大溫差地區瀝青混合料材料組成因素對路用性能的影響

郭 博，高 妮

(陜西鐵路工程職業技術學院 道橋工程系，陜西 渭南 714000)

大溫差地區瀝青混合料材料組成因素對路用性能的影響

郭 博，高 妮

(陜西鐵路工程職業技術學院 道橋工程系，陜西 渭南 714000)

針對大溫差地區瀝青混合料材料組成因素(級配類型、瀝青標號、石料類型、外加劑摻入方式)的變化對其高低溫性能、水穩定性等的影響，分別以動穩定度、低溫破壞應變、凍融劈裂強度作為混合料高溫穩定性、低溫抗裂性及水穩定性的評價指標，通過極差分析和試驗驗證，證明影響混合料高低溫性能因素的敏感性從大到小依次為瀝青標號、石料類型、外加劑摻入方式、級配類型，影響水穩性能因素的敏感性從大到小依次為石料類型、外加劑摻入方式、瀝青標號、級配類型，且最敏感因素變化對評價指標的影響程度均遠超過其他三個因素。最終確定出最優搭配方案，為大溫差地區瀝青混合料原材料的選擇和組成方案提供了依據。

瀝青混合料；路用性能；極差分析；最敏感因素

0 引 言

中國新疆、青海、西藏、甘肅、江西等地屬大溫差地區，平均晝夜溫差達20 ℃多，有時甚至超過30 ℃。溫差大導致瀝青路面出現大量收縮裂紋，水穩定性、耐久性等路用性能直線下降，嚴重影響路面的使用壽命。國內外在大溫差地區瀝青混凝土路面結構設計方面做了大量的試驗研究工作：歐美、非洲等國將溫度作為重要的影響因素考慮；國內試驗研究證明，采用級配碎石等柔性基層，可有效減少路面反射裂縫[1-3]。然而，即使采用合理的路面結構設計減輕了橫向裂縫病害，仍會出現大量收縮裂紋。瀝青混合料的路用性能主要由原材料本身的特性和材料組成所決定[4-6]，其主要影響因素有級配類型、瀝青標號、石料類型、外加劑摻入方式。本文在前述研究成果的基礎上，運用正交試驗分析上述4種因素對大溫差地區瀝青混合料高低溫性能、水穩性能的影響，找出最敏感因素，對其進行有效控制，使瀝青混合料同時滿足高溫穩定性和低溫抗裂性要求，并兼顧水穩定性。

1 原材料技術性質及配合比設計

1.1 瀝青

本文采用殼牌70#、韓國SK90#-AH兩種類型的瀝青，按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTG E20—2011)對瀝青的主要技術指標進行測試，結果見表1。

表1 瀝青的主要技術指標

1.2 集料

集料采用石灰巖、花崗巖2種類型，礦粉采用磨細的石灰巖，按照《公路工程集料試驗規程》(JTG E4—2005)對集料的主要技術指標進行測試，結果見表2。

表2 集料的主要技術指標

1.3 外加劑

經研究表明，普通瀝青混合料中摻入抗車轍劑和木質素纖維，可在提高混合料的高低溫性能的同時兼顧水穩定性能，故本文選用北京天成墾特萊抗車轍劑和木質素纖維2種外加劑，參照文獻[7]對其主要技術指標進行測試，結果見表3、4。

表3 木質素纖維的主要技術性質

表4 抗車轍劑的主要技術性質

1.4 配合比設計

相關研究表明，級配類型變化對瀝青混合料最佳油石比的影響較大，瀝青標號、集料類型及外加劑摻入方式對其影響甚微。礦料級配采用AC-13和AC-16兩種類型，如表5所示。按《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50—2006)確定AC-13型瀝青混合料最佳油石比為5.1%，AC-16型瀝青混合料最佳油石比為5.4%，肯特萊抗車轍劑和木質素纖維的摻量分別為3.6‰、4‰，在此摻量下可保證混合料高低溫性能及水穩定性能均較好。

表5 礦料級配

2 正交試驗設計

2.1 制定因素水平表

本文考慮影響大溫差地區瀝青混合料路用性能的主要因素有級配類型(A)、瀝青標號(B)、石料類型(C)、外加劑摻入方式(D)4種，每個因素又考慮2個水平，具體見表6。

