沥青混合料的路用性质及损害

吴棱峰，何雨轩

(长安大学,陕西 西安 710061)

我国沥青工业正处于迅猛发展中，沥青路面因其良好的路用性能与性价比被大量应用于市政道路和城市间的干线高速公路，其具有良好的路用性质并且可以机械化施工并快速开放交通，同时养护成本较低便于施工再利用。但是随着路面车辆荷载增加以及气温的变化增加，沥青路面因为其温度敏感性较高且易老化的缺点逐渐被热拌沥青混合料所取代。

1 沥 青

沥青主要是由石油炼制而成，通常包括四组分。通过对按照25 ℃针入度指标进行沥青分级，即可为后续沥青混合料的配合提供基础。此外沥青的路用性能可以通过三大指标：针入度，软化点，延度来进行表示。

2 沥青混合料材料构成

按照级配类型可以分可将沥青混合料的结构为三种：骨架密实型，骨架空隙型、悬浮密实型。

(1)骨架密实型为间断型级配矿料，因其缺少中等大小的矿料从而形成的混合料密实度较好，高温稳定性好但施工和易性较差。

(2)骨架空隙型为连续型开级配矿料，其组成全部为大粒径集料，因此内摩阻力较高，高温稳定性较好但因集料空隙较大粘聚力较低、耐久性差，不利于路面的长期使用，易发生离析现象，需要频繁的进行养护。

(3)悬浮密实型为连续型密级配矿料，大粒径集料产生的空隙可以有中、小粒径集料进行填空，与沥青结合紧密，具有较好的耐高温性能，但因其结合紧密内摩阻力较小，易产生车辙、拥包等不良现象。同时施工和易性主要受材料性质和外界环境影响。

通过沥青与各种矿质成分的组成，沥青混合料同时具备了沥青与集料的优点，其中沥青主要起裹附、胶结的作用。通过沥青与矿料的胶结可以显著提升沥青混合料的粘结，当矿粉颗粒被结构沥青包裹，粒间为结构沥青联结，粒间粘结力较大；当矿粉颗粒被结构沥青包裹，粒间为自由沥青联结，则其粘结力较小。

沥青用量也应该保持在适度的范围内，当沥青过多时，会产生自由沥青，沥青起到润滑作用，从而降低粘附性；当沥青过少时，矿质颗粒无法充分被沥青裹附。所以只有当沥青用量适中时，才会得到施工和易性最好的沥青混合料，不会产生纵裂、横裂、龟裂等现象。

沥青混合料中的集料，当其颗粒越细，表面积越大，与沥青产生胶结作用的表面积愈大，在集料表面会形成薄薄的沥青表面膜，从而产生粘结能力，形成的结构沥青组分所占沥青混合料比重越大，沥青混合料的粘聚力也愈高。可以通过增加矿粉来增加矿料表面积大小，从而使沥青膜更均匀面积更大，保证沥青混合料有足够的粘结力。

集料的各项物理性质例如密度，粒径与粗糙程度也会对沥青混合料的路用性能产生影响，当集料所用石砂的表面含有较为丰富的棱角即集料较为粗糙时，集料会因嵌合程度不好增大表面积，沥青膜相对较薄，表面比较粗糙，其间的内摩阻力大，可以避免路面泛油、磨光。

3 地区差异导致的气候变化对沥青路面的影响

在较冷地区应该选用针入度大，敏感性低的沥青，从而避免因温度过低造成沥青混合料在摊铺过程中施工和易性差；在较热地区应选用针入度小，软化点较高的沥青，从而避免沥青路面因吸热导致温度过高，粘稠度下降的不良影响，造成车辙等病害。

4 几种会发生的沥青路面破坏类型

4.1 永久变形

大多数的永久变形破坏例如车辙，搓板等，其外因可以解释为超过设计指标的荷载与异常的高温。而内因取决于沥青混合料路面采用的材料，混合料使用的结构类型等。以车辙为例，车辙出现一定程度上路面说明了路面的高温稳定性不好，但也有可能出现磨耗型车辙这样由于冬季埋钉轮胎而产生的路面磨损。而接结构型车辙就是典型的由于路面高温稳定性差而导致在高温下路面各层强度降低小于荷载作用，使沥青面层以下结构层发生变形。高温稳定性差也会使路面抗剪强度降低产生流动变形在长时间的积累后形成车辙，在车辙的一侧路面隆起产生拥包。为了检测沥青混合料的高温稳定性，我们一般采用较为传统的两种试验方法即马歇尔试验和轮辙试验。

