瀝青混合料高溫穩定性參數研究

祁峰+劉嶄+蘇彥龍

摘要：為了能更好地評價車轍隨溫度和應力的變化規律，對三種不同級配瀝青混合料，在不同溫度和荷載水平下進行單軸靜態蠕變試驗，提取多種反映瀝青混合料高溫變形性能的力學參數，并進一步分析了這些參數在不同溫度和荷載水平下的變化規律。結果表明，殘余應變比、勁度模量和第二階段的斜率b在隨溫度和應力的變化具有一定的規律性，且溫度在50 ℃、荷載為0.7 MPa時具有較好的區分度。

關鍵詞：道路工程；瀝青混合料；單軸靜態蠕變試驗；力學參數

中圖分類號：U414.03文獻標志碼：B

0引言

瀝青混合料是一種典型的粘彈性材料。混合料的變形隨荷載作用時間的長短而不同，因而在研究其變形性質時必須說明變形所處的時間；另一方面，瀝青混合料的變形隨溫度的變化而變化，高溫時其彈性效應降低，粘性性質增強，低溫時剛度增大，彈性效應明顯，粘性性質減弱，故評價瀝青混合料的力學性質必須說明其所處的條件。瀝青混合料的高溫穩定性是瀝青混合料的重要性能之一，通常所說的“高溫穩定性”是指瀝青混合料在高溫下能保持原有強度、剛度等性能，高溫穩定性不足的主要表現形式就是車轍的產生。

由于車轍試驗不能記錄瀝青混合料隨時間的變形機理，所以采用車轍試驗研究瀝青混合料力學特性顯然是不夠的。蠕變試驗可以模擬瀝青混合料發生蠕變破壞的全過程，通過測定試驗過程中瀝青混合料的應力、應變而得到的蠕變曲線來檢驗瀝青混合料的粘彈性。單軸靜態蠕變試驗是分析瀝青混合料高溫變形特性最簡單、最適用的方法。它是對一圓柱形試件在軸向施加一荷載，并保持這一荷載大小不變，經過一段時間再卸載，使試件的變形得到部分恢復，由此得到蠕變曲線來評價瀝青混合料的高溫穩定性。

1原材料及試驗方法

1.1材料選擇及試驗設備

瀝青采用SBS改性瀝青，其性質符合重交通道路石油瀝青質量要求。粗、細集料采用陜西西戶高速公路大修工程用角閃巖，礦粉為磨細石灰石。為使試驗結果具有普遍性，采用AC13、AC16、AC20三種級配進行試驗研究。試驗儀器采用美國生產的810MTS（Material Test Systerm）材料試驗機，該儀器利用電液伺服閉環系統對路面材料按靜載的方式加載，計算機控制進行加載、卸載和數據的采集工作。

1.2試驗方法

為了使試驗結果能較好地表征不同混合料的高溫特性，單軸靜態蠕變試驗應在一定溫度和荷載條件下進行。由于中國大部分地區夏季路面最高氣溫可達到60 ℃～65 ℃以上，同時考慮到中國超載、重載現象較為普遍，為了便于和車轍試驗進行對比，選擇在40 ℃、50 ℃和60 ℃三個溫度以及0.3、0.5、0.7 MPa三種應力下進行無側限單軸靜態蠕變試驗。

為了提高試驗精度，消除加載應力、試件高度和試件端面對試驗結果的影響，試件采用旋轉壓實儀成型Φ150 mm×150 mm的大型試件，再鉆芯切割出Φ100 mm×110 mm的試件。試驗前試件在要求溫度下保溫24 h；為消除試件端部約束效應對試驗結果和試驗精度的影響，試驗中在試件上下端面各墊一張3 mm厚的聚四氟乙烯薄膜，并在薄膜間涂潤滑油；為消除應力影響，預加載（0005 MPa） 10 min，然后瞬時加載到所要求荷載并持載60 min，之后瞬時卸載到0.005 MPa并保持60 min。測量并記錄試驗全過程試件變形隨時間變化的數據。

2試驗結果

對AC13、AC16、AC20三種級配瀝青混合料分別在40 ℃、50 ℃、60 ℃進行單軸靜載蠕變試驗，得到蠕變曲線如圖1所示。通過蠕變曲線提取累積變形、殘余變形、殘余應變比、勁度模量和斜率等參數，結果見表1。

3試驗結果分析

3.1溫度對試驗參數的影響

瀝青混合料是一種典型的溫度敏感性材料，其力學特性和路用性能隨溫度的變化比較顯著。車轍作為瀝青路面結構最常見的破壞形式之一，其產生機理和發展過程都與路面溫度的變化密切相關。

