瀝青混合料溫度敏感性研究

賴永欽 王靖 陳海榮 黃元輝

摘要：為解決河南地區(qū)瀝青路面高溫季節(jié)的車轍問題，客觀指導(dǎo)和評價瀝青混合料的設(shè)計，研究高溫季節(jié)下溫度變化對瀝青混合料高溫性能的影響，文章根據(jù)前期的路面溫度場調(diào)查情況，分別選取40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃五個不同的溫度進(jìn)行不同瀝青混合料的車轍試驗(yàn)與單軸貫入試驗(yàn)，分析溫度對瀝青混合料高溫性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：動穩(wěn)定度、車轍深度、貫入強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度都與溫度有很好的相關(guān)性，其中改性瀝青混合料動穩(wěn)定度與溫度的指數(shù)關(guān)系式DS=105 967e-0.043 5T相關(guān)系數(shù)R2為0.986 7;在40 ℃～80 ℃溫度變化范圍內(nèi)，改性瀝青混合料抗高溫性能明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料，建議上面層、中面層采用改性瀝青。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料;溫度;高溫性能;單軸貫入

0 引言

隨著我國高速公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，瀝青路面以其低噪音、行車舒適、施工速度快和開放交通早等優(yōu)點(diǎn)，成為高速公路路面的主要鋪裝形式。但由于溫度、交通荷載、水等因素的影響，瀝青路面出現(xiàn)早期病害的現(xiàn)象較為普遍，特別是車轍病害較為凸顯，溫度較高的南方地區(qū)車轍病害更為嚴(yán)重[1]。車轍的形成致使路面服務(wù)水平降低，并在車槽處積水引起水漂，影響行車的安全性，也更容易引起其他病害的產(chǎn)生[2]。

車轍是瀝青路面工作者應(yīng)該急需解決的問題，而瀝青路面車轍的影響因素眾多，外因主要為溫度、荷載、縱坡坡度、濕度、車輛行駛速度等，內(nèi)因?yàn)闉r青混合料材料性能及路面結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中溫度是影響車轍的主要因素之一[3]。由于中國南北跨度大，地域差異明顯，致使南北溫差較大，夏季平均溫差達(dá)10 ℃，且路面的溫度比實(shí)測氣溫還要高，所以路面的車轍有效溫度南北差距更大。同時，由于瀝青材料對溫度較為敏感，對瀝青混合料抗車轍性能影響最大的即為溫度，而我國現(xiàn)有的瀝青路面設(shè)計規(guī)范只以荷載為基礎(chǔ)，忽略了溫度這一重要影響因素。

東南大學(xué)周嵐[4]研究溫度對瀝青路面高溫性能的影響，發(fā)現(xiàn)重載高溫條件下，瀝青路面更易產(chǎn)生車轍;長沙理工大學(xué)張起森等人[5-6]提出中溫車轍試驗(yàn)，通過改變常規(guī)車轍試驗(yàn)溫度，在中溫環(huán)境中（30 ℃～60 ℃）研究瀝青混合料抗車轍性能，發(fā)現(xiàn)不僅高溫對瀝青混合料抗車轍性能影響較大，中溫條件下也有產(chǎn)生車轍的風(fēng)險;同濟(jì)大學(xué)魏密[7]采用單軸靜載蠕變試驗(yàn)，根據(jù)不同蠕變變形曲線，分析不同溫度對瀝青混合料高溫蠕變性能的影響;長安大學(xué)祁峰[8]通過使用MTS試驗(yàn)的方法，對旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件進(jìn)行單軸靜載蠕變試驗(yàn)和重復(fù)加載蠕變試驗(yàn)，分析溫度對瀝青混合料在高溫穩(wěn)定性方面的影響。

