基于單軸靜載蠕變試驗的AC-13高溫性能影響研究

黃偉， 郝朝

(1.重慶交通大學 重慶交大建設工程質量檢測中心有限公司， 重慶 400074；2.重慶交通大學 土木工程學院， 重慶 400074)

車轍病害反映出瀝青混合料高溫穩定性不足。目前，測試瀝青混合料高溫穩定性的方法主要包括車轍試驗、單軸靜載或動載蠕變試驗、徑向靜載或動載蠕變試驗等。魏密等利用單軸靜載試驗對比分析了Super-12.5和AC-13I在不同溫度和荷載下抵抗永久變形的能力；王隨原等通過單軸靜載蠕變試驗比較基質瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的高溫性能，利用黏彈性理論解釋了SBS改性瀝青混合料高溫性能更優的原理；祁峰研究了動穩定度及單軸靜載蠕變試驗的勁度模量、殘余應變比等指標的相關性，認為大多數指標與動穩定度的相關性較好；朱云升等在高溫條件下進行單軸動態重復加載蠕變試驗，得出永久變形與橫向流動次數、豎向流動次數的關系；張裕卿等對瀝青混合料進行三軸重復荷載試驗，認為流變次數和斜率可反映瀝青混合料的高溫性能。單軸靜載蠕變試驗是一種操作較簡單，能表征路面在長期荷載作用下累計變形的方法。本文通過單軸靜載蠕變試驗分析級配、溫度、荷載對AC-13瀝青混合料高溫穩定性的影響，為抗車轍瀝青混合料設計提供參考。

1 原材料配合比及試驗方案

1.1 原材料及配合比

采用SBS改性瀝青、玄武巖粗集料、石灰巖細集料、石灰巖礦粉，設計3種不同級配AC-13瀝青混合料(見表1)，最佳油石比均為4.7%。

表1 試驗用AC-13混合料級配組成

1.2 試驗方案

采用旋轉壓實方法成型尺寸為φ150 mm×H150 mm的圓柱體試件。試驗時在試件兩端分別墊3 mm厚聚四氟乙烯板，減小兩側端面約束效應及摩擦對試驗的影響。按殼牌單軸靜載蠕變試驗設置試驗條件： 1) 溫度為60 ℃，對3種級配混合料分別施加300 kPa、400 kPa、500 kPa荷載進行試驗； 2) 應力為500 kPa，3種級配混合料分別在40 ℃、50 ℃、60 ℃溫度條件下進行試驗。

2 試驗結果與分析

3種級配AC-13瀝青混合料加載時間與永久應變的關系(即蠕變曲線)見圖1。

圖1 不同條件下各級配AC-13瀝青混合料應變隨時間的變化

瀝青是一種典型的黏彈性材料，其混合料在試驗過程中會經歷加載時的瞬時變形、荷載持續時的彈性恢復和卸載后的黏性流動變形。所有蠕變曲線幾乎在加載100 s時產生瞬時彈性變形，且變形速率十分迅速。在持荷階段的變形幅度較小，但由于混合料的不規則性，試驗過程中會出現變形幅度陡變。通常情況下具有彈性的材料變形是可以恢復的，而瀝青混合料受力時間超過1 h后，其中一部分彈性逐步向黏性轉變而變得不可恢復，稱為永久變形，它是瀝青路面高溫失穩的主要原因。除瀝青混合料原材料的原因外，礦料組成架構、環境溫度、外界應力等都是引起永久變形的主要因素。

2.1 級配對瀝青混合料高溫穩定性的影響

根據圖1，不同級配在一定程度上影響瀝青混合料的高溫穩定性。3種級配AC-13瀝青混合料在60 ℃、0.4 MPa，50 ℃、0.5 MPa試驗條件下的勁度模量E分別見圖2、圖3。

圖2 60 ℃、0.4 MPa條件下各級配AC-13瀝青混合料的勁度模量

圖3 50 ℃、0.5 MPa條件下各級配AC-13瀝青混合料的勁度模量

由圖2、圖3可知：在溫度和應力不變的條件下，瀝青混合料的勁度模量大小排序為E級配1>E級配2>E級配3，說明級配不同會引起瀝青混合料高溫穩定性差異。級配1和級配2關鍵篩孔2.36 mm的通過率都小于40%，屬于粗型密級配，而級配3屬于細型密級配，在高溫性能方面不及前兩者。從整個篩孔的通過率來看，級配1形成的骨架較密實，形成較多結構瀝青，配合集料顆粒嵌擠能抵抗高溫重載條件下的剪應力。

