沥青混合料的高温稳定性影响因素研究

2017-04-15尹果果

福建质量管理 2017年5期

关键词：针入度车辙集料

尹果果

(重庆交通大学土木工程学院重庆 400000)

沥青混合料的高温稳定性影响因素研究

尹果果

(重庆交通大学土木工程学院重庆 400000)

沥青混合料的高温稳定性是在高温条件下，能够经受荷载的作用而保持结构和性能的稳定，不发生影响其使用性能的能力。本文通过分析三种沥青混合料SMA、SUP、AK沥青混合料的高温稳定性性质,找到影响高温稳定性性质的关键因素,并进行严格控制,以达到提高沥青施工质量的目标。

沥青混合料；高温稳定性

引言

中国高速公路的发展创造了世界瞩目的速度，这是经济和社会发展的现实需要，也是交通实现跨越式发展的重要标志。由于沥青路面具有无接缝、低噪音、易维修等优点，因此在已建成的高速公路中有90%以上采用的是沥青混凝土路面。沥青路面直接受车辆荷载和大气因素的影响，同时沥青混合料的物理、力学性质受气候因素与时间因素影响较大，因此为了能使路面给车辆提供稳定、耐久的服务，必须要求沥青路面具有一定的稳定性和耐久性。其中稳定性包括高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性。由于沥青路面的强度与刚度(模量)随温度升高而显著下降，为了保证沥青路面在高温季节行车荷载反复作用下,不致产生诸如波浪、推移、车辙、拥包等病害，沥青路面应具有良好的高温稳定性。

一、沥青混合料介绍

(一)沥青玛蹄脂碎石混合料路(SMA)的组成原理及特点

SMA的结构组成可概括为“三多一少，即：粗集料多、矿粉多、沥青多、细集料少”。

(二)SUP的组成及特点

全称Superpave,也是一种连续级配,与AC级配比较类似,混合料也属于悬浮密实型,只是在其级配设计时，有一个禁区,级配曲线是不允许通过的,实验室级配设计时与AC、SMA的设计成型方式不一样,它采用旋转压实,用的是体积设计法。

(三)AC的组成及原理

AC叫沥青混凝土,是连续级配,即各档料的用量是连续的,逐级填隙,其混合料属于悬浮密实型骨架。实验室级配设计时采用马歇尔击实成型。因为经验丰富,技术成熟,在我国使用的很多,基本上70、80%的1、2级公路的面层都会采用此级配。

二、影响沥青混合料高温稳定性的因素分析

(一)设计施工方面的影响

(1)沥青材料本身的影响。在沥青材料性质中,与温度变化有关的指标如针入度、针入度指数、粘度、软化点等对沥青混合料高温稳定性有明显的影响。针入度是表示沥青稠度的一个指标,针入度小,则沥青与骨料的黏结力大,沥青混合料的抗高温变形能力增强;针入度指数反映了沥青粘度随温度变化的幅度,沥青的温度敏感性越低,形成的沥青混合料的高温稳定性能越好,针入度指数PI增加,沥青的弹性和触变性增加,增加沥青针入度指数PI值可有效地提高抗变形能力;软化点是高温稳定性的重要指标,在同样的针入度下,软化点越高,沥青的高温性能就越好,软化点高意味着沥青的等粘温度高,混合料高温稳定性好,有研究表明,沥青软化点与车辙试验的动稳定度之间存在较好的相关关系。软化点每增加5度,车辙率减半;沥青的粘度越大,与石料结合的粘附性越好,在一定温度和荷载条件下,沥青混合料的粘滞阻力也越大,抗剪切变形能力越强,沥青混合料抗车辙性能越好;沥青的含蜡量对沥青的性质的影响非常明显,对于含蜡量高的沥青,沥青温度接近软化点温度时,蜡的熔融会引起沥青粘度的明显降低,从而使混合料稳定性随之降低。

