论文部分内容阅读
前言：
沥青混合料是一种粘弹性材料，在夏季高温天气，沥青路面在交通荷载的反复作用下，容易产生车辙、推移、拥包等永久性变形类破坏，这类破坏是沥青混合料的高温失稳性破坏，是高速公路最有危害的破坏形式之一。由于沥青混合料固有的特性，影响沥青路面高温性能的因素是多样的，形成车辙的原因是复杂的，使得永久变形成为世界性的难题，防止沥青路面的车辙成为世界各国公路技术人员研究的热点。本研究首先对沥青混合料的原材料进行测试，在此基础上通过60℃、70℃的车辙试验以及动态蠕变试验评价了三种沥青混合料的高温性能。
1 原材料试验
1.1沥青
研究过程中分别采用了普通沥青、SBS改性沥青两种沥青进行对比试验，两种沥青的试验指标见表1。
表1 沥青试验结果
试验项目 试验结果
普通沥青 SBS改性沥青
密度（25℃）（g/cm3） 1.037 1.024
针入度（25℃，100g，5s）（0.1mm） 66 56
针入度指数PI — -0.16
延度（5cm/min）（cm） >150（15℃） 39.7（5℃）
软化点TR&B（℃） 50 81
闪点（℃） 301 321
60℃动力粘度（Pa.s） 869 18079
TFOT后残留物 质量损失（%） 0.01 0.01
针入度比（25℃）（%） 85 92
延度（5℃）（cm） 144（25℃） 32
從表1的试验结果可见，改性沥青的软化点明显高于普通沥青，其60℃动力粘度也是普通沥青的10倍以上。
1.2集料
用于高速公路建设的粗集料必须不易破碎。如果集料太软弱，沥青混合料在生产和摊铺过程中及重交通荷载作用下会破碎，一般不希望集料发生破碎，这样会改变沥青混合料的级配。表2中列出了沥青混合料所用集料的试验指标和技术要求。
表2 集料的试验结果
试验项目 试验指标 技术要求
压碎值（%） 11.2 ≤28
洛杉矶磨耗损失（%） 8.9 ≤30
对沥青的粘附性（级） 4 ≥4
针片状含量（%） 2.82 ≤15
磨光值（%） 51 ≥42
细集料砂当量（%） 80 ≥60
2 级配组成及马歇尔试验
为了同时考虑沥青胶结料及级配对沥青混合料高温性能的影响，研究过程中分别采用了AC-13、AC-20两种级配进行对比研究，两种级配的级配中值及上下限见表3。
表3 混合料级配及级配范围
筛孔孔径
（mm） 26.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
AC-20 级配上限 100 100 94 83 68 50 38 29 21 16 10 7
级配中值 100 98 86 73 58 40 30 22 16 11 7 5
级配下限 100 96 78 63 48 30 22 15 11 6 4 3
AC-13 级配上限 100 100 100 100 80 53 40 30 23 18 12 8
级配中值 100 100 100 95 70 41.5 30 22.5 16.5 12.5 8.5 6
级配下限 100 100 100 90 60 30 20 15 10 7 5 4
参考我国规范采用马歇尔试验方法确定了四种沥青混合料的最佳油石比，具体试验结果见表4。
表4 马歇尔试验结果
混合料种类 最佳油石比（%） 密度
（g/cm3） 空隙率
（%） 饱和度
（%） 稳定度
（kN） 流值
（0.1mm）
级配 沥青
AC-13 普通 4.7 2.555 4.2 71.8 10.1 36.4
改性 4.7 2.547 4.5 70.4 13.6 38.5
AC-20 普通 4.4 2.559 4.4 70.2 10.7 34.1
改性 4.5 2.567 4.1 71.7 15.3 32.0
3 高温性能试验
3.1车辙试验
本研究依据我国技术规范的相关要求，沥青混合料按最佳油石比以轮碾法成型尺寸为300mm300mm50mm的试件，分别在60℃和70℃的温度下以轮压为0.7MPa的实心橡胶轮作一定时间的反复碾压，形成辙槽，以辙槽深度（总变形量）RD和动稳定度DS（每产生1mm辙槽所需的碾压次数）评价沥青混合料的抗车辙能力。
其中动稳定度是指试件在变形稳定期时，每增加1mm变形需要行走的次数，通常是求取45（t1）及60（t2）分钟的变形d1、d2，按下式计算：
上式中C1及C2分别为试验机类型及试件类型系数，N为试验轮往返碾压速度，大小为42次/min。本研究中四组沥青混合料车辙试验结果详见表5。
表5 车辙试验结果
混合料种类 60℃ 70℃
级配 沥青 总变形量（mm） 动稳定度（次/mm） 总变形量（mm） 动稳定度（次/mm）
