溫度差異對瀝青混合料路用性能影響研究

李 鋒 （海南路橋工程有限公司，海南 三亞 572000）

瀝青混凝土路面材料的選用，不僅要滿足其經(jīng)濟(jì)性、耐久性、舒適性，還要考慮其設(shè)計(jì)使用年限。國內(nèi)南北氣候差異較大，地區(qū)晝夜溫度各有不同。為了應(yīng)對各地區(qū)高溫因素、雷雨天氣、潮濕、風(fēng)蝕環(huán)境，在選用瀝青路面材料類型時(shí)，考慮影響因素不全會(huì)導(dǎo)致材料選用有所欠缺，從而倒使其瀝青路面使用年限未達(dá)到設(shè)計(jì)使用要求便出現(xiàn)功能性損壞。國內(nèi)許多學(xué)者在研究諸多條件因素對瀝青材料的影響，高溫對瀝青材料的影響至關(guān)重要。因全球氣候變暖，近年來我國某些地區(qū)出現(xiàn)了常年不遇的高溫現(xiàn)象，甚至極個(gè)別地區(qū)出現(xiàn)極端罕見高溫天氣，在受其特殊溫度的影響下，造成瀝青路面原本的設(shè)計(jì)使用年限大大縮短，且導(dǎo)致了維護(hù)、修復(fù)成本的提高。

高溫環(huán)境對瀝青混合料帶來的影響往往是不可逆的，在此環(huán)境下保持其性能穩(wěn)定不變是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。因?yàn)闉r青材料在高溫環(huán)境下會(huì)發(fā)生性能上的改變，隨之帶來的影響是對外界各類環(huán)境因素的抵抗力大大降低，并在重荷載環(huán)境影響下，瀝青混合料的形變問題極易產(chǎn)生，從而對使用中的瀝青路面造成極大的功能性影響及破壞。

在我國南方地區(qū)，夏季時(shí)日照時(shí)間較長，導(dǎo)致地表溫度極易升高，很多情況下地表溫度已突破瀝青路面材料臨界溫度，高溫因素對瀝青路面的影響研究便是至關(guān)重要的課題。為了延緩瀝青路面各類型病害的發(fā)生，國內(nèi)許多路橋施工專業(yè)技術(shù)人員開始對處于高溫環(huán)境下的各類型瀝青路面的性能變化進(jìn)行研究。目前在高等級路面如高速公路、一級公路上使用的瀝青類型可選性較多，不同類型的瀝青有著它的優(yōu)點(diǎn)，但也存在某些缺點(diǎn)。瀝青材料類型的選擇對道路工程的建設(shè)尤為重要，性能較好的瀝青材料，能較好的提高道路的使用年限及舒適性，帶來較高的工程經(jīng)濟(jì)性。本文目的在于研究在不同的溫度環(huán)境下，SMA改性瀝青混合料、道路石油瀝青混合料（A級90#）及乳化瀝青混合料3種不同類型的瀝青混合料的高溫性能指標(biāo)，從而達(dá)到指導(dǎo)和推薦道路建設(shè)時(shí)選用性能優(yōu)越的瀝青混合料實(shí)例。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案及瀝青材料技術(shù)指標(biāo)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案為研究在30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃6種不同溫度環(huán)境下，SMA改性瀝青混合料、道路石油瀝青混合料（A級90#）及乳化瀝青混合料3種不同類型的瀝青混合料隨著溫度變化的性能指標(biāo)，并以馬歇爾穩(wěn)定度、車轍穩(wěn)定度試驗(yàn)[2]和黏性勁度模量作為其性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過該試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案研究與分析在6種不同溫度變化下對其瀝青混合料的性能指標(biāo)影響。30℃、40℃2種溫度是模擬瀝青路面在較為常規(guī)的溫度下的性能變化，將這2種溫度作為對比試驗(yàn)參照組，50℃、60℃2種溫度是模擬瀝青路面在7、8月份夏季平均溫度較高環(huán)境下的性能指標(biāo)，70℃、80℃2種溫度是模擬瀝青路面在極端罕見高溫環(huán)境條件下的性能破壞指標(biāo)大小。

根據(jù)相關(guān)的施工技術(shù)規(guī)范指標(biāo)及現(xiàn)場工程經(jīng)驗(yàn)，在本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案中統(tǒng)一采用的瀝青混合料油石比為4.5%。試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案詳見圖1。

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)流程圖

1.2 瀝青材料技術(shù)指標(biāo)

①本次試驗(yàn)所統(tǒng)一采用的改性瀝青（用于SMA瀝青混合料）、道路石油瀝青（A級90#）及乳化瀝青的技術(shù)指標(biāo)檢驗(yàn)結(jié)果詳見表1～表3。

