瀝青混合料高溫性能評價研究

2016-12-12 13:45:50孔德勝

公路與汽運 2016年6期

孔德勝

（河南中州路橋建設有限公司，河南周口 466000）

瀝青混合料高溫性能評價研究

孔德勝

（河南中州路橋建設有限公司，河南周口 466000）

以3種連續級配AC-13C、AC-16C、AC-20C瀝青混合料為研究對象，通過改變壓實次數和油石比成型不同試件進行室內標準試驗，分析動穩定度、抗剪強度、車轍模量和貫入模量的變化及其在瀝青混合料高溫性能評價方面的相關性。結果表明，當以動穩定度和抗剪強度評價高溫性能時，不能以變化油石比來控制高溫性能，而要綜合分析最佳油石比，再變動相應級配的壓實次數來提高高溫性能，細粒式混合料比中粒式更易達到最優高溫性能；當以車轍模量和貫入模量評價高溫性能時，受壓實的影響程度小于油石比的影響程度，應以控制油石比來改善混合料的高溫性能，貫入模量比車轍模量更能反映瀝青混合料的高溫性能。

公路；瀝青混合料；動穩定度；抗剪強度；車轍模量；貫入模量；高溫性能

瀝青路面作為一種連續的、無接縫的路面類型，對其質量影響最大的是車轍病害。車轍是輪跡帶在車輛反復荷載作用下逐漸形成的永久下陷變形的累積結果，會大大降低路面的使用舒適性，乃至影響道路交通的進一步發展，已成為一個世界性的難題。為此，在路面設計中要對路面高溫穩定性采用嚴格的技術要求。該文主要針對瀝青路面的高溫穩定性，從車轍和單軸貫入兩個角度綜合分析瀝青路面在配合比設計時對高溫性能的技術要求及其評價關系，以降低道路使用過程中車轍病害發生概率。

1 原材料性能及其組成設計

瀝青混合料是一種由粗集料、細集料、礦粉和瀝青膠結料組成的特殊粘彈性材料，各材料的物理性指標和組成設計后的綜合指標在一定程度上影響混合料的路用性能。根據河南省瀝青路面發展情況，采用統一的原材料并以AC-13C、AC-16C、AC-20C 3種級配作為研究對象，以消除研究過程中的不利因素。

1.1 基質瀝青

不同瀝青膠結料對混合料的影響很大，這在道路發展中早已達成了共識。在選擇試驗材料時，為消除瀝青膠結料的影響，統一采用廈門華特愛思開有限公司生產的70＃重交石油基質瀝青，其主要性能指標見表1。

1.2 礦料

AC路面是一種連續級配路面，為了鑲嵌緊密形成穩定骨架，粗、細集料和礦粉的各項物理性指標必須達到JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》的要求。試驗所用粗、細集料均來自駐馬店市遂平生產的玄武巖，礦粉為親水系數小于1的石灰巖礦粉，其主要性能指標見表2～4。

表170 ＃基質瀝青的技術性能指標

表2 粗集料的技術要求及檢驗結果

表3 細集料的技術要求及檢驗結果

1.3 混合料組成設計

按照JTG F40-2004《公路瀝青路面施工技術規范》，利用L50（511）正交優化，綜合考慮河南省的氣候條件進行混合料級配設計（見表5和圖1）。

表4 礦粉的技術要求及檢驗結果

表5 混合料礦料級配設計

圖1 混合料礦料設計級配曲線

2 混合料高溫性能評價方法

瀝青混合料作為一種特殊的粘彈性材料，在高溫性能研究方面，最主要的途徑是選擇并使用簡單、有效的試驗方法。車轍試驗和單軸貫入試驗受力模式與路面一致，而且操作簡單，適合工程應用。下面針對二者的相聯性進行研究，為瀝青混合料高溫性能評價提供借鑒。

2.1 車轍試驗

車轍試驗是一種工程試驗方法。根據河南省夏季高溫情況，選擇60℃作為試驗溫度。輪碾成型300 mm×300 mm×50 mm方形試件，保溫5 h后進行車轍試驗。高溫時的動穩定度DS可反映混合料的模量在試驗溫度下的變化趨勢。在最后15 min，混合料的變形量很小，假設最后15 min試