2.2 溫度對瀝青混合料高溫穩定性的影響

由于瀝青膠結料具有感溫性，其混合料性能對溫度也較敏感。施加恒定荷載500 kPa，分別在40 ℃、50 ℃、60 ℃條件下進行單軸靜載蠕變試驗，試驗結果見圖4。根據試驗結果計算的勁度模量及殘余應變比隨溫度的變化見圖5、圖6。

圖4 不同溫度下各級配瀝青混合料的蠕變曲線

圖5 各級配瀝青混合料勁度模量隨溫度的變化

圖6 各級配瀝青混合料殘余應變比隨溫度的變化

由圖4可知：隨溫度變化，不同級配瀝青混合料蠕變曲線的變化規律相近，40 ℃時變形量低于50 ℃、60 ℃時變形量，且其變形速率較平緩。說明溫度越高，瀝青性質轉變越快，出現的黏性流動在外加荷載作用下更易發生不可恢復的變形，從而導致路面車轍病害。

由圖5可知：瀝青混合料的勁度模量隨溫度升高而降低。溫度從40 ℃升至50 ℃，級配1、級配2、級配3的勁度模量分別降低7.4%、10.32%和14.48%；溫度從50 ℃升至60 ℃，級配1、級配2、級配3的勁度模量分別降低3.14%、8.25%、13.65%，級配1和級配2 的下降幅度明顯減緩，級配3因為其顆粒組成的特點，下降趨勢仍較大。荷載作用下，瀝青混合料在50 ℃可能出現變形的臨界點。

殘余應變比為不可恢復的永久變形與加載過程中某一刻變形的比，其值越大，路面抵抗荷載永久變形的能力越弱。由圖6可知：隨著溫度升高，瀝青混合料的殘余應變比增大。溫度從40 ℃升至50 ℃，級配1、級配2、級配3的殘余應變比分別增加7.81%、8.96%、9.72%；溫度從50 ℃升至60 ℃，級配1、級配2、級配3的殘余應變比分別增加4.35%、5.48%、6.33%。其原因在于混合料經受高溫的同時也在承受荷載，其膠結料逐漸變軟，軟化瀝青在礦料之間起到潤滑作用，降低了混合料內部的嵌擠作用。同時膠結料性質由彈性向黏性過渡，黏性流動變形量是永久變形量的一部分，其所占比例越高，瀝青路面車轍病害越突出。

2.3 荷載對瀝青混合料高溫穩定性的影響

對于線彈性材料，在外加荷載作用下產生的變化遵循胡克定律。但瀝青材料并非完全的胡克彈性體，在受力狀態下出現的是蠕變和松弛現象。在60 ℃時分別對3種級配混合料施加300 kPa、400 kPa、500 kPa荷載進行單軸靜載蠕變試驗，試驗結果見圖7～9。

由圖7可知：外加荷載由400 kPa升至500 kPa時，瀝青混合料產生的變形量顯著增加；級配1因顆粒組成特點，其變形量增長幅度低于其他2種級配，提高了抵抗外界剪切變形的能力。

圖7 不同荷載下各級配瀝青混合料的蠕變曲線

由圖8可知：各級配瀝青混合料的勁度模量隨荷載增加而遞增。荷載由300 kPa升至400 kPa時，級配1、級配2和級配3的勁度模量分別增加19.35%、21.30%、22.22%；荷載由400 kPa升至500 kPa時，級配1、級配2、級配3的勁度模量分別增加6.06%、6.45%，7.23%，級配1相對于級配2和級配3對外加荷載的敏感程度更低。

圖8 各級配瀝青混合料勁度模量隨荷載的變化

圖9 各級配瀝青混合料殘余應變比隨荷載的變化

由圖9可知：各級配瀝青混合料的殘余應變比隨荷載提高而增加，其中級配1的殘余應變比最低，在荷載影響下變形量較少，有足夠的能力抵抗永久變形，減少車轍病害的產生。

3 結論

(1) 單軸靜載蠕變試驗可作為瀝青混合料高溫穩定性的評價手段。根據蠕變曲線，瀝青混合料主要經歷加載時的瞬時變形、持荷階段的延遲彈性變形與卸載后的黏性流動變形3個階段。

(2) 在同一溫度、同一荷載下，級配1的勁度模量優于其他2種級配。外加荷載一定時，混合料的勁度模量、殘余應變比隨溫度升高分別呈降低和上升的趨勢，級配1在50 ℃后的變化較緩和，說明在荷載作用下50 ℃可能是混合料高溫失穩的臨界點。溫度一定時，混合料的勁度模量、殘余應變比都隨荷載增加而上升，其中級配2、級配3對荷載的影響較敏感。

(3) 推薦使用級配1作為AC-13型瀝青混合料的設計級配。