改性瀝青指標(biāo)檢測結(jié)果 表1

道路石油瀝青（A級90#）指標(biāo)檢測結(jié)果 表2

從上述表1、表2、表3中可看出，其選用的3種瀝青原料技術(shù)指標(biāo)經(jīng)檢測均滿足技術(shù)規(guī)范要求，綜上，本試驗(yàn)所采用的瀝青原料的研究結(jié)果有效性能夠得到保證。

②本次研究試驗(yàn)所采用的瀝青粗、細(xì)集料檢測質(zhì)量結(jié)果均滿足技術(shù)規(guī)范要求，詳見表4、表5。

粗集料質(zhì)量檢測結(jié)果 表4

細(xì)集料質(zhì)量檢測結(jié)果 表5

2 試驗(yàn)研究結(jié)果與性能分析

2.1 馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)

為研究上述3種不同類型瀝青馬歇爾試件在不同溫度環(huán)境下的穩(wěn)定度、流值，試驗(yàn)在馬歇爾試件成型并穩(wěn)定后，將其分別置入于30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃的電控恒溫容器中存放48h，隨后開始進(jìn)行馬歇爾穩(wěn)定度及流值的檢測。其穩(wěn)定度、流值的檢測試驗(yàn)結(jié)果詳見圖2、圖3。

圖2 馬歇爾穩(wěn)定度柱形分析圖

圖3 馬歇爾流值柱形分析圖

根據(jù)圖2、圖3內(nèi)容可知，在30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃ 6種不同溫度環(huán)境下，SMA改性瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度均滿足技術(shù)規(guī)范要求≥8/kN，其流值變化速率并不明顯，為2.5mm～4.5mm之間。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度≤60℃時(shí)，所測得乳化瀝青混合料的馬歇爾穩(wěn)定度、流值均能夠滿足技術(shù)規(guī)范要求。但是當(dāng)溫度≥60℃時(shí)，其測得乳化瀝青混合料流值[8]數(shù)據(jù)指標(biāo)與SMA改性瀝青混合料比較來看，增長頻率較為明顯，且其馬歇爾穩(wěn)定度均低于技術(shù)規(guī)范要求。溫度為40℃～80℃時(shí)，測得道路石油瀝青混合料（A級90#）處于2.5mm～4.5mm的正常流值區(qū)間，溫度≥70℃后，檢測出馬歇爾穩(wěn)定度＜8/kN。綜上，參照技術(shù)規(guī)范指標(biāo)中馬歇爾穩(wěn)定度以及馬歇爾流值的規(guī)范值，得出SMA改性瀝青混合料的穩(wěn)定性較為出色，可適用于各階段溫度環(huán)境和極端高溫環(huán)境；道路石油瀝青混合料（A級90#）的高溫穩(wěn)定性次之；由于當(dāng)溫度≥60℃時(shí)，其測得流值指標(biāo)為乳化瀝青混合料增長最大，且馬歇爾穩(wěn)定度均低于技術(shù)規(guī)范要求，乳化瀝青混合料作為路面材料不用在夏季溫度高達(dá)50℃左右的地區(qū)。

2.2 車轍試驗(yàn)

本試驗(yàn)首先將SMA改性瀝青混合料、道路石油瀝青混合料（A級90#）及乳化瀝青混合料3種不同類型的車轍試件做好成型后，將車轍試驗(yàn)儀器溫度分別調(diào)至 30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃。30℃、40℃2種溫度是模擬瀝青路面在較為常規(guī)的溫度下的路面吸熱溫度，50℃、60℃2種溫度是模擬瀝青路面在7、8月份夏季平均溫度較高環(huán)境下的路面吸熱溫度，70℃、80℃2種溫度是模擬瀝青路面在極端罕見高溫環(huán)境條件下路面吸熱溫度[7]。溫度調(diào)節(jié)就緒后，分別檢測在6種溫度下，進(jìn)行車轍試件的動(dòng)穩(wěn)定度分析和形變結(jié)果，其試驗(yàn)詳見圖4、圖5。

