温度对沥青混合料抗车辙性能影响的试验研究

杨墉金，邓明伟

(江西建设职业技术学院 南昌市 330200)

随着经济的发展以及各地区对交通基础建设的大力投入，各地区之间的沟通联系也逐渐频繁起来。然而，日益增加的交通荷载也加速了路面的破坏速度。尤其是在重载交通下产生车辙损害，已成为当前道路的主要破坏形式之一[1-3]。沥青属于温敏性材料，其粘弹性会随温度的变化而产生变化[4-5]。当温度升高时，沥青的流动性增加，粘度和弹性下降。这是夏季持续高温条件下易发生车辙的原因[6]。沥青混合料的高温稳定性能是指其在高温条件下抵抗车辆荷载作用而不发生永久变形的性能[7]。因此，有必要对沥青混合料的高温稳定性进行研究，保证路面的抗形变性能，进而保障路面的安全性能。论文利用三种较为常见的沥青混合料类别，并使其在三种温度条件下进行车辙试验，通过观察车辙试验结果随温度的变化，得到相应规律，并为实际工程提供参考。

1 车辙成因及分类

随着我国公路交通量的增加、 重载车辆的增多及渠化交通程度的提高， 车辙已成为沥青路面的主要病害之一， 直接影响到路面行车的安全性与舒适性， 因此受到众多学者与工程技术人员的广泛关注。研究表明，车辙是由路面的结构层及土基在行车荷载反复作用下，以及结构层材料的侧向位移产生的累积永久形变。根据其成因可将车辙分为三种类型[8-9]：

(1)结构型车辙：主要是由于路面基层和路基的强度不够，在车辆荷载的作用下，路面基层及路基变形引起的。其结构特征为车辙宽度较大，两侧没有明显的隆起，横断面呈U字形。

(2)失稳型车辙：主要是在高温条件下，荷载应力超过沥青混合料所能承受的稳定性应力极限，发生流动变形并不断累积所形成的。

(3)磨耗性车辙：由于沥青路面顶层的材料在车轮磨耗和自然环境因素下不断的磨蚀形成的，尤其是冬季埋钉轮胎形成的磨损性车辙。

车辙给行车安全带来了隐患，也使得某些路面功能受到了损坏。以排水路面为例，车辙造成的结构形变，将使其空袭特征发生改变，进而影响渗透排水等性能[10-11]。因此，有必要对各路面类型展开抗车辙性能的研究。

2 研究内容

为探索温度变化对沥青混合料抗车辙性能的影响规律，论文将根据不同类型的沥青混合料在不同温度条件下的车辙试验结果，归纳分析沥青混合料动稳定度随试验温度的变化规律，为工程应用提供参考。

3 原材料及研究方法

3.1 原材料

论文采用三种不同的沥青混合料，包括AC-13、Sup-13以及OGFC-13。为保证对照试验效果，在三种沥青混合料的制备过程中均采用相同的集料及沥青类型。各原材料技术指标如下：

(1)集料

论文采用的粗集料类型为天然集料，采用的是各粒径范围内的玄武岩，技术指标检测结果如表1所示。

表1 玄武岩集料技术指标检测结果

(2)沥青

由于OGFC混合料属于骨架空隙型结构，对结合料的技术要求较高。因此需要在基质沥青加入高粘改性剂进行改良。论文采用70#沥青作为基质沥青，并以10%的掺量分别制备TPS高粘改性沥青。

样品制备按如下方法：

①加热基质沥青(基质沥青为普通沥青时加热到约180℃，基质沥青为改性沥青时加热到约190℃)，然后掺入设计掺量的改性剂，同时使用玻璃棒搅拌均匀。

②将盛有试样的容器放到高速剪切机下，控制试样温度在180～190℃之间(改性沥青温度适当提高5～10℃)，调整转速到3500转/min，持续剪切30min。

③关闭高速剪切机，将制备好的改性沥青放入180℃烘箱中发育约20min即可。

论文对掺入改性剂前后的沥青粘结料进行了性能检测，其中：基质沥青的各项性能指标如表2所示，利用TPS改性后的高粘度改性沥青技术指标如表3所示。

(3)纤维

论文采用的纤维为木质素纤维，其技术指标检测结果如表4所示。

表2 基质沥青技术指标检测结果

表3 TPS高粘度改性沥青技术指标检测结果

表4 木质纤维技术指标检测结果

(4)填料

论文采用的填料为石灰岩矿粉，其技术指标检测结果如表5所示。

表5 矿粉技术指标检测结果

3.2 级配

各混合料的级配如表6所示。

表6 混合料级配

3.3 试验方法

论文设定在45℃、60℃和75℃的试验条件下进行车辙试验。主要步骤包括：将成型后放置48h的试件置于轮辙试验仪的试验台上，并将恒温箱内温度设置为预设温度，预热5h。并将胶轮碾压速度设置为42次/min，试验时长为1h。

利用动稳定度评价车辙试验结果。动稳定度的计算公式为：

式中：DS—动稳定度，次/mm；

d1—荷载作用时间t1时永久形变，mm；

d2—荷载作用时间t2时永久形变，mm；

C1—试验机类型修正系数，曲柄连杆驱动的变形行走方式为1.0，链驱动为1.5，论文中取1.0；

C2—试件系数，宽度为300mm的试件取1.0，宽度为150mm的试件取0.8，论文中取1.0；

t1=45min，t2=60min。

4 试验结果分析

收集并计算各个环境温度下不同沥青混合料的动稳定度，并将试验结果列于表7中。

表7 各试验组动稳定度测试结果(单位：次/mm)

为将动稳定度随温度的变化表现得更为明显，将表7中的数据列于图1中。

图1 不同温度下沥青混合料动稳定度

从图1中可以看出，随着温度的增加，沥青混合料的动稳定度变化规律较为明显。当温度变化时，各类型的沥青混合料均呈现指数下降的规律，沥青混合料的动稳定度随温度变化的规律如图中所示。出现该现象的原因在于，沥青属于热敏性材料，随着温度的升高，沥青的流动性增强，若此时荷载作用于混合料时，沥青对集料的粘结作用较弱，无法抵抗外界的剪切应力，集料易发生移位，进而表现出车辙。

对比不同类型的沥青混合料的动稳定度随温度的变化情况来看，Sup-13沥青混合料在各个试验温度条件下的动稳定度均高于另外两种，因此可以判断Sup-13沥青混合料具有更高的动稳定度。比较而言，AC-13沥青混合料的动稳定度较低，主要由于AC-13沥青混合料属于悬浮密实型沥青混合料，沥青组分较大，当沥青受热发生软化时，沥青混合料的结构强度以及稳定性较易受影响。因此，在重载交通量较大的路段，建议采用Sup-13沥青混合料作为面层材料。

分析不同类型的沥青混合料动稳定度变化规律可知，随着温度从45℃变化为75℃时，Sup-13的沥青混合料的动稳定度由65785次/mm下降至1189次/mm，降幅为98.2%；AC-13混合料的动稳定度由56676次/mm下降至1034次/mm，降幅为98.2%；OGFC-13混合料的动稳定度由63878次/mm下降至1108次/mm，降幅为98.3%。由此可知，温度对路面抗车辙的性能影响较大。

5 总结

通过试验可知，当沥青混合料温度由45℃上升至75℃时，各类型沥青混合料的动稳定度均下降98%以上。因此，当温度上升至一定程度时，沥青混合料的抗车辙性能将发生较大的变化。在工程应用中，需关注沥青混合料的这一点特性，减少沥青路面车辙发生概率及其对交通安全的危害。