綜上所述，國內(nèi)外對瀝青混合料高溫性能進(jìn)行了廣泛的研究，并指出高溫是影響路面高溫性能的重要因素。但在瀝青混合料配合比設(shè)計時，往往過度強(qiáng)調(diào)對不同材料的性能要求，而對實(shí)際交通所需的材料性能考慮不足，有一定的經(jīng)驗(yàn)性和隨意性，也會導(dǎo)致道路出現(xiàn)高溫破壞。所以本文參考前人研究成果，并結(jié)合對道路溫度場的調(diào)查分析，研究不同溫度對瀝青混合料高溫性能的影響，以標(biāo)準(zhǔn)抗車轍性能試驗(yàn)設(shè)計指標(biāo)為基礎(chǔ)，適當(dāng)修正原有設(shè)計指標(biāo)，為今后瀝青混合料配合比設(shè)計提供參考。

1 原材料及試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本研究使用的石料集料由宜陽弘源氧化鈣石料廠提供，瀝青為中石油“昆侖”A級70#瀝青和中石油“昆侖”改性SBS類瀝青，參照《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40-2004）的標(biāo)準(zhǔn)可知，試驗(yàn)數(shù)據(jù)均能達(dá)到規(guī)范的要求。

1.2 試驗(yàn)方法

（1）瀝青混合料車轍試驗(yàn)

本文以同一個級配AC-20改性瀝青、基質(zhì)瀝青兩種瀝青試樣做車轍試驗(yàn)。試驗(yàn)條件：在0.7 MPa輪壓下，根據(jù)路面調(diào)查實(shí)際路面高溫時段常出現(xiàn)的溫度，分別取40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃等五個溫度，依據(jù)以上試驗(yàn)條件方案，每組取3個平行試樣進(jìn)行車轍試驗(yàn)，記錄45～60 min內(nèi)的車轍位移，計算動穩(wěn)定度，求其平均值。

（2）瀝青混合料單軸貫入試驗(yàn)

采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀76-B0252 ICT成型試件，在恒溫箱里養(yǎng)護(hù)6 h，取出試件后放在UTM試驗(yàn)機(jī)的臺座上，以1 mm/min的貫入速度進(jìn)行貫入試驗(yàn)，直至試件破壞，讀取最大破壞荷載。分別在40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃等五個不同的溫度條件下，利用UTM-100以1 mm/min的貫入速度進(jìn)行貫入試驗(yàn)，每10 s記錄一次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，直至試件破壞為止，記錄試驗(yàn)過程中的垂直應(yīng)力P隨時間（貫入深度）的變化曲線，并記錄破壞應(yīng)力、貫入深度等指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

2.1 瀝青混合料車轍試驗(yàn)

車轍試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

2.1.1 瀝青材料對高溫性能的影響

從表1可以看出，在溫度40 ℃～80 ℃變化范圍內(nèi)，改性瀝青混合料抗高溫性能明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料。改性瀝青混合料60 min總車轍深度較小，高溫70 ℃最大車轍深度為2.406 mm，動穩(wěn)定度為5 625 次/mm，80 ℃最大車轍深度為3.148 mm，動穩(wěn)定度為3 150 次/mm;而基質(zhì)瀝青混合料在40 ℃的車轍總深度為1.029 mm，動穩(wěn)定度為8 750 次/mm，70 ℃的車轍總深度為5.017 mm，動穩(wěn)定度為860 次/mm，已經(jīng)不能滿足規(guī)范的要求。當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃時，基質(zhì)瀝青黏性基本喪失，主要靠集料之間的摩擦力提高強(qiáng)度，高溫性能很差。而由于改性瀝青軟化點(diǎn)明顯高于基質(zhì)瀝青，試驗(yàn)溫度未達(dá)到改性瀝青軟化點(diǎn)85.5 ℃，動穩(wěn)定度隨溫度的變化趨勢比較穩(wěn)定。由前期溫度調(diào)查結(jié)果可知，瀝青路面的上面層、中面層溫度在高溫時期達(dá)到70 ℃以上，故建議一般路面設(shè)計上面層、中面層采用改性瀝青。