(2)沥青用量的影响。合适的沥青含量能提高沥青混合料的高温稳定性,沥青在混合料中以结构沥青和自由沥青的方式存在,结构沥青膜连接矿物颗粒之间接触处,会使沥青具有更高的粘度和更大的扩散溶化膜接触面积因而可以获得更大的粘聚力,是混合料稳定度产生的主要因素。当沥青含量较少时,沥青在集料表面形成的沥青膜过薄,混合料呈干枯状态而缺乏足够的粘结力,不能形成高的强度,高温稳定性差。增加沥青用量,混合料黏结力增强,高温稳定性随之提高。当超过最佳沥青用量以后,沥青在集料表面形成的沥青膜增厚,自由沥青增多,润滑能力增强,集料颗粒在荷载作用下易于滑动移位,高温稳定性降低。

(3)集料性质的影响针片状含量小,颗粒接近立方体的坚硬、洁净集料,拌和的沥青混合料高温性能比较好。矿粉对沥青混合料耐热性影响很大,是矿质混合料中影响最大的,因为矿粉比表面积大,与沥青混合后能够减少沥青的流动性,特别是活性矿粉,影响更为明显。

(4)级配类型的影响沥青混合料的结构类型分为三类,即密实骨架型结构、密实悬浮型结构、骨架空隙型结构,沥青混合料的强度形成来源于两个方面,即集料间的嵌挤作用和沥青结合料粘结作用。试验研究分析表明,对沥青混合料的高温稳定性的贡献,有60%来自于集料的嵌挤作用,有40%来自于沥青结合料的粘结作用。矿料级配和沥青含量决定了沥青混合料的结构类型,不同的结构类型混合料密实程度不同,矿料颗粒间嵌挤力大小差别很大,直接影响路面的抗剪强度。据美国洲际公路研究计划的研究,在一般情况下,级配合理的密实混合料的高温稳定性要优于间断级配混合料。形成骨架结构的级配受温度变化影响较小,有较好的抗车辙能力,而悬浮型结构抗车辙能力较差,因而密实骨架型结构的抗车辙能力好于骨架空隙型结构、骨架空隙型结构好于密实悬浮型结构。集料的粒径对沥青混合料的高温稳定性有多大的影响,人们想当然地认为,集料的粒径大,混合料的高温稳定性越好,但多数试验表明,级配良好的细粒式沥青混合料仍具有较高的动稳定度,级配不好但增大了集料粒径并没有改善混合料高温稳定性,在我国被广泛使用的级配碎石混合料,集料均是大粒径的,但动稳定度并不高。

(5)空隙率的影响。空隙率的大小对沥青混合料的路用性能有很大的影响,空隙率大的沥青混合料,其稳定性主要来源于矿料的内摩阻力,而内摩阻力不受温度变化的影响,因而空隙率大的沥青混合料高温稳定性较好;相反,空隙率小的沥青混合料,由于内部沥青含量较多,温度升高会引起沥青体积膨胀,减小了矿料间的内摩阻力,从而减小了混合料的抗剪能力,动稳定度也随之降低。密实级配的沥青混合料的空隙率在2%～4%,小于这个数值,则沥青含量过大,混合料流动,混合料抗变形能力明显减小,如果由于现场压实不足而造成空隙率过大,则混合料更容易变形。

(二)影响沥青路面高温稳定性的外因

(1)环境温度的影响。沥青路面的高温稳定性受温度的影响很大,在20度以下的中低温状态下,沥青路面处于硬塑状态,温度变化对混合料的高温稳定性几乎没有什么影响,温度提高,沥青混合料的模量降低,抗车辙能力迅速减弱。在40～60度范围内,沥青混合料在温度上升5度时,其变形量增加近2倍。可见,环境温度是影响沥青混合料高温稳定性最大的因素。

(2)交通条件的影响。车辆行驶对路面高温稳定性的影响可以归结为荷载大小、行车速度两个方面。行车速度大小对路面水平力影响较大,对变形方面的影响则表现为冲击力。荷载大小对路面车辙有比较直接的影响。在路表温度60度的条件下,荷载应力0.7MPa增加0.8MPa时,造成动稳定度减小约40%;而当荷载应力从0.7MPa减小到0.6MPa时,动稳定度增加约68%。