4.2 裂缝

路面的沥青混合料在铸成后可以被看成为一个有着巨大质量的整体，路面整体中结构应力并不同，在低温时发生收缩会导致承受结构应力大的部分在温度应力的作用下产生裂缝。在温度较低时沥青路面变形能力会下降，沥青劲度系数变小使抗裂性降低。而评价沥青混合料的方法可分为预估开裂温度，评价低温变形能力与松弛能力的方法及评价断裂能的方法。例如直接拉伸试验，试验原理即用传感器测出试件随温度变化的应力变化以及抗拉强度的变化，通过测得数据我们能直接得到路面的温度应力与抗拉强度关于温度的曲线交点。而普遍应用的低温玩去试验则更直接，在-10 ℃的条件下以50 mm每分钟的速度对试件进行破坏并记录下破坏强度与破坏应变的关系。

4.3 水损害

沥青混合料路面由于水浸蚀或冻融作用使沥青组分在集料表面被磨耗掉造成颗粒松散，使集料直接暴露在表面致使路面损耗严重，松散的部分被机动车磨损带走形成了沥青膜剥落，而剥落进一步向路面深层发展形成坑槽，而此时路面的损害就已经很严重了。出现这些损害的外因即路面荷载过大导致路面易被破坏，而雨水较多浸蚀与冻融频发等。内因则是沥青混合料粘附性差致使水稳定性差。对于我国北方区域例如东北地区由于冬天时间长降雪多冻融作用明显，所以在选择沥青路面的结构类型时不能选择孔隙率大的结构，否则在冬天路面的开裂现象将会很严重。

4.4 表面功能衰减

沥青混合料路面的抗滑性下降会体现出表面功能衰减，可能会产生的现象有磨光与泛油，磨光是指路面表层在经过大量的磨损后导致表面摩擦系数降低使路面变得光滑，降低了道路的安全性。而作为判断的依据我们采用测量摩擦系数的方法，用摆式仪直接测出路面的摩擦系数，并通过比较摩擦系数来判表面功能的强弱。而泛油现象则是指沥青路面中的自由沥青过多导致在温度升高时膨胀从沥青混凝土的缝隙中渗出到路面表层，产生泛油现象的原因大多数是在进行配比或施工拌和时设计加入了过多沥青组分。在表面功能衰减后沥青路面的抗滑性会有大幅度的下降给行车安全带来了极多的不稳定因素。

4.5 沥青路面的疲劳现象

路面材料在荷载的作用下，在低于静态极限强度时被破坏，我们称其为疲劳。疲劳强度是衡量疲劳破坏程度的指标。对于材料的抗疲劳性能的评定一般采用环道试验和加速加载试验或在室内采用3分点加载小梁疲劳试验。

4.6 沥青路面的老化现象

我们将沥青的老化现象根据施工时现场情况的不同分为不同的时间阶段对应以不同的需求。当沥青路面材料老化后，沥青面会发生龟裂甚至塌陷，我们一般将沥青的老化分成短期老化和长期老化，短期老化指沥青在运输与储存中的老化，沥青混合料在拌和过程中的热老化及拌和后施工期的老化。而对于短期老化我们无法直接测量混合料的性能，但我们可以采用测量沥青的抗老化性能来间接的体现沥青混合料的性能，测量沥青的短期老化性能采用的是TFOT或RTFOT试验，而测量长期老化则来判断沥青的老化程度则用PAV与DTFOT试验。

5 沥青混和料的施工和易性问题

施工和易性是指混和料在搅拌、浇灌等阶段中便于操作，能使其保持均匀而不发生离析的性能。对于混合料的要求是不离析、易密实且沥青膜的裹覆良好，施工和易性取决于原材料性质即沥青与集料的性质，混合料性质即混合料的集配、沥青用量等，以及各种外因例如气温与施工条件。

6 结 语

目前我国交通行业迅速发展，我国的公路建设速度有了很大程度上的提高，相较于以往的单一运输方式现在的交通运输方式多种多样，但伴随着车辆吨位的提高与车流量的显著增加，我国沥青路面公路的路面破坏逐渐严重并且沥青路面的寿命日益缩短。道路材料技术急需进一步的革新进化，提升沥青路面的性能与经济性已经成为现代交通运输行业的重要需求。