基于单轴静载蠕变试验的AC-13高温性能影响研究

黄伟， 郝朝

(1.重庆交通大学 重庆交大建设工程质量检测中心有限公司， 重庆 400074；2.重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074)

车辙病害反映出沥青混合料高温稳定性不足。目前，测试沥青混合料高温稳定性的方法主要包括车辙试验、单轴静载或动载蠕变试验、径向静载或动载蠕变试验等。魏密等利用单轴静载试验对比分析了Super-12.5和AC-13I在不同温度和荷载下抵抗永久变形的能力；王随原等通过单轴静载蠕变试验比较基质沥青混合料和SBS改性沥青混合料的高温性能，利用黏弹性理论解释了SBS改性沥青混合料高温性能更优的原理；祁峰研究了动稳定度及单轴静载蠕变试验的劲度模量、残余应变比等指标的相关性，认为大多数指标与动稳定度的相关性较好；朱云升等在高温条件下进行单轴动态重复加载蠕变试验，得出永久变形与横向流动次数、竖向流动次数的关系；张裕卿等对沥青混合料进行三轴重复荷载试验，认为流变次数和斜率可反映沥青混合料的高温性能。单轴静载蠕变试验是一种操作较简单，能表征路面在长期荷载作用下累计变形的方法。本文通过单轴静载蠕变试验分析级配、温度、荷载对AC-13沥青混合料高温稳定性的影响，为抗车辙沥青混合料设计提供参考。

1 原材料配合比及试验方案

1.1 原材料及配合比

采用SBS改性沥青、玄武岩粗集料、石灰岩细集料、石灰岩矿粉，设计3种不同级配AC-13沥青混合料(见表1)，最佳油石比均为4.7%。

表1 试验用AC-13混合料级配组成

1.2 试验方案

采用旋转压实方法成型尺寸为φ150 mm×H150 mm的圆柱体试件。试验时在试件两端分别垫3 mm厚聚四氟乙烯板，减小两侧端面约束效应及摩擦对试验的影响。按壳牌单轴静载蠕变试验设置试验条件： 1) 温度为60 ℃，对3种级配混合料分别施加300 kPa、400 kPa、500 kPa荷载进行试验； 2) 应力为500 kPa，3种级配混合料分别在40 ℃、50 ℃、60 ℃温度条件下进行试验。

2 试验结果与分析

3种级配AC-13沥青混合料加载时间与永久应变的关系(即蠕变曲线)见图1。

图1 不同条件下各级配AC-13沥青混合料应变随时间的变化

沥青是一种典型的黏弹性材料，其混合料在试验过程中会经历加载时的瞬时变形、荷载持续时的弹性恢复和卸载后的黏性流动变形。所有蠕变曲线几乎在加载100 s时产生瞬时弹性变形，且变形速率十分迅速。在持荷阶段的变形幅度较小，但由于混合料的不规则性，试验过程中会出现变形幅度陡变。通常情况下具有弹性的材料变形是可以恢复的，而沥青混合料受力时间超过1 h后，其中一部分弹性逐步向黏性转变而变得不可恢复，称为永久变形，它是沥青路面高温失稳的主要原因。除沥青混合料原材料的原因外，矿料组成架构、环境温度、外界应力等都是引起永久变形的主要因素。

2.1 级配对沥青混合料高温稳定性的影响

根据图1，不同级配在一定程度上影响沥青混合料的高温稳定性。3种级配AC-13沥青混合料在60 ℃、0.4 MPa，50 ℃、0.5 MPa试验条件下的劲度模量E分别见图2、图3。

图2 60 ℃、0.4 MPa条件下各级配AC-13沥青混合料的劲度模量

图3 50 ℃、0.5 MPa条件下各级配AC-13沥青混合料的劲度模量

由图2、图3可知：在温度和应力不变的条件下，沥青混合料的劲度模量大小排序为E级配1>E级配2>E级配3，说明级配不同会引起沥青混合料高温稳定性差异。级配1和级配2关键筛孔2.36 mm的通过率都小于40%，属于粗型密级配，而级配3属于细型密级配，在高温性能方面不及前两者。从整个筛孔的通过率来看，级配1形成的骨架较密实，形成较多结构沥青，配合集料颗粒嵌挤能抵抗高温重载条件下的剪应力。