2.2 路用性能評價指標選擇

大溫差地區瀝青路面的特殊氣候環境，要求瀝青混合料高溫穩定性和低溫抗裂性能均較好，同時兼顧水穩定性能，本正交設計分別以動穩定度、低溫彎曲破壞應變及凍融劈裂強度比(TSR)作為瀝青混合料高低溫性能和水穩定性能的評價指標。

表6 雙摻外加劑瀝青混合料路用性能因素水平

注：同摻法為同時將抗車轍劑、木質素纖維2種外加劑摻入瀝青混合料中的方法；復合法為將抗車轍劑、木質素纖維先攪拌均勻并加熱使其融為一體后，再摻入瀝青混合料中的方法。

2.3 正交試驗方案設計及結果分析

2.3.1 正交表設計

本正交試驗4個試驗因素均有2個水平，故選擇 L8(24)正交設計表[8]，對應試驗方案及數據分析見表7。

2.3.2 計算

在同一列中，按2個水平將8次試驗分為2組，水平1的4個試驗編為Ⅰ組，水平2的4個試驗編為Ⅱ組，再分別把每一組的4次試驗的動穩定度值、低溫破壞應變值、凍融劈裂強度比之和填在表7的相應欄目內。

2.3.3 分析

Ⅰ組和Ⅱ組試驗數據極差的大小，反映了各因素取不同水平對試驗結果產生的波動大小，某評價指標對某因素的極差值越大，說明對該因素越敏感。為便于直觀比較，將3個評價指標下各因素變化產生的極差值繪制成圖1～3。

由圖1～3及表7中的數據可以看出以下幾點。

(1)瀝青標號變化引起的動穩定度極差值(2 412.4 次·mm-1)是集料類型引起極差值(1 164.4 次·mm-1)的2.1倍，是外加劑摻入方式引起極差值(459.6 次·mm-1)的5.2倍，是級配類型引起極差值(146.0 次·mm-1)的16.5倍，因此動穩定度對各因素的敏感性從大到小依次為：瀝青標號、集料類型、外加劑摻入方式、級配類型。

表7 L8(24)試驗方案及數據分析

圖1 各因素變化對動穩定度指標影響極差值

圖2 各因素變化對低溫彎曲應變指標影響極差值

圖3 各因素變化對凍融劈裂強度比指標影響極差值

(2)瀝青標號變化引起的低溫破壞應變極差值(488.9 με)是集料類型引起極差值(277.7 με)的1.76倍，是外加劑摻入方式引起極差值(266.3 με)的1.8倍，是級配類型引起極差值(77.5 με)的6.3倍，因此低溫破壞應變對各因素的敏感性從大到小依次為：瀝青標號、集料類型、外加劑摻入方式、級配類型。

(3)集料類型變化引起的凍融劈裂強度比極差值(52.7%)是外加劑摻入方式引起極差值(16.3%)的3.2倍，是瀝青標號引起極差值(12.1%)的4.4倍，是級配類型引起極差值(1.7%)的31倍，因此凍融劈裂強度比對各因素敏感性從大到小依次為：集料類型、外加劑摻入方式、瀝青標號、級配類型。

一方面，瀝青混合料高溫穩定性的形成來源于瀝青結合料的高溫黏結力和礦料級配的嵌擠作用[9-10]，AC-13、AC-16均屬于懸浮密實結構，其高溫穩定性主要依靠瀝青與礦料的高溫黏結力及瀝青的內聚力，而礦料顆粒間的嵌擠作用影響較??；瀝青標號由90#變為70#時，針入度減小，瀝青與骨料的黏結力變大，瀝青的抗高溫性能提高。另一方面，低溫條件下，瀝青混合料的變形能力越強，抗裂性能就越好，而瀝青混合料的變形能力與其低溫勁度模量成反比，影響瀝青混合料低溫勁度的最主要因素是瀝青的低溫勁度，而瀝青黏度又是決定瀝青低溫勁度的主要指標。對于同一油源的瀝青，針入度值增加，瀝青低溫勁度模量降低，抗裂性能增強，故90#瀝青混合料較70#瀝青混合料具有較好的抗裂性能。正是以上兩方面原因導致瀝青標號成為影響混合料高低溫性能最敏感的因素，集料級配為最不敏感因素。

