沥青混合料高温性能评价研究

2016-12-12孔德胜

公路与汽运 2016年6期

关键词：油石稳定度车辙

孔德胜

（河南中州路桥建设有限公司，河南周口 466000）

沥青混合料高温性能评价研究

孔德胜

（河南中州路桥建设有限公司，河南周口 466000）

以3种连续级配AC-13C、AC-16C、AC-20C沥青混合料为研究对象，通过改变压实次数和油石比成型不同试件进行室内标准试验，分析动稳定度、抗剪强度、车辙模量和贯入模量的变化及其在沥青混合料高温性能评价方面的相关性。结果表明，当以动稳定度和抗剪强度评价高温性能时，不能以变化油石比来控制高温性能，而要综合分析最佳油石比，再变动相应级配的压实次数来提高高温性能，细粒式混合料比中粒式更易达到最优高温性能；当以车辙模量和贯入模量评价高温性能时，受压实的影响程度小于油石比的影响程度，应以控制油石比来改善混合料的高温性能，贯入模量比车辙模量更能反映沥青混合料的高温性能。

公路；沥青混合料；动稳定度；抗剪强度；车辙模量；贯入模量；高温性能

沥青路面作为一种连续的、无接缝的路面类型，对其质量影响最大的是车辙病害。车辙是轮迹带在车辆反复荷载作用下逐渐形成的永久下陷变形的累积结果，会大大降低路面的使用舒适性，乃至影响道路交通的进一步发展，已成为一个世界性的难题。为此，在路面设计中要对路面高温稳定性采用严格的技术要求。该文主要针对沥青路面的高温稳定性，从车辙和单轴贯入两个角度综合分析沥青路面在配合比设计时对高温性能的技术要求及其评价关系，以降低道路使用过程中车辙病害发生概率。

1 原材料性能及其组成设计

沥青混合料是一种由粗集料、细集料、矿粉和沥青胶结料组成的特殊粘弹性材料，各材料的物理性指标和组成设计后的综合指标在一定程度上影响混合料的路用性能。根据河南省沥青路面发展情况，采用统一的原材料并以AC-13C、AC-16C、AC-20C 3种级配作为研究对象，以消除研究过程中的不利因素。

1.1 基质沥青

不同沥青胶结料对混合料的影响很大，这在道路发展中早已达成了共识。在选择试验材料时，为消除沥青胶结料的影响，统一采用厦门华特爱思开有限公司生产的70＃重交石油基质沥青，其主要性能指标见表1。

1.2 矿料

AC路面是一种连续级配路面，为了镶嵌紧密形成稳定骨架，粗、细集料和矿粉的各项物理性指标必须达到JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》的要求。试验所用粗、细集料均来自驻马店市遂平生产的玄武岩，矿粉为亲水系数小于1的石灰岩矿粉，其主要性能指标见表2～4。

表170 ＃基质沥青的技术性能指标

表2 粗集料的技术要求及检验结果

表3 细集料的技术要求及检验结果

1.3 混合料组成设计

按照JTG F40-2004《公路沥青路面施工技术规范》，利用L50（511）正交优化，综合考虑河南省的气候条件进行混合料级配设计（见表5和图1）。

表4 矿粉的技术要求及检验结果

表5 混合料矿料级配设计

图1 混合料矿料设计级配曲线

2 混合料高温性能评价方法

沥青混合料作为一种特殊的粘弹性材料，在高温性能研究方面，最主要的途径是选择并使用简单、有效的试验方法。车辙试验和单轴贯入试验受力模式与路面一致，而且操作简单，适合工程应用。下面针对二者的相联性进行研究，为沥青混合料高温性能评价提供借鉴。

2.1 车辙试验

车辙试验是一种工程试验方法。根据河南省夏季高温情况，选择60℃作为试验温度。轮碾成型300 mm×300 mm×50 mm方形试件，保温5 h后进行车辙试验。高温时的动稳定度DS可反映混合料的模量在试验温度下的变化趋势。在最后15 min，混合料的变形量很小，假设最后15 min试

