瀝青混合料高溫穩(wěn)定性影響因素分析

摘要 瀝青混合料高溫穩(wěn)定性是體現(xiàn)路面性能的重要指標(biāo)之一，但其受諸多因素影響。為提升瀝青混合料高溫穩(wěn)定性，文章主要從宏觀和微觀兩方面重點(diǎn)分析其影響因素，包括級(jí)配、瀝青、結(jié)構(gòu)組合參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、摻加劑及改性等，以期為提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能提供參考。

關(guān)鍵詞 瀝青混合料；高溫穩(wěn)定性；影響因素

中圖分類號(hào) U414 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）24-0061-03

0 引言

高溫車(chē)轍在重荷載作用下已成為一種路面常見(jiàn)的破壞現(xiàn)象，由瀝青混合料高溫穩(wěn)定性下降而導(dǎo)致。為避免車(chē)轍現(xiàn)象的發(fā)生，致使路面不平整，帶來(lái)行車(chē)舒適性及安全性下降的危害，國(guó)內(nèi)外在瀝青混合料的高溫穩(wěn)定方面已有諸多成果，該文將重點(diǎn)從影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的因素，以及摻加物對(duì)混合料的影響兩方面作深入分析。

1 影響因素分析

1.1 微觀結(jié)構(gòu)內(nèi)部分析

瀝青混合料是由多種材料且材料間相互作用組合成的混合物，其高溫穩(wěn)定性除外界因素外，主要取決于組合的內(nèi)部材料之間的作用及內(nèi)部材料本身的特性。

1.1.1 瀝青

瀝青混合料的材料特性屬黏彈塑性類型，瀝青含量尤為重要。在高溫和重荷載作用下，混合料間的黏結(jié)能力與瀝青含量密不可分，瀝青用量過(guò)少過(guò)多均影響較大，過(guò)少會(huì)致使壓實(shí)困難及離析現(xiàn)象發(fā)生，過(guò)多則不能形成嵌實(shí)的結(jié)構(gòu)骨架，動(dòng)穩(wěn)定度會(huì)隨流動(dòng)變形的發(fā)生而降低，材料的高溫穩(wěn)定性因而明顯下降。

瀝青膜的有效厚度和油石比的大小與材料自身的抗剪能力相關(guān)，油石比與材料的抗剪能力成凸形線性關(guān)系。隨著油石比數(shù)值增大達(dá)到最佳后，若瀝青含量繼續(xù)變大，則瀝青膜的厚度將增加而材料的抗剪能力下降，其高溫穩(wěn)定性下降、車(chē)轍率上升。

瀝青與礦粉組成一種微分散體系——粒徑小于

0.107 5 mm的膠漿，利用電鏡掃描觀察其表面，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析粉油比與動(dòng)穩(wěn)定度成線性相關(guān)，原因在于粉油比可以有效遏制起潤(rùn)滑作用的游離瀝青，減小礦料間的滑動(dòng)變形，為減小滑動(dòng)可以適當(dāng)提高礦粉質(zhì)量，而且增大粉油比可以有效提高其整體的抗剪能力。通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)及動(dòng)態(tài)剪切試驗(yàn)，可以得出動(dòng)穩(wěn)定度和抗車(chē)轍因子隨油石比的增加而上升，因此粉油比的影響作用巨大。對(duì)瀝青膠漿的研究主要是觀察其在混合料內(nèi)部的分布狀況及瀝青間的黏合情況，以這樣的差異性分析對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響，從微觀上研究膠原界面結(jié)構(gòu)以改善宏觀材料的性能。

1.1.2 礦料級(jí)配

級(jí)配由一定比例的不同粒徑大小顆粒組合而成，隨著級(jí)配的變化，其混合料的性能也有所不同。為使混合料具有較強(qiáng)的高溫穩(wěn)定性，級(jí)配的選擇至關(guān)重要。礦料級(jí)配決定混合料的密實(shí)程度，良好的級(jí)配選擇可以使顆粒間的嵌擠作用力變強(qiáng)，混合料內(nèi)部作用力強(qiáng)，其動(dòng)穩(wěn)定性和抗剪切能力就強(qiáng)，車(chē)轍率就變小。通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，中粒式混合料的高溫穩(wěn)定性較好[1]。

