瀝青混合料的路用性質(zhì)及損害

吳棱峰，何雨軒

(長(zhǎng)安大學(xué),陜西 西安 710061)

我國(guó)瀝青工業(yè)正處于迅猛發(fā)展中，瀝青路面因其良好的路用性能與性?xún)r(jià)比被大量應(yīng)用于市政道路和城市間的干線(xiàn)高速公路，其具有良好的路用性質(zhì)并且可以機(jī)械化施工并快速開(kāi)放交通，同時(shí)養(yǎng)護(hù)成本較低便于施工再利用。但是隨著路面車(chē)輛荷載增加以及氣溫的變化增加，瀝青路面因?yàn)槠錅囟让舾行暂^高且易老化的缺點(diǎn)逐漸被熱拌瀝青混合料所取代。

1 瀝 青

瀝青主要是由石油煉制而成，通常包括四組分。通過(guò)對(duì)按照25 ℃針入度指標(biāo)進(jìn)行瀝青分級(jí)，即可為后續(xù)瀝青混合料的配合提供基礎(chǔ)。此外瀝青的路用性能可以通過(guò)三大指標(biāo)：針入度，軟化點(diǎn)，延度來(lái)進(jìn)行表示。

2 瀝青混合料材料構(gòu)成

按照級(jí)配類(lèi)型可以分可將瀝青混合料的結(jié)構(gòu)為三種：骨架密實(shí)型，骨架空隙型、懸浮密實(shí)型。

(1)骨架密實(shí)型為間斷型級(jí)配礦料，因其缺少中等大小的礦料從而形成的混合料密實(shí)度較好，高溫穩(wěn)定性好但施工和易性較差。

(2)骨架空隙型為連續(xù)型開(kāi)級(jí)配礦料，其組成全部為大粒徑集料，因此內(nèi)摩阻力較高，高溫穩(wěn)定性較好但因集料空隙較大粘聚力較低、耐久性差，不利于路面的長(zhǎng)期使用，易發(fā)生離析現(xiàn)象，需要頻繁的進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

(3)懸浮密實(shí)型為連續(xù)型密級(jí)配礦料，大粒徑集料產(chǎn)生的空隙可以有中、小粒徑集料進(jìn)行填空，與瀝青結(jié)合緊密，具有較好的耐高溫性能，但因其結(jié)合緊密內(nèi)摩阻力較小，易產(chǎn)生車(chē)轍、擁包等不良現(xiàn)象。同時(shí)施工和易性主要受材料性質(zhì)和外界環(huán)境影響。

通過(guò)瀝青與各種礦質(zhì)成分的組成，瀝青混合料同時(shí)具備了瀝青與集料的優(yōu)點(diǎn)，其中瀝青主要起裹附、膠結(jié)的作用。通過(guò)瀝青與礦料的膠結(jié)可以顯著提升瀝青混合料的粘結(jié)，當(dāng)?shù)V粉顆粒被結(jié)構(gòu)瀝青包裹，粒間為結(jié)構(gòu)瀝青聯(lián)結(jié)，粒間粘結(jié)力較大；當(dāng)?shù)V粉顆粒被結(jié)構(gòu)瀝青包裹，粒間為自由瀝青聯(lián)結(jié)，則其粘結(jié)力較小。

瀝青用量也應(yīng)該保持在適度的范圍內(nèi)，當(dāng)瀝青過(guò)多時(shí)，會(huì)產(chǎn)生自由瀝青，瀝青起到潤(rùn)滑作用，從而降低粘附性；當(dāng)瀝青過(guò)少時(shí)，礦質(zhì)顆粒無(wú)法充分被瀝青裹附。所以只有當(dāng)瀝青用量適中時(shí)，才會(huì)得到施工和易性最好的瀝青混合料，不會(huì)產(chǎn)生縱裂、橫裂、龜裂等現(xiàn)象。

瀝青混合料中的集料，當(dāng)其顆粒越細(xì)，表面積越大，與瀝青產(chǎn)生膠結(jié)作用的表面積愈大，在集料表面會(huì)形成薄薄的瀝青表面膜，從而產(chǎn)生粘結(jié)能力，形成的結(jié)構(gòu)瀝青組分所占瀝青混合料比重越大，瀝青混合料的粘聚力也愈高。可以通過(guò)增加礦粉來(lái)增加礦料表面積大小，從而使瀝青膜更均勻面積更大，保證瀝青混合料有足夠的粘結(jié)力。