验轮与车辙板的接触面积ADS保持恒定，即可近似地把混合料内部某一点的平均应力σDS视为对车辙板所施加的压强PDS（0.7MPa）与接触面积ADS的积分与接触面积之比：

将ε60和ε45定义为60和45 min的应变，即60和45 min的变形与车辙板厚度h之比，ε60=d60／h，ε45=d45／h。以平均应力与最后15 min的应变之比即车辙模量EDS来描述沥青混合料在试验温度下所能承受荷载作用的大小，它与混合料动稳定度DS是等效的。

将式（3）代入动稳定度计算公式［见式（4）］，化简整理后得式（5）。车辙试验仪器参数C1和C2均取1.0，t60-t45=15 min，N=42次／min，PDS=0.7 MPa，将其代入式（5），得到EDS与DS的关系式［见式（6）］。

2.2 单轴贯入试验

沥青混合料的单轴贯入试验类似于土工试验中的CBR试验，表征材料抵抗局部荷载变形的能力。试件内部剪切应力分布与车轮荷载下实际路面的剪切应力模式相似，而且侧向约束力大小反映沥青及集料的性能。这里研究的级配最大为中粒式，试件为标准击实试件，故单轴贯入试验釆用直径28.5 mm的压头。同时为了和车辙试验统一，试验温度设为60℃，保温5 h左右。在万能试验机加载速率为1 mm／min的条件下进行试验。

3 沥青混合料高温性能评价

3.1 动稳定度和抗剪强度

3种级配均采用室内马歇尔标准击实法确定最佳油石比，AC-13C、AC-16C和AC-20C的最佳油石比分别为4.7%、4.3%、4.1%。在最佳油石比和室内标准碾压的基础上，通过改变试件成型压实次数进行试验。对于单轴贯入试验，试件成型后再进行室内钻芯。试验结果见图2～5。

图2 动稳定度与压实次数的关系

图3 抗剪强度与压实次数的关系

图4 动稳定度与油石比的关系

图5 抗剪强度与油石比的关系

由图2、图3可知：在沥青混合料高温性能评价

中，动稳定度和抗剪强度的变化趋势整体上相同，都随着压实次数的增加先增大后减小，AC-13C、AC-16C、AC-20C分别在压实次数14、15、18次时达到峰值。说明沥青混合料在高温性能最优的情况下，用动稳定度和抗剪强度评价是等效的，也从另一方面证明在室内成型试件时不可片面地增加压实遍数，过多的压实反而会破坏混合料的高温性能。

由图4、图5可知：油石比的变化对动稳定度和抗剪强度的影响不同，动稳定度随着油石比的增加呈现下降的趋势，抗剪强度的变化趋势与压实度变化时的情况相同，随着油石比的变化出现峰值。结合工程实践，当油石比一味降低时，虽然动稳定度得到提高，但路面由于沥青含量降低会出现集料松散而导致其他病害。因此，在配合比设计时要综合分析，不能以改变油石比来控制高温性能，而应在综合分析确定最佳油石比后，再根据不同级配以控制压实遍数来提高高温性能，且在相同压实条件下细粒式混合料的高温性能最先达到最优。

3.2 车辙模量和贯入模量

试件成型方法与上面的相同，采用室内马歇尔标准击实法确定最佳油石比后碾压成型。试验结果见图6～9。

图6 车辙模量与压实次数的关系

图7 贯入模量与压实次数的关系

由图6、图7可知：在沥青混合料高温稳定性评价中，当以压实度来控制混合料的高温稳定性能时，随着压实次数的变化车辙模量和贯入模量会出现峰值，与动稳定度和抗剪强度的变化趋势整体相同，只是受压实的影响相对较小。对于AC-13C、AC-16C、AC-20C，以车辙模量和贯入模量评价高温性能时，在压实16次左右时方可认为高温性能最佳。