2.2 温度对沥青混合料高温稳定性的影响

由于沥青胶结料具有感温性，其混合料性能对温度也较敏感。施加恒定荷载500 kPa，分别在40 ℃、50 ℃、60 ℃条件下进行单轴静载蠕变试验，试验结果见图4。根据试验结果计算的劲度模量及残余应变比随温度的变化见图5、图6。

图4 不同温度下各级配沥青混合料的蠕变曲线

图5 各级配沥青混合料劲度模量随温度的变化

图6 各级配沥青混合料残余应变比随温度的变化

由图4可知：随温度变化，不同级配沥青混合料蠕变曲线的变化规律相近，40 ℃时变形量低于50 ℃、60 ℃时变形量，且其变形速率较平缓。说明温度越高，沥青性质转变越快，出现的黏性流动在外加荷载作用下更易发生不可恢复的变形，从而导致路面车辙病害。

由图5可知：沥青混合料的劲度模量随温度升高而降低。温度从40 ℃升至50 ℃，级配1、级配2、级配3的劲度模量分别降低7.4%、10.32%和14.48%；温度从50 ℃升至60 ℃，级配1、级配2、级配3的劲度模量分别降低3.14%、8.25%、13.65%，级配1和级配2 的下降幅度明显减缓，级配3因为其颗粒组成的特点，下降趋势仍较大。荷载作用下，沥青混合料在50 ℃可能出现变形的临界点。

残余应变比为不可恢复的永久变形与加载过程中某一刻变形的比，其值越大，路面抵抗荷载永久变形的能力越弱。由图6可知：随着温度升高，沥青混合料的残余应变比增大。温度从40 ℃升至50 ℃，级配1、级配2、级配3的残余应变比分别增加7.81%、8.96%、9.72%；温度从50 ℃升至60 ℃，级配1、级配2、级配3的残余应变比分别增加4.35%、5.48%、6.33%。其原因在于混合料经受高温的同时也在承受荷载，其胶结料逐渐变软，软化沥青在矿料之间起到润滑作用，降低了混合料内部的嵌挤作用。同时胶结料性质由弹性向黏性过渡，黏性流动变形量是永久变形量的一部分，其所占比例越高，沥青路面车辙病害越突出。

2.3 荷载对沥青混合料高温稳定性的影响

对于线弹性材料，在外加荷载作用下产生的变化遵循胡克定律。但沥青材料并非完全的胡克弹性体，在受力状态下出现的是蠕变和松弛现象。在60 ℃时分别对3种级配混合料施加300 kPa、400 kPa、500 kPa荷载进行单轴静载蠕变试验，试验结果见图7～9。

由图7可知：外加荷载由400 kPa升至500 kPa时，沥青混合料产生的变形量显著增加；级配1因颗粒组成特点，其变形量增长幅度低于其他2种级配，提高了抵抗外界剪切变形的能力。

图7 不同荷载下各级配沥青混合料的蠕变曲线

由图8可知：各级配沥青混合料的劲度模量随荷载增加而递增。荷载由300 kPa升至400 kPa时，级配1、级配2和级配3的劲度模量分别增加19.35%、21.30%、22.22%；荷载由400 kPa升至500 kPa时，级配1、级配2、级配3的劲度模量分别增加6.06%、6.45%，7.23%，级配1相对于级配2和级配3对外加荷载的敏感程度更低。

图8 各级配沥青混合料劲度模量随荷载的变化

图9 各级配沥青混合料残余应变比随荷载的变化

由图9可知：各级配沥青混合料的残余应变比随荷载提高而增加，其中级配1的残余应变比最低，在荷载影响下变形量较少，有足够的能力抵抗永久变形，减少车辙病害的产生。

3 结论

(1) 单轴静载蠕变试验可作为沥青混合料高温稳定性的评价手段。根据蠕变曲线，沥青混合料主要经历加载时的瞬时变形、持荷阶段的延迟弹性变形与卸载后的黏性流动变形3个阶段。

(2) 在同一温度、同一荷载下，级配1的劲度模量优于其他2种级配。外加荷载一定时，混合料的劲度模量、残余应变比随温度升高分别呈降低和上升的趋势，级配1在50 ℃后的变化较缓和，说明在荷载作用下50 ℃可能是混合料高温失稳的临界点。温度一定时，混合料的劲度模量、残余应变比都随荷载增加而上升，其中级配2、级配3对荷载的影响较敏感。

(3) 推荐使用级配1作为AC-13型沥青混合料的设计级配。