瀝青混合料溫度敏感性研究

賴永欽 王靖 陳海榮 黃元輝

摘要：為解決河南地區瀝青路面高溫季節的車轍問題，客觀指導和評價瀝青混合料的設計，研究高溫季節下溫度變化對瀝青混合料高溫性能的影響，文章根據前期的路面溫度場調查情況，分別選取40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃五個不同的溫度進行不同瀝青混合料的車轍試驗與單軸貫入試驗，分析溫度對瀝青混合料高溫性能的影響規律。結果表明：動穩定度、車轍深度、貫入強度、抗剪強度都與溫度有很好的相關性，其中改性瀝青混合料動穩定度與溫度的指數關系式DS=105 967e-0.043 5T相關系數R2為0.986 7;在40 ℃～80 ℃溫度變化范圍內，改性瀝青混合料抗高溫性能明顯優于基質瀝青混合料，建議上面層、中面層采用改性瀝青。

關鍵詞：瀝青混合料;溫度;高溫性能;單軸貫入

0 引言

隨著我國高速公路建設的迅猛發展，瀝青路面以其低噪音、行車舒適、施工速度快和開放交通早等優點，成為高速公路路面的主要鋪裝形式。但由于溫度、交通荷載、水等因素的影響，瀝青路面出現早期病害的現象較為普遍，特別是車轍病害較為凸顯，溫度較高的南方地區車轍病害更為嚴重[1]。車轍的形成致使路面服務水平降低，并在車槽處積水引起水漂，影響行車的安全性，也更容易引起其他病害的產生[2]。

車轍是瀝青路面工作者應該急需解決的問題，而瀝青路面車轍的影響因素眾多，外因主要為溫度、荷載、縱坡坡度、濕度、車輛行駛速度等，內因為瀝青混合料材料性能及路面結構設計，其中溫度是影響車轍的主要因素之一[3]。由于中國南北跨度大，地域差異明顯，致使南北溫差較大，夏季平均溫差達10 ℃，且路面的溫度比實測氣溫還要高，所以路面的車轍有效溫度南北差距更大。同時，由于瀝青材料對溫度較為敏感，對瀝青混合料抗車轍性能影響最大的即為溫度，而我國現有的瀝青路面設計規范只以荷載為基礎，忽略了溫度這一重要影響因素。

東南大學周嵐[4]研究溫度對瀝青路面高溫性能的影響，發現重載高溫條件下，瀝青路面更易產生車轍;長沙理工大學張起森等人[5-6]提出中溫車轍試驗，通過改變常規車轍試驗溫度，在中溫環境中（30 ℃～60 ℃）研究瀝青混合料抗車轍性能，發現不僅高溫對瀝青混合料抗車轍性能影響較大，中溫條件下也有產生車轍的風險;同濟大學魏密[7]采用單軸靜載蠕變試驗，根據不同蠕變變形曲線，分析不同溫度對瀝青混合料高溫蠕變性能的影響;長安大學祁峰[8]通過使用MTS試驗的方法，對旋轉壓實成型試件進行單軸靜載蠕變試驗和重復加載蠕變試驗，分析溫度對瀝青混合料在高溫穩定性方面的影響。

綜上所述，國內外對瀝青混合料高溫性能進行了廣泛的研究，并指出高溫是影響路面高溫性能的重要因素。但在瀝青混合料配合比設計時，往往過度強調對不同材料的性能要求，而對實際交通所需的材料性能考慮不足，有一定的經驗性和隨意性，也會導致道路出現高溫破壞。所以本文參考前人研究成果，并結合對道路溫度場的調查分析，研究不同溫度對瀝青混合料高溫性能的影響，以標準抗車轍性能試驗設計指標為基礎，適當修正原有設計指標，為今后瀝青混合料配合比設計提供參考。

1 原材料及試驗方法

1.1 原材料

本研究使用的石料集料由宜陽弘源氧化鈣石料廠提供，瀝青為中石油“昆侖”A級70#瀝青和中石油“昆侖”改性SBS類瀝青，參照《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40-2004）的標準可知，試驗數據均能達到規范的要求。

1.2 試驗方法

（1）瀝青混合料車轍試驗

本文以同一個級配AC-20改性瀝青、基質瀝青兩種瀝青試樣做車轍試驗。試驗條件：在0.7 MPa輪壓下，根據路面調查實際路面高溫時段常出現的溫度，分別取40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃等五個溫度，依據以上試驗條件方案，每組取3個平行試樣進行車轍試驗，記錄45～60 min內的車轍位移，計算動穩定度，求其平均值。