1.1.3 集料形態(tài)

研究發(fā)現(xiàn)材料的自身特性與混合料的高溫穩(wěn)定性有著極大的關(guān)聯(lián)性。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，集料的扁平顆粒量、棱角特征、顆粒紋理特征等特征與混合料高溫穩(wěn)定性存在相關(guān)性。粗集料的表面紋理與混合料的內(nèi)摩擦角成正相關(guān)，選取7種不同紋理的粗集料進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，如圖1所示，其中R2為表面紋理算術(shù)平均偏差值。

圖1 粗集料表面紋理特性與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系

通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，集料的棱角系數(shù)與混合料的高溫穩(wěn)定性有明顯的相關(guān)關(guān)系，集料的棱角個(gè)數(shù)越多，密實(shí)嵌擠能力越強(qiáng)，動(dòng)穩(wěn)定度得以提升，其瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能就越好。進(jìn)一步對(duì)扁平顆粒含量的研究發(fā)現(xiàn)，利用單軸貫入試驗(yàn)驗(yàn)證其抗剪能力，得出扁平顆粒含量與抗剪能力成正相關(guān)，影響混合料的穩(wěn)定性。

綜上，集料的自身物理特性在微觀和宏觀上對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響[2]。

1.2 宏觀影響因素分析

1.2.1 溫度-荷載的影響

路用實(shí)踐證明，溫度對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有直接影響，當(dāng)路面溫度為30℃以下時(shí)，車(chē)轍現(xiàn)象不明顯；但超過(guò)30℃后，隨著溫度上升，路面變形量會(huì)隨之增加。瀝青混合料是由多種材料組合而成的路用材料，在高溫和重荷載的不斷作用下，混合料間的材料發(fā)生相對(duì)滑移而出現(xiàn)變形。為提高材料的高溫穩(wěn)定性，可以提升混合料的耐高溫性能及加強(qiáng)混合料間的嵌擠作用力。通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)和動(dòng)穩(wěn)定度，研究溫度對(duì)混合料高溫穩(wěn)定性的影響變化情況，其變化趨勢(shì)如圖2所示：

圖2 瀝青路面的溫度與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系

通過(guò)圖2可以看出，隨著瀝青路面的溫度上升，其動(dòng)穩(wěn)定度不斷下降。探究不同荷載作用下對(duì)混合料的高溫穩(wěn)定性影響，在一定的溫度下施加不同荷載進(jìn)行車(chē)轍試驗(yàn)，建立變形速率與荷載之間的變化關(guān)系如圖3所示[3]，可以明顯看出隨荷載加大，動(dòng)穩(wěn)定度隨之減小。

圖3 荷載與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系

動(dòng)穩(wěn)定度隨荷載的增加而不斷下降，成非線性關(guān)系，主要關(guān)聯(lián)來(lái)自混合料的自身特性。

荷載和溫度都是不容易控制的外界因素，我國(guó)地形復(fù)雜，南北差異大，在路面建設(shè)方面應(yīng)在滿足國(guó)家規(guī)范的基礎(chǔ)上，因地制宜地進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

1.2.2 水的影響

水損害是道路工程中最常見(jiàn)的病害之一，車(chē)轍的形成與水也存在關(guān)聯(lián)性，水的破壞性極大，可以削弱混合料中的黏結(jié)力，從內(nèi)部瓦解礦料間的嵌擠作用力。同時(shí)，在荷載的作用下，礦料間的相對(duì)滑動(dòng)加大進(jìn)而導(dǎo)致變形加劇，更容易形成車(chē)轍。研究水作用對(duì)混合料高溫穩(wěn)定性的影響可以進(jìn)行單軸蠕變?cè)囼?yàn)，通過(guò)無(wú)水與高溫浸水條件的對(duì)比，在其他條件不變的情況下，收集變形量隨時(shí)間的變化規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，水的作用力對(duì)混合料的高溫穩(wěn)定性影響巨大。