（1） 瀝青混合料的勁度模量在40 ℃～60 ℃范圍內隨著溫度的升高逐漸減小。說明隨著溫度的升高，瀝青混合料的抗車轍變形能力在逐步減弱。溫度的升高使瀝青混合料中的瀝青膠結料慢慢軟化，而軟化的膠結料會對集料之間的嵌擠產生潤滑作用，必然會導致混合料內摩擦力減小，從而使整個混合料的強度降低，表現為勁度模量隨著溫度的增加而減小，這也是混合料在高溫狀態下容易產生車轍的主要原因。

（2） 對于三種不同的瀝青混合料，殘余應變比隨著溫度的升高均逐漸增大。這是因為，在加載過程中，隨著溫度的升高，作為膠結料的瀝青逐漸變軟并接近軟化點，主要以粘性為主，此時瀝青混合料的彈性性能顯著降低。表明在加載過程中隨著溫度的升高瀝青混合料的永久塑性變形占總變形的比例越高，車轍越明顯。由此可知，殘余應變比對溫度有很高的依賴性。

（3） 瀝青混合料第二階段的斜率表征的是蠕變應變速率隨時間的變化規律，斜率越大則說明蠕變應變速率越大。從圖2（c）中可以看出，第二階段的斜率隨著溫度的升高而增大，溫度越高，瀝青混合料的抗變形能力越小，蠕變應變速率可以用來表征瀝青混合料抵抗車轍變形的能力。

（4） 通過對比可知，勁度模量、殘余應變比和斜率在50 ℃時對于三種混合料有著較好的區分度。

3.2應力對試驗參數的影響

對于線彈性材料來說，隨著應力水平的增加，材料的變形或模量也隨之線性增加；但對于粘彈性材料來說，應力應變曲線不是線性變化的，荷載越大，瀝青混合料的粘性越突出。三種瀝青混合料在03、0.5、0.7 MPa三種不同應力水平下勁度模量、殘余應變比和第二階段斜率的變化規律如圖3所示。

圖3不同參數隨應力的變化趨勢（1） 一般研究結果認為勁度模量隨著荷載應力的增大而增大，而圖4（a）表明，在60 ℃時瀝青混合料的勁度模量并非隨著應力的增大而逐漸增大，而是隨著應力水平的增加，三種瀝青混合料的勁度模量先增大后減小。這是由于蠕變試驗試件的變形量并不與荷載的變化幅度同步，因此瀝青混合料的蠕變勁度模量并非隨荷載的增大而增大。究其原因，可能是在較小的應力下，瀝青混合料一直處于硬化狀態，其中0.5 MPa下的硬化現象比0.3 MPa下顯著下降，而當應力增大到07 MPa時，由于靜態蠕變試驗為無側限加載，試件膨脹導致出現軟化現象，而使勁度顯著降低。這說明對一定規格的試件，當應力小于一定值時勁度模量是隨著應力的增大而增大的，當應力超過一定數值，其試件的變形量變化幅度大于應力增大幅度時，瀝青混合料的勁度模量便逐漸減小。然而，從圖3（a）中可以看出三種不同瀝青混合料的勁度模量隨應力的變化趨勢是一致的，因此可以斷定勁度具有應力依賴性。endprint

（2） 瀝青混合料的殘余應變比隨著應力的增加其增大的趨勢并不十分明顯。其中AC16混合料的殘余應變比有較大幅度的增加，而AC13和AC20兩種瀝青混合料的殘余應變比隨應力的變化基本成一條水平直線，變化并不顯著。說明殘余應變比對于應力的依賴性較小。

（3） 瀝青混合料進入穩定加載階段的斜率隨著應力的增加基本呈線性增加，表明荷載的增大可以加速瀝青混合料的變形速率，這與瀝青路面在重載下容易產生車轍病害的現象是一致的。

（4） 通過對比可知，勁度模量和斜率在0.7 MPa下對于三種不同混合料的區分度最大，而殘余應變比在3個應力狀態下的區分度均不明顯，表明其對應力的依賴性較小。

5結語

（1） 瀝青混合料的蠕變勁度模量通常隨溫度的增加而逐漸減小，當應力小于一定值時勁度模量是隨著應力的增大而增大的，當應力超過一定數值，其試件的變形量變化幅度大于應力增大幅度時，瀝青混合料的勁度模量便逐漸減小。

（2） 瀝青混合料的殘余應變比隨著溫度的增加而增大，表現出較好的規律性，隨著荷載的增加其變化并不十分顯著。對其能否有效地評價瀝青混合料高溫穩定性有待進一步試驗驗證。

（3） 瀝青混合料第二階段的斜率隨著溫度和荷載的增加而逐漸增大，表現出較好的溫度敏感性和應力依賴性，可以用來評價瀝青混合料的高溫穩定性。

（4） 當試驗溫度為50 ℃、加載應力為0.7 MPa時，通過試驗獲得的蠕變勁度、殘余應變比和斜率對于不同混合料均有著較好的區分度，因此推薦采用50 ℃、0.7 MPa作為其標準試驗溫度和應力。

參考文獻：

[1]張爭奇，陶晶，楊博.瀝青混合料高溫性能設計參數研究[J].中國公路學報，2009，22（1）：2328.