驗輪與車轍板的接觸面積ADS保持恒定，即可近似地把混合料內部某一點的平均應力σDS視為對車轍板所施加的壓強PDS（0.7MPa）與接觸面積ADS的積分與接觸面積之比：

將ε60和ε45定義為60和45 min的應變，即60和45 min的變形與車轍板厚度h之比，ε60=d60／h，ε45=d45／h。以平均應力與最后15 min的應變之比即車轍模量EDS來描述瀝青混合料在試驗溫度下所能承受荷載作用的大小，它與混合料動穩定度DS是等效的。

將式（3）代入動穩定度計算公式［見式（4）］，化簡整理后得式（5）。車轍試驗儀器參數C1和C2均取1.0，t60-t45=15 min，N=42次／min，PDS=0.7 MPa，將其代入式（5），得到EDS與DS的關系式［見式（6）］。

2.2 單軸貫入試驗

瀝青混合料的單軸貫入試驗類似于土工試驗中的CBR試驗，表征材料抵抗局部荷載變形的能力。試件內部剪切應力分布與車輪荷載下實際路面的剪切應力模式相似，而且側向約束力大小反映瀝青及集料的性能。這里研究的級配最大為中粒式，試件為標準擊實試件，故單軸貫入試驗釆用直徑28.5 mm的壓頭。同時為了和車轍試驗統一，試驗溫度設為60℃，保溫5 h左右。在萬能試驗機加載速率為1 mm／min的條件下進行試驗。

3 瀝青混合料高溫性能評價

3.1 動穩定度和抗剪強度

3種級配均采用室內馬歇爾標準擊實法確定最佳油石比，AC-13C、AC-16C和AC-20C的最佳油石比分別為4.7%、4.3%、4.1%。在最佳油石比和室內標準碾壓的基礎上，通過改變試件成型壓實次數進行試驗。對于單軸貫入試驗，試件成型后再進行室內鉆芯。試驗結果見圖2～5。

圖2 動穩定度與壓實次數的關系

圖3 抗剪強度與壓實次數的關系

圖4 動穩定度與油石比的關系

圖5 抗剪強度與油石比的關系

由圖2、圖3可知：在瀝青混合料高溫性能評價

中，動穩定度和抗剪強度的變化趨勢整體上相同，都隨著壓實次數的增加先增大后減小，AC-13C、AC-16C、AC-20C分別在壓實次數14、15、18次時達到峰值。說明瀝青混合料在高溫性能最優的情況下，用動穩定度和抗剪強度評價是等效的，也從另一方面證明在室內成型試件時不可片面地增加壓實遍數，過多的壓實反而會破壞混合料的高溫性能。

由圖4、圖5可知：油石比的變化對動穩定度和抗剪強度的影響不同，動穩定度隨著油石比的增加呈現下降的趨勢，抗剪強度的變化趨勢與壓實度變化時的情況相同，隨著油石比的變化出現峰值。結合工程實踐，當油石比一味降低時，雖然動穩定度得到提高，但路面由于瀝青含量降低會出現集料松散而導致其他病害。因此，在配合比設計時要綜合分析，不能以改變油石比來控制高溫性能，而應在綜合分析確定最佳油石比后，再根據不同級配以控制壓實遍數來提高高溫性能，且在相同壓實條件下細粒式混合料的高溫性能最先達到最優。

3.2 車轍模量和貫入模量

試件成型方法與上面的相同，采用室內馬歇爾標準擊實法確定最佳油石比后碾壓成型。試驗結果見圖6～9。

圖6 車轍模量與壓實次數的關系

圖7 貫入模量與壓實次數的關系

由圖6、圖7可知：在瀝青混合料高溫穩定性評價中，當以壓實度來控制混合料的高溫穩定性能時，隨著壓實次數的變化車轍模量和貫入模量會出現峰值，與動穩定度和抗剪強度的變化趨勢整體相同，只是受壓實的影響相對較小。對于AC-13C、AC-16C、AC-20C，以車轍模量和貫入模量評價高溫性能時，在壓實16次左右時方可認為高溫性能最佳。