集料的各項(xiàng)物理性質(zhì)例如密度，粒徑與粗糙程度也會(huì)對(duì)瀝青混合料的路用性能產(chǎn)生影響，當(dāng)集料所用石砂的表面含有較為豐富的棱角即集料較為粗糙時(shí)，集料會(huì)因嵌合程度不好增大表面積，瀝青膜相對(duì)較薄，表面比較粗糙，其間的內(nèi)摩阻力大，可以避免路面泛油、磨光。

3 地區(qū)差異導(dǎo)致的氣候變化對(duì)瀝青路面的影響

在較冷地區(qū)應(yīng)該選用針入度大，敏感性低的瀝青，從而避免因溫度過(guò)低造成瀝青混合料在攤鋪過(guò)程中施工和易性差；在較熱地區(qū)應(yīng)選用針入度小，軟化點(diǎn)較高的瀝青，從而避免瀝青路面因吸熱導(dǎo)致溫度過(guò)高，粘稠度下降的不良影響，造成車(chē)轍等病害。

4 幾種會(huì)發(fā)生的瀝青路面破壞類(lèi)型

4.1 永久變形

大多數(shù)的永久變形破壞例如車(chē)轍，搓板等，其外因可以解釋為超過(guò)設(shè)計(jì)指標(biāo)的荷載與異常的高溫。而內(nèi)因取決于瀝青混合料路面采用的材料，混合料使用的結(jié)構(gòu)類(lèi)型等。以車(chē)轍為例，車(chē)轍出現(xiàn)一定程度上路面說(shuō)明了路面的高溫穩(wěn)定性不好，但也有可能出現(xiàn)磨耗型車(chē)轍這樣由于冬季埋釘輪胎而產(chǎn)生的路面磨損。而接結(jié)構(gòu)型車(chē)轍就是典型的由于路面高溫穩(wěn)定性差而導(dǎo)致在高溫下路面各層強(qiáng)度降低小于荷載作用，使瀝青面層以下結(jié)構(gòu)層發(fā)生變形。高溫穩(wěn)定性差也會(huì)使路面抗剪強(qiáng)度降低產(chǎn)生流動(dòng)變形在長(zhǎng)時(shí)間的積累后形成車(chē)轍，在車(chē)轍的一側(cè)路面隆起產(chǎn)生擁包。為了檢測(cè)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，我們一般采用較為傳統(tǒng)的兩種試驗(yàn)方法即馬歇爾試驗(yàn)和輪轍試驗(yàn)。

4.2 裂縫

路面的瀝青混合料在鑄成后可以被看成為一個(gè)有著巨大質(zhì)量的整體，路面整體中結(jié)構(gòu)應(yīng)力并不同，在低溫時(shí)發(fā)生收縮會(huì)導(dǎo)致承受結(jié)構(gòu)應(yīng)力大的部分在溫度應(yīng)力的作用下產(chǎn)生裂縫。在溫度較低時(shí)瀝青路面變形能力會(huì)下降，瀝青勁度系數(shù)變小使抗裂性降低。而評(píng)價(jià)瀝青混合料的方法可分為預(yù)估開(kāi)裂溫度，評(píng)價(jià)低溫變形能力與松弛能力的方法及評(píng)價(jià)斷裂能的方法。例如直接拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)原理即用傳感器測(cè)出試件隨溫度變化的應(yīng)力變化以及抗拉強(qiáng)度的變化，通過(guò)測(cè)得數(shù)據(jù)我們能直接得到路面的溫度應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度關(guān)于溫度的曲線(xiàn)交點(diǎn)。而普遍應(yīng)用的低溫玩去試驗(yàn)則更直接，在-10 ℃的條件下以50 mm每分鐘的速度對(duì)試件進(jìn)行破壞并記錄下破壞強(qiáng)度與破壞應(yīng)變的關(guān)系。

4.3 水損害

瀝青混合料路面由于水浸蝕或凍融作用使瀝青組分在集料表面被磨耗掉造成顆粒松散，使集料直接暴露在表面致使路面損耗嚴(yán)重，松散的部分被機(jī)動(dòng)車(chē)磨損帶走形成了瀝青膜剝落，而剝落進(jìn)一步向路面深層發(fā)展形成坑槽，而此時(shí)路面的損害就已經(jīng)很?chē)?yán)重了。出現(xiàn)這些損害的外因即路面荷載過(guò)大導(dǎo)致路面易被破壞，而雨水較多浸蝕與凍融頻發(fā)等。內(nèi)因則是瀝青混合料粘附性差致使水穩(wěn)定性差。對(duì)于我國(guó)北方區(qū)域例如東北地區(qū)由于冬天時(shí)間長(zhǎng)降雪多凍融作用明顯，所以在選擇瀝青路面的結(jié)構(gòu)類(lèi)型時(shí)不能選擇孔隙率大的結(jié)構(gòu)，否則在冬天路面的開(kāi)裂現(xiàn)象將會(huì)很?chē)?yán)重。