2.1.2 溫度與動穩(wěn)定度的關(guān)系

由圖1可以看出，不管是改性瀝青還是基質(zhì)瀝青，都是隨著溫度的升高而穩(wěn)定度降低，這是因?yàn)闉r青是溫度敏感性材料，在高溫條件下，隨著溫度的升高，瀝青材料逐漸軟化，抗車轍能力不足，表現(xiàn)出動穩(wěn)定度降低。隨著溫度的升高，瀝青混合料的強(qiáng)度開始降低，受到外力時，有很大的變形，并且一部分變形不可恢復(fù)，這時表現(xiàn)出粘彈性，就會出現(xiàn)車轍，當(dāng)溫度升高到一定程度，瀝青混合料就會表現(xiàn)出黏性狀態(tài)，很容易被破壞[9]。

為找出動穩(wěn)定度和溫度之間的關(guān)系，試著用線性、多項(xiàng)式、對數(shù)、指數(shù)等回歸模型對兩者之間的規(guī)律進(jìn)行描述，分析結(jié)果如表2所示。

相比較而言，指數(shù)回歸方程描述改性瀝青混合料或基質(zhì)瀝青混合料相對準(zhǔn)確，能更好地表示兩者的關(guān)系。雖然這兩種瀝青軟化點(diǎn)相差較大，但兩種瀝青之間變化規(guī)律有一定的相似性，溫度從40 ℃上升到50 ℃時，混合料的動穩(wěn)定度變化較大，這一點(diǎn)與美國環(huán)道試驗(yàn)得出的結(jié)論相吻合[10]。

以上兩個回歸公式及回歸系數(shù)的取得，可以描述瀝青混合料動穩(wěn)定度與溫度的關(guān)系，對預(yù)估瀝青混合料高溫性能及危害有著重要意義，可為以后研究提供參考。

2.1.3 溫度與車轍總位移的關(guān)系

車轍深度不但跟瀝青混合料種類、集料類型、瀝青材料、壓實(shí)度、空隙率等因素有關(guān)，還跟溫度有很大的關(guān)系。由于改性瀝青和基質(zhì)瀝青兩種混合料在不同溫度下，車轍深度相差較大，以下對兩種混合料逐一分析。

（1）改性瀝青混合料車轍深度隨溫度變化趨勢基本穩(wěn)定，在不同時間段內(nèi)（相當(dāng)于不同的荷載次數(shù)）車轍深度變化趨勢如圖2所示。

改性瀝青混合料在溫度40 ℃～80 ℃變化范圍內(nèi)，每隔10 ℃作為試驗(yàn)溫度變化條件，在30 min、45 min、60 min不同時間段的車轍深度都隨著溫度的增加而加深，并且在瀝青混合料沒有失穩(wěn)的情況下變化相對穩(wěn)定。不同時間段的車轍深度相當(dāng)于不同軸載次數(shù)作用下瀝青混合料車轍深度，可見無論什么溫度條件下，車轍深度隨著軸載次數(shù)的增加而增大，變化幅度隨著溫度的升高而增大。

（2）基質(zhì)瀝青混合料在溫度相對較低的狀況下，車轍深度變化規(guī)律與改性瀝青混合料基本相似，但隨著溫度的升高，車轍深度急劇增加。以下就是在不同時間段內(nèi)（相當(dāng)于不同的荷載次數(shù)）不同溫度對應(yīng)車轍深度變化趨勢，如圖3所示。

基質(zhì)瀝青混合料在溫度40 ℃～70 ℃范圍內(nèi)，瀝青混合料表現(xiàn)出粘彈性的性質(zhì)，車轍深度變化趨勢相對穩(wěn)定。當(dāng)溫度升高到80 ℃時，表現(xiàn)出黏性狀態(tài)，已經(jīng)失去彈性的性質(zhì)，所以基質(zhì)瀝青高溫條件下表現(xiàn)出來車轍深度加劇。由于在80 ℃條件下，基質(zhì)瀝青混合料基本上處于失穩(wěn)狀態(tài)，已失去研究價值，因此除去80 ℃試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)車轍深度與溫度仍有較好的相關(guān)性。