瀝青混合料的水穩定性主要取決于瀝青與礦料顆粒間的黏結力，瀝青混合料黏結力除了與瀝青材料自身的內聚力有關，還取決于瀝青與礦料的交互作用[11-13]。由于礦料顆粒表面對瀝青的化學吸附是有選擇性的，所以瀝青與礦料表面交互作用的程度還取決于礦料的巖石學特征。試驗結果表明，瀝青在不同礦物組成的礦料顆粒表面形成不同成分和不同厚度的吸附融化膜，堿性石料(如石灰巖)對石油瀝青的吸附性強，酸性石料(如花崗巖)對石油瀝青的吸附性弱。上述原因導致集料類型為影響混合料水穩定性最敏感的因素。

外加劑的2種摻入方式(同摻法和復合法)中，復合法可將外加劑較均勻地分散到混合料中，與瀝青、集料的結合較好，增強瀝青黏度及其與集料的黏結力，故復合法可有效提高混合料高低溫性能、水穩定性能。

2.3.4 比較

對表7進行比較分析得出，考慮大溫差地區瀝青混合料的高溫性能、低溫性能、水穩定性能的最優因素搭配分別為A2B1C1D2、A2B2C1D2及A2B2C1D2，其中A2B1C1D2組合不在8次試驗內，需做驗證試驗。通過試驗測定，其動穩定度為12 289.3次·mm-1，比正交試驗方案內A1B1C1D2(12 276.0次·mm-1)組合高，故可肯定A2B1C1D2為高溫穩定性最優組合。

A2B2C1D2搭配下瀝青混合料的動穩定為11 643.6 次·mm-1，遠超過規范要求值，同時可保證低溫性能、水穩性能達到最好，故經過綜合考慮，確定大溫差地區瀝青混合料設計中A2B2C1D2為最優組合。

3 結 語

本文基于瀝青混合料的原材料組成及本身特性，采用正交試驗分析影響中國大溫差地區瀝青混合料高低溫性能、水穩定性能各影響因素的敏感性，可得出如下結論。

(1)影響大溫差地區瀝青混合料高低溫性能的最敏感因素為瀝青標號，其極差值遠大于其他3個因素，最不敏感因素為級配類型；瀝青標號變化引起動穩定度極差值是級配類型的16.5倍，引起低溫破壞應變極差值是級配類型的6.3倍。由此推斷，可通過改變瀝青標號達到同時改善瀝青混合料高低溫性能的目的，以便使其更好地適應大溫差的氣候環境。

(2)影響大溫差地區瀝青混合料水穩定性能的最敏感因素為集料類型，它引起的凍融劈裂強度比極差值(52.7%)遠大于其他3個因素，是最不敏感因素級配類型的31倍，可通過改變集料類型有效改善其混合料的水穩定性能，最好選用與瀝青黏附力好的集料(如石灰巖等)。

(3)通過對比分析，選出了鑒于大溫差地區瀝青混合料高低溫性能、水穩定性能的最優因素搭配方案，分別為A2B1C1D2、A2B2C1D2及A2B2C1D2，其中A2B2C1D2為大溫差地區瀝青混合料的最優搭配方案。

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EffectofComponentFactorsofAsphaltMixtureonPavementPerformanceinAreaswithBigTemperatureDifference

GUO Bo, GAO Ni

(Department of Road and Bridge Engineering, Shaanxi Railway Institute, Weinan 714000, Shaanxi, China)

Aiming at the effect of the component factors, including grading type, asphalt mark, aggregate type and the way to add the additive, on the high-temperature performance, low-temperature performance and water stability of asphalt mixture, the dynamic stability, low-temperature failure strain, freeze-thaw splitting strength were set to be the evaluation index of high-temperature stability, low-temperature cracking resistance and water stability respectively. The range analysis and test results show that the high-temperature performance and low-temperature performance of the mixture are most sensitive to asphalt mark, which is followed by aggregate type, the way to add the additive and grading type; the water stability is most sensitive to aggregate type, which is followed by the way to add the additive, asphalt mark and the grading type; the most sensitive factor has far more impact on the evaluation index than the others. The optimal matching scheme was selected, providing the basis for raw material composition of asphalt pavement in areas with big temperature difference.

asphalt mixture; pavement performance; range analysis; most sensitive factor

U416.217

B

1000-033X(2017)11-0081-05

2017-04-02

陜西鐵路工程職業技術學院2016年科研基金(KY2016-27)

郭 博(1983-)，男，陜西渭南人，碩士，講師，研究方向為路面材料。

[責任編輯:王玉玲]