圖4 動(dòng)穩(wěn)定度柱形分析圖

圖5 車轍試驗(yàn)柱形分析圖

根據(jù)圖4、圖5得知，SMA改性瀝青混合料、道路石油瀝青混合料（A級90#）進(jìn)行車轍試驗(yàn)時(shí)其動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)在6種試驗(yàn)溫度環(huán)境條件下均滿足技術(shù)規(guī)范≥800次/mm的要求。試驗(yàn)測得，當(dāng)乳化瀝青混合料≥60℃，動(dòng)穩(wěn)定度超出規(guī)范數(shù)值，并且當(dāng)試驗(yàn)溫度升高至60℃～80℃時(shí)，乳化瀝青混合料在高溫條件下變形會(huì)隨著溫度攀升而愈發(fā)顯著。根據(jù)車轍試驗(yàn)檢測結(jié)果可知，SMA改性瀝青混合料在高溫環(huán)境下的性能較為優(yōu)越[8]，比較適用于氣溫能達(dá)到50℃左右時(shí)的區(qū)域，其動(dòng)穩(wěn)定度指標(biāo)及變形范圍在此溫度條件下均能夠滿足使用要求；測得道路石油瀝青混合料（A級90#）在同等條件下試驗(yàn)性能指標(biāo)劣于于SMA改性瀝青混合料；高溫環(huán)境不利于乳化瀝青混合料使用，其動(dòng)穩(wěn)定度、變化較大的形變速率將使得其適用范圍和條件均有所限制[8]。

2.3 單軸蠕變性能試驗(yàn)

在滿足進(jìn)行單軸蠕變性能試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將SMA改性瀝青混合料、道路石油瀝青混合料（A級90#）及乳化瀝青混合料3種不同類型的瀝青混合料制成圓柱體，立即開展單軸蠕變指標(biāo)檢測試驗(yàn)。待所有瀝青混合料進(jìn)行單軸蠕變試件制作完成且穩(wěn)定后，將試件置入30℃、40℃、50℃、60℃、70℃、80℃的電控恒溫容器中存放48h，待時(shí)間結(jié)束后立即取出試件進(jìn)行性能測試。在不同溫度條件下的黏性勁度模量的性能變化影響，試驗(yàn)檢測結(jié)果詳見圖6、圖7。

圖6 黏性勁度模量折線圖

圖7 黏性勁度模量柱形對比圖

根據(jù)圖6、圖7單軸蠕變試驗(yàn)得知，在高溫環(huán)境條件下SMA改性瀝青混合料的性能較為穩(wěn)定，其黏性勁度模量指標(biāo)數(shù)值較高，并且根據(jù)溫度的升高測得其黏性勁度模量指標(biāo)變化反而最小。由此可知，在單位壓力作用下，SMA改性瀝青混合料形變量最小。測得道路石油瀝青混合料（A級90#）的單軸蠕變性能略低于SMA改性瀝青混合料。測得乳化瀝青混合料的黏性勁度模量指標(biāo)最小，說明其在單位壓力作用下形變量是3種瀝青混合料中最大的。從圖6中也可看出，在溫度不斷升高時(shí)，乳化瀝青混合料黏性勁度模量指標(biāo)的降低速率[8]為3種瀝青混合料中最大。從本試驗(yàn)結(jié)果可知，SMA改性瀝青混合料適用于夏季溫度較高的區(qū)域，在選擇SMA改性瀝青混合料有困難的情況下可使用道路石油瀝青混合料（A級90#）進(jìn)行替代，但不建議在夏季高溫地區(qū)使用乳化瀝青混合料作為路面材料使用。根據(jù)試驗(yàn)所測得數(shù)據(jù)與分析結(jié)果，其單軸蠕變性能SMA改性瀝青混合料為最優(yōu)，道路石油瀝青混合料（A級90#）次之，乳化瀝青混合料較差。

3 結(jié)論

①根據(jù)上述3項(xiàng)試驗(yàn)可總結(jié)出，SMA改性瀝青混合料性能指標(biāo)檢測結(jié)果為3組瀝青混合料中最優(yōu)，可作為在夏季高溫地區(qū)和極端罕見高溫環(huán)境條件下的推薦首選瀝青路面材料。

②道路石油瀝青混合料（A級90#）各項(xiàng)性能指標(biāo)在3組瀝青材料中劣于SMA改性瀝青混合料，但優(yōu)于乳化瀝青混合料，在高溫區(qū)域使用SMA改性瀝青混合料[9]作為路面材料有困難時(shí)，可使用道路石油瀝青混合料（A級90#）。

③乳化瀝青在本次3項(xiàng)試驗(yàn)過程中，可得出其性能受高溫環(huán)境條件影響較大，因此，不推薦在夏季高溫地區(qū)作為瀝青路面材料。

④綜上，總結(jié)出其3種不同類型的瀝青混合料在不同溫度環(huán)境下受高溫因素的影響中，乳化瀝青混合料受高溫因素影響較大，道路石油瀝青混合料（A級90#）次之，SMA改性瀝青混合料高溫性能最好，可作為最優(yōu)瀝青路面材料投入路面工程建設(shè)使用。