沥青混合料温度敏感性研究

赖永钦 王靖 陈海荣 黄元辉

摘要：为解决河南地区沥青路面高温季节的车辙问题，客观指导和评价沥青混合料的设计，研究高温季节下温度变化对沥青混合料高温性能的影响，文章根据前期的路面温度场调查情况，分别选取40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃五个不同的温度进行不同沥青混合料的车辙试验与单轴贯入试验，分析温度对沥青混合料高温性能的影响规律。结果表明：动稳定度、车辙深度、贯入强度、抗剪强度都与温度有很好的相关性，其中改性沥青混合料动稳定度与温度的指数关系式DS=105 967e-0.043 5T相关系数R2为0.986 7;在40 ℃～80 ℃温度变化范围内，改性沥青混合料抗高温性能明显优于基质沥青混合料，建议上面层、中面层采用改性沥青。

关键词：沥青混合料;温度;高温性能;单轴贯入

0 引言

随着我国高速公路建设的迅猛发展，沥青路面以其低噪音、行车舒适、施工速度快和开放交通早等优点，成为高速公路路面的主要铺装形式。但由于温度、交通荷载、水等因素的影响，沥青路面出现早期病害的现象较为普遍，特别是车辙病害较为凸显，温度较高的南方地区车辙病害更为严重[1]。车辙的形成致使路面服务水平降低，并在车槽处积水引起水漂，影响行车的安全性，也更容易引起其他病害的產生[2]。

车辙是沥青路面工作者应该急需解决的问题，而沥青路面车辙的影响因素众多，外因主要为温度、荷载、纵坡坡度、湿度、车辆行驶速度等，内因为沥青混合料材料性能及路面结构设计，其中温度是影响车辙的主要因素之一[3]。由于中国南北跨度大，地域差异明显，致使南北温差较大，夏季平均温差达10 ℃，且路面的温度比实测气温还要高，所以路面的车辙有效温度南北差距更大。同时，由于沥青材料对温度较为敏感，对沥青混合料抗车辙性能影响最大的即为温度，而我国现有的沥青路面设计规范只以荷载为基础，忽略了温度这一重要影响因素。

东南大学周岚[4]研究温度对沥青路面高温性能的影响，发现重载高温条件下，沥青路面更易产生车辙;长沙理工大学张起森等人[5-6]提出中温车辙试验，通过改变常规车辙试验温度，在中温环境中（30 ℃～60 ℃）研究沥青混合料抗车辙性能，发现不仅高温对沥青混合料抗车辙性能影响较大，中温条件下也有产生车辙的风险;同济大学魏密[7]采用单轴静载蠕变试验，根据不同蠕变变形曲线，分析不同温度对沥青混合料高温蠕变性能的影响;长安大学祁峰[8]通过使用MTS试验的方法，对旋转压实成型试件进行单轴静载蠕变试验和重复加载蠕变试验，分析温度对沥青混合料在高温稳定性方面的影响。

综上所述，国内外对沥青混合料高温性能进行了广泛的研究，并指出高温是影响路面高温性能的重要因素。但在沥青混合料配合比设计时，往往过度强调对不同材料的性能要求，而对实际交通所需的材料性能考虑不足，有一定的经验性和随意性，也会导致道路出现高温破坏。所以本文参考前人研究成果，并结合对道路温度场的调查分析，研究不同温度对沥青混合料高温性能的影响，以标准抗车辙性能试验设计指标为基础，适当修正原有设计指标，为今后沥青混合料配合比设计提供参考。

1 原材料及试验方法

1.1 原材料

本研究使用的石料集料由宜阳弘源氧化钙石料厂提供，沥青为中石油“昆仑”A级70#沥青和中石油“昆仑”改性SBS类沥青，参照《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40-2004）的标准可知，试验数据均能达到规范的要求。

1.2 试验方法

（1）沥青混合料车辙试验

本文以同一个级配AC-20改性沥青、基质沥青两种沥青试样做车辙试验。试验条件：在0.7 MPa轮压下，根据路面调查实际路面高温时段常出现的温度，分别取40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃等五个温度，依据以上试验条件方案，每组取3个平行试样进行车辙试验，记录45～60 min内的车辙位移，计算动稳定度，求其平均值。