1.2.3 施工的影響

壓實(shí)度是道路施工最重要指標(biāo)之一，車(chē)轍產(chǎn)生的原因有一部分是壓實(shí)質(zhì)量。壓實(shí)方式對(duì)瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，壓實(shí)度不足將使混合料內(nèi)部的嵌擠作用力變?nèi)?，礦料間的黏聚力削弱，因而不能承載路面的上部荷載，導(dǎo)致路面發(fā)生變形，表現(xiàn)為混合料的高溫穩(wěn)定性降低。在施工工藝中，壓實(shí)次數(shù)和成形溫度與混合料的動(dòng)穩(wěn)定度有一定的相關(guān)度，通過(guò)試驗(yàn)比較，發(fā)現(xiàn)合理的壓實(shí)次數(shù)可使混合料具有良好的高溫穩(wěn)定性，其變化趨勢(shì)如圖4所示：

圖4 壓實(shí)次數(shù)與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系

壓實(shí)度與壓實(shí)次數(shù)成相關(guān)，從圖4中可以看出壓實(shí)次數(shù)上升而動(dòng)穩(wěn)定度不斷加大，說(shuō)明變形速率變緩，由此可知在合理的壓實(shí)次數(shù)下可以保證其混合料的高溫穩(wěn)定性。

通過(guò)試驗(yàn)探究碾壓成形溫度的影響，以橡膠瀝青混合料為基礎(chǔ)，其變化趨勢(shì)如圖5所示：

圖5 混合料溫度與動(dòng)穩(wěn)定度的關(guān)系

根據(jù)圖5可知，碾壓成形溫度與動(dòng)穩(wěn)定度相關(guān)性明顯，碾壓溫度和次數(shù)都是良好壓實(shí)度的必備條件。在施工過(guò)程中，壓實(shí)度起著重要作用，壓實(shí)度充分才能使瀝青混合料具有更加緊密的結(jié)構(gòu)，礦料間的嵌擠作用更強(qiáng)，施工保證良好的壓實(shí)質(zhì)量，才能使混合料具備優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性。

其次，除了材料的自身性能和外界環(huán)境因素外，路面結(jié)構(gòu)的組成也有一定的影響作用，路基的材料選取和路基路面厚度都間接影響路面車(chē)轍的發(fā)生概率。

1.2.4 其他因素的影響

通過(guò)實(shí)踐觀察，車(chē)速對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性也有一定影響，車(chē)速與作用時(shí)間的關(guān)系等效，當(dāng)車(chē)速較小時(shí)，荷載作用力持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，隨著作用次數(shù)增加，作用輪廓范圍也將增加，區(qū)域內(nèi)的高溫穩(wěn)定性就相對(duì)受到更大影響，蠕變變形也就越大。舉一個(gè)很典型的例子，上下坡路段的車(chē)轍往往較多。車(chē)輛在道路行駛中可能會(huì)出現(xiàn)漏油的現(xiàn)象，柴油灑落地面也會(huì)造成一定影響，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比，柴油和機(jī)油都對(duì)動(dòng)穩(wěn)定度具有一定影響，使混合料的高溫穩(wěn)定性下降，造成道路污染，從而形成路面病害。此外，還發(fā)現(xiàn)紫外線輻射光強(qiáng)的地區(qū)，車(chē)轍出現(xiàn)的現(xiàn)象更多，紫外線會(huì)破壞瀝青的性能，根據(jù)試驗(yàn)得出紫外線對(duì)混合料的高溫穩(wěn)定性存在一定影響[4]。