AC-13 普通 2.460 2376 5.476 648
改性 1.364 5609 3.629 1722 AC-20 普通 2.641 2892 5.107 758
改性 1.273 6742 3.564 1284
从车辙试验结果可以看出：
（1）改性沥青成型的混合料比普通沥青成型混合料的总变形小，有更高的动稳定度值，可见，使用改性沥青可以明显提高混合料的高温稳定性能;
（2）对比两种不同级配沥青混合料高温性能可以看出，中粒式级配AC-20沥青混合料的高温性能略优于细粒式级配AC-13沥青混合料，这是因为AC-20级配具有更好的嵌挤，相比与胶结料对沥青混合料高温性能的影响，级配对沥青混合料的高温性能影响较小;
（3）不同温度车辙试验结果表明，温度达到70℃时，即使改性沥青混合料动稳定度也明显小于我国技术规范的要求，可见，针对不同气候地区，应该有不同高温性能技术标准，这样才能做到工程项目的经济性与可靠性共存。
3.2动态蠕变试验
Monismith等人最初在20世纪70年代中期采用重复加载永久变形试验来评价土的永久变形特性，本研究采用动态蠕变试验中的重复加载试验来评价几种沥青混合料的高温性能。具体试验过程参照了美国规范中的动态蠕变试验及NCHRP（National Cooperative Highway Research Program）推荐的Simple Performance Test中的重复加载永久变形试验。
试验的加载周期为1s，其中包括0.1s的半正弦压力荷载和0.9s的间隔。试验终止条件为荷载作用次数达到10000次或是位移传感器超过量程，本试验的温度定为50℃，试验过程中，根据试件的实际情况采用不同的轴向压力，试件尺寸为直径100mm，高100mm的圆柱形试件。典型的永久应变与荷载作用次数关系如图1所示，第一个阶段为迁移期，蠕变变形在瞬间迅速增大;第二阶段为稳定期，蠕变变形呈线性稳定增长;第三阶段为破坏期，蠕变变形和应变速率均急剧增大，直线中止之后的变形称为流变变形，第二阶段与第三阶段分界的荷载作用次数通常称为流变次数，可以作为沥青混合料高温性能的评价指标。
图1 典型永久应变与荷载作用次数关系示意图
为了确定流动荷载作用次数，有关研究建立了描述沥青混合料永久变形特性的三阶段模型：
第一阶段模型：，;
第二阶段模型：，;
第三阶段模型：，;
式中：为累积的永久应变;为重复荷载作用次数;为对应于第二阶段产生时的重复荷载作用次数;（或）为流动荷载作用次数;为对应于第二阶段产生时的永久应变;为对应于第三阶段产生时的永久应变;、、、和是与试验条件有关的材料常数。
参照上述三阶段模型通過动态模量试验确定了四种混合料的流动荷载作用次数及各阶段的模型，列于表6。
表6 动态蠕变试验结果
沥青混合料
类型 轴向压力
（kPa） 第一阶段
模型 终止
次数 第二阶段
模型 流变次数Fn
AC-13 普通 300 y=0.1683x0.3848
R2=0.9978 1000 y=0.00110x+1.3763
R2=0.9999 3100
改性 300 y=0.5169x0.1242
R2=0.9803 5000 y=0.000021x+1.367879
R2=0.9931 无
AC-20 普通 300 y=0.1618x0.3089
R2=0.9977 2000 y=0.00029x+1.14103
R2=0.9999 5260
改性 300 y=0.1885x0.1987
R2=0.9906 6000 y=0.000024x+0.904614
R2=0.9957 无
从蠕变试验结果可以看出，在本研究的试验时间范围以内，两种普通沥青混合料都有明显的三阶段，出现了流变次数，流变次数过后，随着加载次数的增加，沥青混合料的永久变形急剧增加。而改性沥青混合料却只有前面两个阶段的过程，并没有出现流变阶段，一方面是因为本研究的荷载作用下，最大作用次数（10000次）并不能使改性沥青混合料达到流变阶段，另一方面，也说明改性沥青混合料具有优良的抗高温稳定性。公称粒径更大的AC-20沥青混合料高温性能较AC-13优，尤其是采用普通沥青时，这种优势更明显，说明嵌挤性的级配具有更好的高温稳定性。
4 结论
（1）沥青胶结料是影响沥青混合料高温性能的主要因素，改性沥青混合料的高温性能明显优于普通沥青混合料，夏季最高路面温度达到50℃以上的高等级沥青路面应该尽量采用改性混合料铺筑上面层。
（2）公称粒径更大的AC-20沥青混合料高温性能较AC-13优，尤其是采用普通沥青时，这种优势更明显。
（3）随着温度的增加，沥青混合料的高温性能急剧降低，针对实体工程不同的气候分区可以提出不同的沥青混合料高温性能技术标准。