（2）沥青混合料单轴贯入试验

采用旋转压实仪76-B0252 ICT成型试件，在恒温箱里养护6 h，取出试件后放在UTM试验机的台座上，以1 mm/min的贯入速度进行贯入试验，直至试件破坏，读取最大破坏荷载。分别在40 ℃、50 ℃、60 ℃、70 ℃、80 ℃等五个不同的温度条件下，利用UTM-100以1 mm/min的贯入速度进行贯入试验，每10 s记录一次试验数据，直至试件破坏为止，记录试验过程中的垂直应力P随时间（贯入深度）的变化曲线，并记录破坏应力、贯入深度等指标。

2 结果与讨论

2.1 沥青混合料车辙试验

车辙试验结果如表1所示。

2.1.1 沥青材料对高温性能的影响

从表1可以看出，在温度40 ℃～80 ℃变化范围内，改性沥青混合料抗高温性能明显优于基质沥青混合料。改性沥青混合料60 min总车辙深度较小，高温70 ℃最大车辙深度为2.406 mm，动稳定度为5 625 次/mm，80 ℃最大车辙深度为3.148 mm，动稳定度为3 150 次/mm;而基质沥青混合料在40 ℃的车辙总深度为1.029 mm，动稳定度为8 750 次/mm，70 ℃的车辙总深度为5.017 mm，动稳定度为860 次/mm，已经不能满足规范的要求。当温度达到80 ℃时，基质沥青黏性基本丧失，主要靠集料之间的摩擦力提高强度，高温性能很差。而由于改性沥青软化点明显高于基质沥青，试验温度未达到改性沥青软化点85.5 ℃，动稳定度随温度的变化趋势比较稳定。由前期温度调查结果可知，沥青路面的上面层、中面层温度在高温时期达到70 ℃以上，故建议一般路面设计上面层、中面层采用改性沥青。

2.1.2 温度与动稳定度的关系

由图1可以看出，不管是改性沥青还是基质沥青，都是随着温度的升高而稳定度降低，这是因为沥青是温度敏感性材料，在高温条件下，随着温度的升高，沥青材料逐渐软化，抗车辙能力不足，表现出动稳定度降低。随着温度的升高，沥青混合料的强度开始降低，受到外力时，有很大的变形，并且一部分变形不可恢复，这时表现出粘弹性，就会出现车辙，当温度升高到一定程度，沥青混合料就会表现出黏性状态，很容易被破坏[9]。

为找出动稳定度和温度之间的关系，试着用线性、多项式、对数、指数等回归模型对两者之间的规律进行描述，分析结果如表2所示。

相比较而言，指数回归方程描述改性沥青混合料或基质沥青混合料相对准确，能更好地表示两者的关系。虽然这两种沥青软化点相差较大，但两种沥青之间变化规律有一定的相似性，温度从40 ℃上升到50 ℃时，混合料的动稳定度变化较大，这一点与美国环道试验得出的结论相吻合[10]。

以上两个回归公式及回归系数的取得，可以描述沥青混合料动稳定度与温度的关系，对预估沥青混合料高温性能及危害有着重要意义，可为以后研究提供参考。

2.1.3 温度与车辙总位移的关系

车辙深度不但跟沥青混合料种类、集料类型、沥青材料、压实度、空隙率等因素有关，还跟温度有很大的关系。由于改性沥青和基质沥青两种混合料在不同温度下，车辙深度相差较大，以下对两种混合料逐一分析。

（1）改性沥青混合料车辙深度随温度变化趋势基本稳定，在不同时间段内（相当于不同的荷载次数）车辙深度变化趋势如图2所示。

改性沥青混合料在温度40 ℃～80 ℃变化范围内，每隔10 ℃作为试验温度变化条件，在30 min、45 min、60 min不同时间段的车辙深度都随着温度的增加而加深，并且在沥青混合料没有失稳的情况下变化相对稳定。不同时间段的车辙深度相当于不同轴载次数作用下沥青混合料车辙深度，可见无论什么温度条件下，车辙深度随着轴载次数的增加而增大，变化幅度随着温度的升高而增大。