（2）瀝青混合料單軸貫入試驗

采用旋轉壓實儀76-B0252 ICT成型試件，在恒溫箱里養護6 h，取出試件后放在UTM試驗機的臺座上，以1 mm/min的貫入速度進行貫入試驗，直至試件破壞，讀取最大破壞荷載。分別在40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃等五個不同的溫度條件下，利用UTM-100以1 mm/min的貫入速度進行貫入試驗，每10 s記錄一次試驗數據，直至試件破壞為止，記錄試驗過程中的垂直應力P隨時間（貫入深度）的變化曲線，并記錄破壞應力、貫入深度等指標。

2 結果與討論

2.1 瀝青混合料車轍試驗

車轍試驗結果如表1所示。

2.1.1 瀝青材料對高溫性能的影響

從表1可以看出，在溫度40 ℃～80 ℃變化范圍內，改性瀝青混合料抗高溫性能明顯優于基質瀝青混合料。改性瀝青混合料60 min總車轍深度較小，高溫70 ℃最大車轍深度為2.406 mm，動穩定度為5 625 次/mm，80 ℃最大車轍深度為3.148 mm，動穩定度為3 150 次/mm;而基質瀝青混合料在40 ℃的車轍總深度為1.029 mm，動穩定度為8 750 次/mm，70 ℃的車轍總深度為5.017 mm，動穩定度為860 次/mm，已經不能滿足規范的要求。當溫度達到80 ℃時，基質瀝青黏性基本喪失，主要靠集料之間的摩擦力提高強度，高溫性能很差。而由于改性瀝青軟化點明顯高于基質瀝青，試驗溫度未達到改性瀝青軟化點85.5 ℃，動穩定度隨溫度的變化趨勢比較穩定。由前期溫度調查結果可知，瀝青路面的上面層、中面層溫度在高溫時期達到70 ℃以上，故建議一般路面設計上面層、中面層采用改性瀝青。

2.1.2 溫度與動穩定度的關系

由圖1可以看出，不管是改性瀝青還是基質瀝青，都是隨著溫度的升高而穩定度降低，這是因為瀝青是溫度敏感性材料，在高溫條件下，隨著溫度的升高，瀝青材料逐漸軟化，抗車轍能力不足，表現出動穩定度降低。隨著溫度的升高，瀝青混合料的強度開始降低，受到外力時，有很大的變形，并且一部分變形不可恢復，這時表現出粘彈性，就會出現車轍，當溫度升高到一定程度，瀝青混合料就會表現出黏性狀態，很容易被破壞[9]。

為找出動穩定度和溫度之間的關系，試著用線性、多項式、對數、指數等回歸模型對兩者之間的規律進行描述，分析結果如表2所示。

相比較而言，指數回歸方程描述改性瀝青混合料或基質瀝青混合料相對準確，能更好地表示兩者的關系。雖然這兩種瀝青軟化點相差較大，但兩種瀝青之間變化規律有一定的相似性，溫度從40 ℃上升到50 ℃時，混合料的動穩定度變化較大，這一點與美國環道試驗得出的結論相吻合[10]。

以上兩個回歸公式及回歸系數的取得，可以描述瀝青混合料動穩定度與溫度的關系，對預估瀝青混合料高溫性能及危害有著重要意義，可為以后研究提供參考。

2.1.3 溫度與車轍總位移的關系

車轍深度不但跟瀝青混合料種類、集料類型、瀝青材料、壓實度、空隙率等因素有關，還跟溫度有很大的關系。由于改性瀝青和基質瀝青兩種混合料在不同溫度下，車轍深度相差較大，以下對兩種混合料逐一分析。

（1）改性瀝青混合料車轍深度隨溫度變化趨勢基本穩定，在不同時間段內（相當于不同的荷載次數）車轍深度變化趨勢如圖2所示。

改性瀝青混合料在溫度40 ℃～80 ℃變化范圍內，每隔10 ℃作為試驗溫度變化條件，在30 min、45 min、60 min不同時間段的車轍深度都隨著溫度的增加而加深，并且在瀝青混合料沒有失穩的情況下變化相對穩定。不同時間段的車轍深度相當于不同軸載次數作用下瀝青混合料車轍深度，可見無論什么溫度條件下，車轍深度隨著軸載次數的增加而增大，變化幅度隨著溫度的升高而增大。