沥青混合料是一种粘弹性材料，在夏季高温天气，沥青路面在交通荷载的反复作用下，容易产生车辙、推移、拥包等永久性变形类破坏，这类破坏是沥青混合料的高温失稳性破坏，是高速公路最有危害的破坏形式之一。由于沥青混合料固有的特性，影响沥青路面高温性能的因素是多样的，形成车辙的原因是复杂的，使得永久变形成为世界性的难题，防止沥青路面的车辙成为世界各国公路技术人员研究的热点。本研究首先对沥青混合料的原材料进行测试，在此基础上通过60℃、70℃的车辙试验以及动态蠕变试验评价了三种沥青混合料的高温性能。
1 原材料试验
1.1沥青
研究过程中分别采用了普通沥青、SBS改性沥青两种沥青进行对比试验，两种沥青的试验指标见表1。
表1 沥青试验结果
试验项目 试验结果
普通沥青 SBS改性沥青
密度（25℃）（g/cm3） 1.037 1.024
针入度（25℃，100g，5s）（0.1mm） 66 56
针入度指数PI — -0.16
延度（5cm/min）（cm） >150（15℃） 39.7（5℃）
软化点TR&B（℃） 50 81
闪点（℃） 301 321
60℃动力粘度（Pa.s） 869 18079
TFOT后残留物 质量损失（%） 0.01 0.01
针入度比（25℃）（%） 85 92
延度（5℃）（cm） 144（25℃） 32
從表1的试验结果可见，改性沥青的软化点明显高于普通沥青，其60℃动力粘度也是普通沥青的10倍以上。
1.2集料
用于高速公路建设的粗集料必须不易破碎。如果集料太软弱，沥青混合料在生产和摊铺过程中及重交通荷载作用下会破碎，一般不希望集料发生破碎，这样会改变沥青混合料的级配。表2中列出了沥青混合料所用集料的试验指标和技术要求。
表2 集料的试验结果
试验项目 试验指标 技术要求
压碎值（%） 11.2 ≤28
洛杉矶磨耗损失（%） 8.9 ≤30
对沥青的粘附性（级） 4 ≥4
针片状含量（%） 2.82 ≤15
磨光值（%） 51 ≥42
细集料砂当量（%） 80 ≥60
2 级配组成及马歇尔试验
为了同时考虑沥青胶结料及级配对沥青混合料高温性能的影响，研究过程中分别采用了AC-13、AC-20两种级配进行对比研究，两种级配的级配中值及上下限见表3。
表3 混合料级配及级配范围
筛孔孔径
（mm） 26.5 19 16 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
AC-20 级配上限 100 100 94 83 68 50 38 29 21 16 10 7
级配中值 100 98 86 73 58 40 30 22 16 11 7 5
级配下限 100 96 78 63 48 30 22 15 11 6 4 3
AC-13 级配上限 100 100 100 100 80 53 40 30 23 18 12 8
级配中值 100 100 100 95 70 41.5 30 22.5 16.5 12.5 8.5 6
级配下限 100 100 100 90 60 30 20 15 10 7 5 4
参考我国规范采用马歇尔试验方法确定了四种沥青混合料的最佳油石比，具体试验结果见表4。
表4 马歇尔试验结果
混合料种类 最佳油石比（%） 密度
（g/cm3） 空隙率
（%） 饱和度
（%） 稳定度
（kN） 流值
（0.1mm）
级配 沥青
AC-13 普通 4.7 2.555 4.2 71.8 10.1 36.4
改性 4.7 2.547 4.5 70.4 13.6 38.5
AC-20 普通 4.4 2.559 4.4 70.2 10.7 34.1
改性 4.5 2.567 4.1 71.7 15.3 32.0
3 高温性能试验
3.1车辙试验
本研究依据我国技术规范的相关要求，沥青混合料按最佳油石比以轮碾法成型尺寸为300mm300mm50mm的试件，分别在60℃和70℃的温度下以轮压为0.7MPa的实心橡胶轮作一定时间的反复碾压，形成辙槽，以辙槽深度（总变形量）RD和动稳定度DS（每产生1mm辙槽所需的碾压次数）评价沥青混合料的抗车辙能力。
其中动稳定度是指试件在变形稳定期时，每增加1mm变形需要行走的次数，通常是求取45（t1）及60（t2）分钟的变形d1、d2，按下式计算：
上式中C1及C2分别为试验机类型及试件类型系数，N为试验轮往返碾压速度，大小为42次/min。本研究中四组沥青混合料车辙试验结果详见表5。
表5 车辙试验结果
混合料种类 60℃ 70℃
级配 沥青 总变形量（mm） 动稳定度（次/mm） 总变形量（mm） 动稳定度（次/mm）