[2]傅志勇.瀝青混合料高溫性能試驗方法研究[D].長沙：長沙理工大學，2005.

[3]魏密，周進川.旋轉壓實試件的高溫蠕變特性研究[J].重慶交通學院學報，2004，23（5）：5558.

[4]李靜.瀝青混合料路用性能預測模型的研究[D].西安：長安大學，2004.

[5]李輝，張久鵬，黃曉明.瀝青混合料高溫穩定性的單軸靜載蠕變試驗[J]. 河南科技大學學報：自然科學版，2006，27（3）：4851.

[6]徐世法.瀝青混合料高溫變形特性的試驗研究[J].力學與實踐，1994，16（3）：3436.

[責任編輯：袁寶燕]endprint

（2） 瀝青混合料的殘余應變比隨著應力的增加其增大的趨勢并不十分明顯。其中AC16混合料的殘余應變比有較大幅度的增加，而AC13和AC20兩種瀝青混合料的殘余應變比隨應力的變化基本成一條水平直線，變化并不顯著。說明殘余應變比對于應力的依賴性較小。

（3） 瀝青混合料進入穩定加載階段的斜率隨著應力的增加基本呈線性增加，表明荷載的增大可以加速瀝青混合料的變形速率，這與瀝青路面在重載下容易產生車轍病害的現象是一致的。

（4） 通過對比可知，勁度模量和斜率在0.7 MPa下對于三種不同混合料的區分度最大，而殘余應變比在3個應力狀態下的區分度均不明顯，表明其對應力的依賴性較小。

5結語

（1） 瀝青混合料的蠕變勁度模量通常隨溫度的增加而逐漸減小，當應力小于一定值時勁度模量是隨著應力的增大而增大的，當應力超過一定數值，其試件的變形量變化幅度大于應力增大幅度時，瀝青混合料的勁度模量便逐漸減小。

（2） 瀝青混合料的殘余應變比隨著溫度的增加而增大，表現出較好的規律性，隨著荷載的增加其變化并不十分顯著。對其能否有效地評價瀝青混合料高溫穩定性有待進一步試驗驗證。

（3） 瀝青混合料第二階段的斜率隨著溫度和荷載的增加而逐漸增大，表現出較好的溫度敏感性和應力依賴性，可以用來評價瀝青混合料的高溫穩定性。

（4） 當試驗溫度為50 ℃、加載應力為0.7 MPa時，通過試驗獲得的蠕變勁度、殘余應變比和斜率對于不同混合料均有著較好的區分度，因此推薦采用50 ℃、0.7 MPa作為其標準試驗溫度和應力。

參考文獻：

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（2） 瀝青混合料的殘余應變比隨著應力的增加其增大的趨勢并不十分明顯。其中AC16混合料的殘余應變比有較大幅度的增加，而AC13和AC20兩種瀝青混合料的殘余應變比隨應力的變化基本成一條水平直線，變化并不顯著。說明殘余應變比對于應力的依賴性較小。

（3） 瀝青混合料進入穩定加載階段的斜率隨著應力的增加基本呈線性增加，表明荷載的增大可以加速瀝青混合料的變形速率，這與瀝青路面在重載下容易產生車轍病害的現象是一致的。

（4） 通過對比可知，勁度模量和斜率在0.7 MPa下對于三種不同混合料的區分度最大，而殘余應變比在3個應力狀態下的區分度均不明顯，表明其對應力的依賴性較小。

5結語

（1） 瀝青混合料的蠕變勁度模量通常隨溫度的增加而逐漸減小，當應力小于一定值時勁度模量是隨著應力的增大而增大的，當應力超過一定數值，其試件的變形量變化幅度大于應力增大幅度時，瀝青混合料的勁度模量便逐漸減小。

（2） 瀝青混合料的殘余應變比隨著溫度的增加而增大，表現出較好的規律性，隨著荷載的增加其變化并不十分顯著。對其能否有效地評價瀝青混合料高溫穩定性有待進一步試驗驗證。

（3） 瀝青混合料第二階段的斜率隨著溫度和荷載的增加而逐漸增大，表現出較好的溫度敏感性和應力依賴性，可以用來評價瀝青混合料的高溫穩定性。

（4） 當試驗溫度為50 ℃、加載應力為0.7 MPa時，通過試驗獲得的蠕變勁度、殘余應變比和斜率對于不同混合料均有著較好的區分度，因此推薦采用50 ℃、0.7 MPa作為其標準試驗溫度和應力。

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