4.4 表面功能衰減

瀝青混合料路面的抗滑性下降會(huì)體現(xiàn)出表面功能衰減，可能會(huì)產(chǎn)生的現(xiàn)象有磨光與泛油，磨光是指路面表層在經(jīng)過(guò)大量的磨損后導(dǎo)致表面摩擦系數(shù)降低使路面變得光滑，降低了道路的安全性。而作為判斷的依據(jù)我們采用測(cè)量摩擦系數(shù)的方法，用擺式儀直接測(cè)出路面的摩擦系數(shù)，并通過(guò)比較摩擦系數(shù)來(lái)判表面功能的強(qiáng)弱。而泛油現(xiàn)象則是指瀝青路面中的自由瀝青過(guò)多導(dǎo)致在溫度升高時(shí)膨脹從瀝青混凝土的縫隙中滲出到路面表層，產(chǎn)生泛油現(xiàn)象的原因大多數(shù)是在進(jìn)行配比或施工拌和時(shí)設(shè)計(jì)加入了過(guò)多瀝青組分。在表面功能衰減后瀝青路面的抗滑性會(huì)有大幅度的下降給行車(chē)安全帶來(lái)了極多的不穩(wěn)定因素。

4.5 瀝青路面的疲勞現(xiàn)象

路面材料在荷載的作用下，在低于靜態(tài)極限強(qiáng)度時(shí)被破壞，我們稱(chēng)其為疲勞。疲勞強(qiáng)度是衡量疲勞破壞程度的指標(biāo)。對(duì)于材料的抗疲勞性能的評(píng)定一般采用環(huán)道試驗(yàn)和加速加載試驗(yàn)或在室內(nèi)采用3分點(diǎn)加載小梁疲勞試驗(yàn)。

4.6 瀝青路面的老化現(xiàn)象

我們將瀝青的老化現(xiàn)象根據(jù)施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)情況的不同分為不同的時(shí)間階段對(duì)應(yīng)以不同的需求。當(dāng)瀝青路面材料老化后，瀝青面會(huì)發(fā)生龜裂甚至塌陷，我們一般將瀝青的老化分成短期老化和長(zhǎng)期老化，短期老化指瀝青在運(yùn)輸與儲(chǔ)存中的老化，瀝青混合料在拌和過(guò)程中的熱老化及拌和后施工期的老化。而對(duì)于短期老化我們無(wú)法直接測(cè)量混合料的性能，但我們可以采用測(cè)量瀝青的抗老化性能來(lái)間接的體現(xiàn)瀝青混合料的性能，測(cè)量瀝青的短期老化性能采用的是TFOT或RTFOT試驗(yàn)，而測(cè)量長(zhǎng)期老化則來(lái)判斷瀝青的老化程度則用PAV與DTFOT試驗(yàn)。

5 瀝青混和料的施工和易性問(wèn)題

施工和易性是指混和料在攪拌、澆灌等階段中便于操作，能使其保持均勻而不發(fā)生離析的性能。對(duì)于混合料的要求是不離析、易密實(shí)且瀝青膜的裹覆良好，施工和易性取決于原材料性質(zhì)即瀝青與集料的性質(zhì)，混合料性質(zhì)即混合料的集配、瀝青用量等，以及各種外因例如氣溫與施工條件。

6 結(jié) 語(yǔ)

目前我國(guó)交通行業(yè)迅速發(fā)展，我國(guó)的公路建設(shè)速度有了很大程度上的提高，相較于以往的單一運(yùn)輸方式現(xiàn)在的交通運(yùn)輸方式多種多樣，但伴隨著車(chē)輛噸位的提高與車(chē)流量的顯著增加，我國(guó)瀝青路面公路的路面破壞逐漸嚴(yán)重并且瀝青路面的壽命日益縮短。道路材料技術(shù)急需進(jìn)一步的革新進(jìn)化，提升瀝青路面的性能與經(jīng)濟(jì)性已經(jīng)成為現(xiàn)代交通運(yùn)輸行業(yè)的重要需求。