（2）基质沥青混合料在温度相对较低的状况下，车辙深度变化规律与改性沥青混合料基本相似，但随着温度的升高，车辙深度急剧增加。以下就是在不同时间段内（相当于不同的荷载次数）不同温度对应车辙深度变化趋势，如图3所示。

基质沥青混合料在温度40 ℃～70 ℃范围内，沥青混合料表现出粘弹性的性质，车辙深度变化趋势相对稳定。当温度升高到80 ℃时，表现出黏性状态，已经失去弹性的性质，所以基质沥青高温条件下表现出来车辙深度加剧。由于在80 ℃条件下，基质沥青混合料基本上处于失稳状态，已失去研究价值，因此除去80 ℃试验结果，发现车辙深度与温度仍有较好的相关性。

2.2 沥青混合料单轴贯入试验（见图4）

（1）由图4可知，随着温度的变化，沥青混合料力学性能发生一定的变化，在温度从低到高的过程中，试件破坏极值逐渐减小，并且破坏極值越来越不明显。

（2）从曲线变形规律分析，在开始阶段是压密变形曲线较平缓，之后进入弹性阶段，曲线基本呈直线，随着贯入深度增加，应力不断增大，最后是破坏阶段。40 ℃时，沥青混合料表现出高强度、高回弹模量偏向弹性性质，压密阶段不明显，在弹性阶段仪器需要提供很大的应力才能保持贯入速度恒定，所以应力的增加速度很快，应力增加与材料变形成比例，达到破坏强度时，极值点明显。而随着温度的升高，沥青混合料的强度开始降低，表现出粘弹性的性质，压密变形持续时间长，特别是在80 ℃条件下，弹性阶段不明显，随着贯入深度增加，应力变化较小，试件破坏时产生的变形较大。

（3）从应力应变关系分析，低温情况下，试件的破坏应力大，变形较小，说明这个温度的沥青混合料模量大，随着温度升高，沥青回弹模量下降，试件破坏应力减小，变形增大。

（4）从图5、图6可以看出，随着温度升高，试件的贯入强度、抗剪强度都明显降低，并随着温度的升高，差距逐渐降低，这是由于单轴贯入试验试件没有围压，抗剪强度主要反映了沥青结合料的影响，而温度升高后，沥青黏度迅速降低，导致混合料抗剪强度减小，使得高温性能下降。抗剪强度与温度之间具有良好的线性关系，考虑到贯入强度受试件自身因素影响较大，按照最大贯入强度测出来的结果不是太稳定，因此可采用抗剪强度评价沥青混合料高温性能。

3 结语

（1）40 ℃～80 ℃变化范围内，改性沥青混合料抗高温性能明显优于基质沥青混合料。基质沥青混合料在70 ℃的车辙总深度为5.017 mm，动稳定度为860 次/mm，已经不能满足规范的要求，当温度达到80 ℃时，基质沥青黏性基本丧失，主要靠集料之间摩擦力提高强度，高温性能很差。由前期温度调查结果可知，沥青路面的上面层、中面层温度在高温时期达到70 ℃以上，故一般路面设计建议上面层、中面层采用改性沥青。

（2）动稳定度、车辙深度与温度有很好的相关性，其中指数回归方程描述改性沥青混合料或基质沥青混合料相对准确，能更好地表示两者之间的关系，所确定的回归公式DS=105 967e-0.043 5T（改性沥青动稳定度与温度的关系表达式）等对预估沥青混合料高温性能及危害有着重要意义，可为以后研究提供参考。

（3）40 ℃时，沥青混合料表现出高强度、高回弹模量偏向弹性性质。随着温度的升高，沥青混合料的强度开始降低，表现出粘弹性的性质，特别在80 ℃条件下，弹性阶段更不明显，随着贯入深度增加，应力变化较小，试件破坏时产生的变形较大。

（4）温度升高，试件的贯入强度、抗剪强度都明显降低，且具有较好的线性关系，但贯入强度受试件自身因素影响较大。按照最大贯入强度测出来的结果不是太稳定，可考虑采用抗剪强度评价沥青混合料高温性能。

参考文献：

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