié)構(gòu)瀝青膜連接礦物顆粒之間接觸處,會使瀝青具有更高的粘度和更大的擴散溶化膜接觸面積因而可以獲得更大的粘聚力,是混合料穩(wěn)定度產(chǎn)生的主要因素。當瀝青含量較少時,瀝青在集料表面形成的瀝青膜過薄,混合料呈干枯狀態(tài)而缺乏足夠的粘結(jié)力,不能形成高的強度,高溫穩(wěn)定性差。增加瀝青用量,混合料黏結(jié)力增強,高溫穩(wěn)定性隨之提高。當超過最佳瀝青用量以后,瀝青在集料表面形成的瀝青膜增厚,自由瀝青增多,潤滑能力增強,集料顆粒在荷載作用下易于滑動移位,高溫穩(wěn)定性降低。

(3)集料性質(zhì)的影響 針片狀含量小,顆粒接近立方體的堅硬、潔凈集料,拌和的瀝青混合料高溫性能比較好。礦粉對瀝青混合料耐熱性影響很大,是礦質(zhì)混合料中影響最大的,因為礦粉比表面積大,與瀝青混合后能夠減少瀝青的流動性,特別是活性礦粉,影響更為明顯。

(4)級配類型的影響 瀝青混合料的結(jié)構(gòu)類型分為三類,即密實骨架型結(jié)構(gòu)、密實懸浮型結(jié)構(gòu)、骨架空隙型結(jié)構(gòu),瀝青混合料的強度形成來源于兩個方面,即集料間的嵌擠作用和瀝青結(jié)合料粘結(jié)作用。試驗研究分析表明,對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性的貢獻,有60%來自于集料的嵌擠作用,有40%來自于瀝青結(jié)合料的粘結(jié)作用。礦料級配和瀝青含量決定了瀝青混合料的結(jié)構(gòu)類型,不同的結(jié)構(gòu)類型混合料密實程度不同,礦料顆粒間嵌擠力大小差別很大,直接影響路面的抗剪強度。據(jù)美國洲際公路研究計劃的研究,在一般情況下,級配合理的密實混合料的高溫穩(wěn)定性要優(yōu)于間斷級配混合料。形成骨架結(jié)構(gòu)的級配受溫度變化影響較小,有較好的抗車轍能力,而懸浮型結(jié)構(gòu)抗車轍能力較差,因而密實骨架型結(jié)構(gòu)的抗車轍能力好于骨架空隙型結(jié)構(gòu)、骨架空隙型結(jié)構(gòu)好于密實懸浮型結(jié)構(gòu)。集料的粒徑對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有多大的影響,人們想當然地認為,集料的粒徑大,混合料的高溫穩(wěn)定性越好,但多數(shù)試驗表明,級配良好的細粒式瀝青混合料仍具有較高的動穩(wěn)定度,級配不好但增大了集料粒徑并沒有改善混合料高溫穩(wěn)定性,在我國被廣泛使用的級配碎石混合料,集料均是大粒徑的,但動穩(wěn)定度并不高。

(5)空隙率的影響?？障堵实拇笮r青混合料的路用性能有很大的影響,空隙率大的瀝青混合料,其穩(wěn)定性主要來源于礦料的內(nèi)摩阻力,而內(nèi)摩阻力不受溫度變化的影響,因而空隙率大的瀝青混合料高溫穩(wěn)定性較好;相反,空隙率小的瀝青混合料,由于內(nèi)部瀝青含量較多,溫度升高會引起瀝青體積膨脹,減小了礦料間的內(nèi)摩阻力,從而減小了混合料的抗剪能力,動穩(wěn)定度也隨之降低。密實級配的瀝青混合料的空隙率在2%～4%,小于這個數(shù)值,則瀝青含量過大,混合料流動,混合料抗變形能力明顯減小,如果由于現(xiàn)場壓實不足而造成空隙率過大,則混合料更容易變形。

(二)影響瀝青路面高溫穩(wěn)定性的外因

(1)環(huán)境溫度的影響。瀝青路面的高溫穩(wěn)定性受溫度的影響很大,在20度以下的中低溫狀態(tài)下,瀝青路面處于硬塑狀態(tài),溫度變化對混合料的高溫穩(wěn)定性幾乎沒有什么影響,溫度提高,瀝青混合料的模量降低,抗車轍能力迅速減弱。在40～60度范圍內(nèi),瀝青混合料在溫度上升5度時,其變形量增加近2倍。可見,環(huán)境溫度是影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性最大的因素。

(2)交通條件的影響。車輛行駛對路面高溫穩(wěn)定性的影響可以歸結(jié)為荷載大小、行車速度兩個方面。行車速度大小對路面水平力影響較大,對變形方面的影響則表現(xiàn)為沖擊力。荷載大小對路面車轍有比較直接的影響。在路表溫度60度的條件下,荷載應力0.7MPa增加0.8MPa時,造成動穩(wěn)定度減小約40%;而當荷載應力從0.7MPa減小到0.6MPa時,動穩(wěn)定度增加約68%。

三、結(jié)論

通過上述可以知道,嚴格控制設(shè)計施工方面的影響因素,并和環(huán)境溫度以及交通條件相匹配,才能發(fā)揮瀝青混合料的有效使用壽命,保證施工質(zhì)量。

References)】

[1]趙海濱，上面層瀝青混合料抗車轍性能的研究，東南大學碩士論文，2005.

[2]趙佳軍,黃志福.高速公路瀝青路面病害處治[f].華東公路，125，2000，8.

[3]余叔藩，SMA混合料的設(shè)計與施工，國外公路， 1999(02).

尹果果(1992-)，男，四川鄰水人，重慶交通大學研究生。