（2）基質瀝青混合料在溫度相對較低的狀況下，車轍深度變化規律與改性瀝青混合料基本相似，但隨著溫度的升高，車轍深度急劇增加。以下就是在不同時間段內（相當于不同的荷載次數）不同溫度對應車轍深度變化趨勢，如圖3所示。

基質瀝青混合料在溫度40 ℃～70 ℃范圍內，瀝青混合料表現出粘彈性的性質，車轍深度變化趨勢相對穩定。當溫度升高到80 ℃時，表現出黏性狀態，已經失去彈性的性質，所以基質瀝青高溫條件下表現出來車轍深度加劇。由于在80 ℃條件下，基質瀝青混合料基本上處于失穩狀態，已失去研究價值，因此除去80 ℃試驗結果，發現車轍深度與溫度仍有較好的相關性。

2.2 瀝青混合料單軸貫入試驗（見圖4）

（1）由圖4可知，隨著溫度的變化，瀝青混合料力學性能發生一定的變化，在溫度從低到高的過程中，試件破壞極值逐漸減小，并且破壞極值越來越不明顯。

（2）從曲線變形規律分析，在開始階段是壓密變形曲線較平緩，之后進入彈性階段，曲線基本呈直線，隨著貫入深度增加，應力不斷增大，最后是破壞階段。40 ℃時，瀝青混合料表現出高強度、高回彈模量偏向彈性性質，壓密階段不明顯，在彈性階段儀器需要提供很大的應力才能保持貫入速度恒定，所以應力的增加速度很快，應力增加與材料變形成比例，達到破壞強度時，極值點明顯。而隨著溫度的升高，瀝青混合料的強度開始降低，表現出粘彈性的性質，壓密變形持續時間長，特別是在80 ℃條件下，彈性階段不明顯，隨著貫入深度增加，應力變化較小，試件破壞時產生的變形較大。

（3）從應力應變關系分析，低溫情況下，試件的破壞應力大，變形較小，說明這個溫度的瀝青混合料模量大，隨著溫度升高，瀝青回彈模量下降，試件破壞應力減小，變形增大。

（4）從圖5、圖6可以看出，隨著溫度升高，試件的貫入強度、抗剪強度都明顯降低，并隨著溫度的升高，差距逐漸降低，這是由于單軸貫入試驗試件沒有圍壓，抗剪強度主要反映了瀝青結合料的影響，而溫度升高后，瀝青黏度迅速降低，導致混合料抗剪強度減小，使得高溫性能下降。抗剪強度與溫度之間具有良好的線性關系，考慮到貫入強度受試件自身因素影響較大，按照最大貫入強度測出來的結果不是太穩定，因此可采用抗剪強度評價瀝青混合料高溫性能。

3 結語

（1）40 ℃～80 ℃變化范圍內，改性瀝青混合料抗高溫性能明顯優于基質瀝青混合料。基質瀝青混合料在70 ℃的車轍總深度為5.017 mm，動穩定度為860 次/mm，已經不能滿足規范的要求，當溫度達到80 ℃時，基質瀝青黏性基本喪失，主要靠集料之間摩擦力提高強度，高溫性能很差。由前期溫度調查結果可知，瀝青路面的上面層、中面層溫度在高溫時期達到70 ℃以上，故一般路面設計建議上面層、中面層采用改性瀝青。

（2）動穩定度、車轍深度與溫度有很好的相關性，其中指數回歸方程描述改性瀝青混合料或基質瀝青混合料相對準確，能更好地表示兩者之間的關系，所確定的回歸公式DS=105 967e-0.043 5T（改性瀝青動穩定度與溫度的關系表達式）等對預估瀝青混合料高溫性能及危害有著重要意義，可為以后研究提供參考。

（3）40 ℃時，瀝青混合料表現出高強度、高回彈模量偏向彈性性質。隨著溫度的升高，瀝青混合料的強度開始降低，表現出粘彈性的性質，特別在80 ℃條件下，彈性階段更不明顯，隨著貫入深度增加，應力變化較小，試件破壞時產生的變形較大。

（4）溫度升高，試件的貫入強度、抗剪強度都明顯降低，且具有較好的線性關系，但貫入強度受試件自身因素影響較大。按照最大貫入強度測出來的結果不是太穩定，可考慮采用抗剪強度評價瀝青混合料高溫性能。

參考文獻：

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