2 摻加物對(duì)瀝青混合料影響分析

2.1 摻加纖維的作用分析

復(fù)合纖維的摻加使瀝青混合料的性能得到改善。復(fù)合纖維是由多種單一纖維組合而成，其優(yōu)點(diǎn)在于可以全面提升瀝青混合料的性能。將纖維按一定比例摻進(jìn)瀝青混合料，通過(guò)CT電鏡掃描實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)纖維具有加筋的效果且對(duì)瀝青的黏度有一定提升，纖維的吸油和改善界面特性使瀝青膠漿由溶膠狀態(tài)上升為熔凝狀態(tài)，從而達(dá)到提升瀝青膠漿熱穩(wěn)定性的效果，使瀝青混合料的高溫剪切變形降低；而在宏觀上，集料、瀝青和空隙等多種材料按一定比例組合成瀝青混合料，纖維的摻加使得瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量增加，勁度得以提升，可以改善瀝青膠漿的常流變性能，原因在于纖維的加入增加了瀝青膜的厚度，黏結(jié)性增強(qiáng)，高溫穩(wěn)定性得到提高，混合料的平均空隙體積減小，且在高溫荷載作用下能夠遏制粗集料的傾角變化。通過(guò)對(duì)比摻加纖維和不摻加纖維下車(chē)轍深度與加載次數(shù)的試驗(yàn)，得到其關(guān)系圖如圖6所示：

圖6 兩種混合料與車(chē)轍深度的關(guān)系

通過(guò)圖6可以看出，混合料在高溫和重復(fù)荷載下，摻入纖維的車(chē)轍深度較不摻入纖維明顯降低，且后期增加趨勢(shì)下降。

2.2 聚合物摻加劑的影響

聚合物的添加具有改性瀝青的作用，如橡膠瀝青改性，聚合物具有良好的物理化學(xué)性能，一般通過(guò)剪碎攪拌分散在瀝青中以改變?yōu)r青性能，改性后的瀝青溫度敏感性降低，軟化點(diǎn)提高且有一定的降噪作用，聚合物的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)混合料的高溫穩(wěn)定性。根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，混合料的高溫穩(wěn)定性一般來(lái)源于兩方面，集料間的嵌擠和膠黏劑的黏結(jié)作用，主要成分是混合料間的嵌擠作用力，而多重聚合物的復(fù)合效果更佳，不僅對(duì)瀝青有改性作用和增強(qiáng)混合料間的黏結(jié)力，而且可以填充礦料間的空隙，使混合料更加密實(shí)。通過(guò)車(chē)轍試驗(yàn)和加載蠕變?cè)囼?yàn)，聚合物的添加可以很好地削弱車(chē)轍變形量，提升瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性[5]。

2.3 其他摻加物的性能影響

瀝青混合料摻入一定量的硫黃進(jìn)行改性，硫黃能溶于瀝青形成硫黃瀝青，可以增強(qiáng)瀝青和集料間的黏結(jié)力，混合料的剪切能力提升。通過(guò)單軸加載試驗(yàn)、剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)硫黃的摻加可以增強(qiáng)混合料的高溫穩(wěn)定性，且硫黃改性瀝青更經(jīng)濟(jì)。橡膠瀝青混合料也是一種常見(jiàn)的路用材料，摻入橡膠粉能增加瀝青膜的厚度，提升瀝青的黏性，且溫度敏感性較低，能極大地改善瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，延緩車(chē)轍的永久變形。

3 結(jié)論

該文分析了影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的諸多因素，從內(nèi)至外，從微觀到宏觀，探究影響瀝青混合料高溫性能的機(jī)理，并提出了幾種常見(jiàn)的改性瀝青混合料的性能變化。瀝青混合料是由多重材料組合而成的混合物，也正因此才具有復(fù)雜性，混合料間某一材料參數(shù)的變化都會(huì)影響其性能。通過(guò)試驗(yàn)分析總結(jié)了參數(shù)用量的合理選取，從各個(gè)方面提高瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。

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