2.2 瀝青混合料單軸貫入試驗(yàn)（見圖4）

（1）由圖4可知，隨著溫度的變化，瀝青混合料力學(xué)性能發(fā)生一定的變化，在溫度從低到高的過程中，試件破壞極值逐漸減小，并且破壞極值越來越不明顯。

（2）從曲線變形規(guī)律分析，在開始階段是壓密變形曲線較平緩，之后進(jìn)入彈性階段，曲線基本呈直線，隨著貫入深度增加，應(yīng)力不斷增大，最后是破壞階段。40 ℃時，瀝青混合料表現(xiàn)出高強(qiáng)度、高回彈模量偏向彈性性質(zhì)，壓密階段不明顯，在彈性階段儀器需要提供很大的應(yīng)力才能保持貫入速度恒定，所以應(yīng)力的增加速度很快，應(yīng)力增加與材料變形成比例，達(dá)到破壞強(qiáng)度時，極值點(diǎn)明顯。而隨著溫度的升高，瀝青混合料的強(qiáng)度開始降低，表現(xiàn)出粘彈性的性質(zhì)，壓密變形持續(xù)時間長，特別是在80 ℃條件下，彈性階段不明顯，隨著貫入深度增加，應(yīng)力變化較小，試件破壞時產(chǎn)生的變形較大。

（3）從應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系分析，低溫情況下，試件的破壞應(yīng)力大，變形較小，說明這個溫度的瀝青混合料模量大，隨著溫度升高，瀝青回彈模量下降，試件破壞應(yīng)力減小，變形增大。

（4）從圖5、圖6可以看出，隨著溫度升高，試件的貫入強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度都明顯降低，并隨著溫度的升高，差距逐漸降低，這是由于單軸貫入試驗(yàn)試件沒有圍壓，抗剪強(qiáng)度主要反映了瀝青結(jié)合料的影響，而溫度升高后，瀝青黏度迅速降低，導(dǎo)致混合料抗剪強(qiáng)度減小，使得高溫性能下降?？辜魪?qiáng)度與溫度之間具有良好的線性關(guān)系，考慮到貫入強(qiáng)度受試件自身因素影響較大，按照最大貫入強(qiáng)度測出來的結(jié)果不是太穩(wěn)定，因此可采用抗剪強(qiáng)度評價瀝青混合料高溫性能。

3 結(jié)語

（1）40 ℃～80 ℃變化范圍內(nèi)，改性瀝青混合料抗高溫性能明顯優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料?；|(zhì)瀝青混合料在70 ℃的車轍總深度為5.017 mm，動穩(wěn)定度為860 次/mm，已經(jīng)不能滿足規(guī)范的要求，當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃時，基質(zhì)瀝青黏性基本喪失，主要靠集料之間摩擦力提高強(qiáng)度，高溫性能很差。由前期溫度調(diào)查結(jié)果可知，瀝青路面的上面層、中面層溫度在高溫時期達(dá)到70 ℃以上，故一般路面設(shè)計建議上面層、中面層采用改性瀝青。

（2）動穩(wěn)定度、車轍深度與溫度有很好的相關(guān)性，其中指數(shù)回歸方程描述改性瀝青混合料或基質(zhì)瀝青混合料相對準(zhǔn)確，能更好地表示兩者之間的關(guān)系，所確定的回歸公式DS=105 967e-0.043 5T（改性瀝青動穩(wěn)定度與溫度的關(guān)系表達(dá)式）等對預(yù)估瀝青混合料高溫性能及危害有著重要意義，可為以后研究提供參考。

（3）40 ℃時，瀝青混合料表現(xiàn)出高強(qiáng)度、高回彈模量偏向彈性性質(zhì)。隨著溫度的升高，瀝青混合料的強(qiáng)度開始降低，表現(xiàn)出粘彈性的性質(zhì)，特別在80 ℃條件下，彈性階段更不明顯，隨著貫入深度增加，應(yīng)力變化較小，試件破壞時產(chǎn)生的變形較大。

（4）溫度升高，試件的貫入強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度都明顯降低，且具有較好的線性關(guān)系，但貫入強(qiáng)度受試件自身因素影響較大。按照最大貫入強(qiáng)度測出來的結(jié)果不是太穩(wěn)定，可考慮采用抗剪強(qiáng)度評價瀝青混合料高溫性能。

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