AC-13 普通 2.460 2376 5.476 648
改性 1.364 5609 3.629 1722 AC-20 普通 2.641 2892 5.107 758
改性 1.273 6742 3.564 1284
从车辙试验结果可以看出：
（1）改性沥青成型的混合料比普通沥青成型混合料的总变形小，有更高的动稳定度值，可见，使用改性沥青可以明显提高混合料的高温稳定性能;
（2）对比两种不同级配沥青混合料高温性能可以看出，中粒式级配AC-20沥青混合料的高温性能略优于细粒式级配AC-13沥青混合料，这是因为AC-20级配具有更好的嵌挤，相比与胶结料对沥青混合料高温性能的影响，级配对沥青混合料的高温性能影响较小;
（3）不同温度车辙试验结果表明，温度达到70℃时，即使改性沥青混合料动稳定度也明显小于我国技术规范的要求，可见，针对不同气候地区，应该有不同高温性能技术标准，这样才能做到工程项目的经济性与可靠性共存。
3.2动态蠕变试验
Monismith等人最初在20世纪70年代中期采用重复加载永久变形试验来评价土的永久变形特性，本研究采用动态蠕变试验中的重复加载试验来评价几种沥青混合料的高温性能。具体试验过程参照了美国规范中的动态蠕变试验及NCHRP（National Cooperative Highway Research Program）推荐的Simple Performance Test中的重复加载永久变形试验。
试验的加载周期为1s，其中包括0.1s的半正弦压力荷载和0.9s的间隔。试验终止条件为荷载作用次数达到10000次或是位移传感器超过量程，本试验的温度定为50℃，试验过程中，根据试件的实际情况采用不同的轴向压力，试件尺寸为直径100mm，高100mm的圆柱形试件。典型的永久应变与荷载作用次数关系如图1所示，第一个阶段为迁移期，蠕变变形在瞬间迅速增大;第二阶段为稳定期，蠕变变形呈线性稳定增长;第三阶段为破坏期，蠕变变形和应变速率均急剧增大，直线中止之后的变形称为流变变形，第二阶段与第三阶段分界的荷载作用次数通常称为流变次数，可以作为沥青混合料高温性能的评价指标。
图1 典型永久应变与荷载作用次数关系示意图
为了确定流动荷载作用次数，有关研究建立了描述沥青混合料永久变形特性的三阶段模型：
第一阶段模型：，;
第二阶段模型：，;
第三阶段模型：，;
式中：为累积的永久应变;为重复荷载作用次数;为对应于第二阶段产生时的重复荷载作用次数;（或）为流动荷载作用次数;为对应于第二阶段产生时的永久应变;为对应于第三阶段产生时的永久应变;、、、和是与试验条件有关的材料常数。
参照上述三阶段模型通過动态模量试验确定了四种混合料的流动荷载作用次数及各阶段的模型，列于表6。
表6 动态蠕变试验结果
沥青混合料
类型 轴向压力
（kPa） 第一阶段
模型 终止
次数 第二阶段
模型 流变次数Fn
AC-13 普通 300 y=0.1683x0.3848
R2=0.9978 1000 y=0.00110x+1.3763
R2=0.9999 3100
改性 300 y=0.5169x0.1242
R2=0.9803 5000 y=0.000021x+1.367879
R2=0.9931 无
AC-20 普通 300 y=0.1618x0.3089
R2=0.9977 2000 y=0.00029x+1.14103
R2=0.9999 5260
改性 300 y=0.1885x0.1987
R2=0.9906 6000 y=0.000024x+0.904614
R2=0.9957 无
从蠕变试验结果可以看出，在本研究的试验时间范围以内，两种普通沥青混合料都有明显的三阶段，出现了流变次数，流变次数过后，随着加载次数的增加，沥青混合料的永久变形急剧增加。而改性沥青混合料却只有前面两个阶段的过程，并没有出现流变阶段，一方面是因为本研究的荷载作用下，最大作用次数（10000次）并不能使改性沥青混合料达到流变阶段，另一方面，也说明改性沥青混合料具有优良的抗高温稳定性。公称粒径更大的AC-20沥青混合料高温性能较AC-13优，尤其是采用普通沥青时，这种优势更明显，说明嵌挤性的级配具有更好的高温稳定性。
4 结论
（1）沥青胶结料是影响沥青混合料高温性能的主要因素，改性沥青混合料的高温性能明显优于普通沥青混合料，夏季最高路面温度达到50℃以上的高等级沥青路面应该尽量采用改性混合料铺筑上面层。
（2）公称粒径更大的AC-20沥青混合料高温性能较AC-13优，尤其是采用普通沥青时，这种优势更明显。
（3）随着温度的增加，沥青混合料的高温性能急剧降低，针对实体工程不同的气候分区可以提出不同的沥青混合料高温性能技术标准。