淺談瀝青混合料高溫穩定性影響因素及簡要分析

馬海濤

摘 要：公路和城市道路，絕大多數是瀝青路面。隨著日益超載加載的運輸型汽車的在公路上的不斷涌進，有一些瀝青路面在開通后不久就出現了車撤，裂陷，坑槽等不同程度的路面破壞，這不僅僅影響到行車的安全性，舒適性，還將帶來巨大的經濟損失。因此，研究抗車轍性能良好的瀝青混合料是減小瀝青路面車轍的重要途徑之一，是促進現代公路交通運輸業的高速發展的有利途徑。

關鍵詞：瀝青混合料；高溫穩定性；影響因素；車轍試驗

瀝青混合料是由典型粘彈性材料瀝青膠結礦料及填料構成的路用材料，在高溫及荷載作用下會產生流動變形，流動變形的不斷累積就形成車轍，瀝青混合料應具有良好的高溫抗車轍性，以滿足實際路用性能要求。影響瀝青混合料高溫穩定性能的因素有很多，可分為內因和外因兩方面。在荷載、氣候難以預測控制的情況下，通過合理的混合料設計，提高瀝青混合料的高溫抗車轍性能是可行的辦法。

1.瀝青混合料高溫穩定性影響因素

1.1 瀝青性質

瀝青的物理性質對混合料抗車轍性能有影響。在一定溫度和加載速率下，瀝青粘度越大，混合料的粘滯阻力也越大，抗剪切變形能力越強，瀝青混合料抗車轍性能越好。瀝青粘度隨溫度變化而變化，瀝青的溫度敏感性越低，則形成的瀝青混合料相應具有更好的高溫穩定性能，這種關系已被一些快速加載試驗所證實。

1.2 氣候因素

氣候對瀝青路面高溫穩定性的影響是通過瀝青路面混合料力學性能來起作用的，由于瀝青是一種感溫性很強的材料，使得瀝青混合料也成為溫度敏感性材料，在不同的溫度條件下，瀝青混合料路面會表現出截然不同的力學性質，較高的溫度會使瀝青混合料的勁度模量和抗剪能力降低，從而在車輛荷載作用下出現高溫穩定性問題。因此，針對高溫多雨的山區高速公路，在修筑瀝青路面時，一定要根據當地的氣候特點和當地的實際經驗來選擇瀝青以及進行結構和材料設計。

1.3 荷載因素

荷載的大小，重載和超載是瀝青路面產生車轍和其它高溫病害的重要因素之一，國內外的調查資料表明：在交通量組成中，重載占有較大比例的路段上，瀝青路面的高溫病害要比其它路段嚴重得多。

1.4級配

集料級配決定了礦料顆粒間嵌擠力的大小及混合料密實程度，直接影響瀝青混合料的高溫穩定性。研究表明，在最佳瀝青含量時，中粒式瀝青混凝土車轍最小，細粒式次之，粗粒式車轍最大。WestTrack環道試驗也得出了相似的結論。

1.5 瀝青混合料組成設計

除原材料的性質外，瀝青混合料組成設計對其高溫穩定性的影響十分巨大，主要包括：礦料級配、各類材料用量比例（如：天然砂用量、礦粉用量、回收粉比例）、自由瀝青的多少（即：瀝青用量），空隙率、飽和度等。

1.6 空隙率

空隙率較大的瀝青混合料容易產生壓密變形，增加其密實度可增加礦料顆粒間的接觸壓力，從而提高其抗車轍能力。但當空隙率低于某臨界值時，繼續減小空隙率，反而會使瀝青混合料抗車轍能力降低。對于臨界空隙率，WestTrack環道試驗認為接近4%，也有研究表明，當空隙率為8%左右時，車轍最小。

2.瀝青路面車轍影響因素

瀝青路面車轍影響因素包括材料參數、環境參數、荷載參數、路面結構組合和施工條件等方面。

2.1材料參數

2.1.1 瀝青性質

大量的加速試驗結果表明，瀝青類型對車轍有影響，佐治亞州的加載車輪測試結果表明，每一種改性瀝青混合料同標準混合料相比，車轍深度均有所減少。

2.1.2集料類型、表面特性和級配

由于集料的表面紋理和形狀可以影響混合料中的空隙結構，因而可以對瀝青混合料的高溫穩定性表現出不同的影響。 國外有研究表明，按照Superpave體積法設計的混合料級配，通過了限制區的混合料的抗車轍性能最好，并且在 40℃時，動蠕變試驗的勁度模量和純剪切實驗值最高。

2.1.3瀝青用量

瀝青用量對瀝青混合料的抗車轍性能有很大影響。瀝青用量太低，瀝青混合料難以壓實，并且瀝青不能完全裹覆礦粒界面，也影響瀝青混合料的粘結力，使其抗車轍能力差；而瀝青用量過多，瀝青混合料礦料顆粒間游離的自由瀝青增多，使混合料易于產生流動變形，也影響其高溫穩定性。

2.1.4空隙率

空隙率較大的瀝青混合料容易產生壓密變形，增加其密實度可增加礦料顆粒間的接觸壓力，從而提高其的抗車轍能力。但當空隙率低于某臨界值時，繼續減小空隙率，會使得混合料內部沒有足夠的孔隙來吸收材料的流動部分，必然造成混合料外部的整體變形，反而會使瀝青混合料抗車轍能力降低。

2. 2 環境參數

2.2.1溫度

當氣溫較高時，瀝青路面強度降低容易產生車轍。這是因為瀝青粘度的大小反映了瀝青抵抗蠕變的能力，當溫度升高時瀝青粘度變小，其抵抗蠕變的能力下降，在受到外力時很容易產生永久剪切變形導致瀝青材料橫向流動而產生車轍。

2.2.2水

當路面積水或路面結構含水量增加時，瀝青和礦料之間的粘結力在潮濕條件下會被削弱或損壞，在行車荷載和水分的聯合作用下，這種損壞會明顯加劇，從而導致瀝青路面會產生較大的車轍。

2.2.3 荷載參數

2.2.3.1渠化交通

隨著日益繁重的交通量需求，渠化交通已成為交通組織的主要手段，導致瀝青路面車轍破壞的情況日漸突出。

2.2.3.2重載

日本的研究表明，車輛超載加快了路面的損壞，輪胎的種類對車轍影響較大。北京公路科學研究所的加速加載試驗研究表明，在不同軸載作用下，重軸載作用下產生的車轍比輕軸載大得多。

2.2.3.3車速

車速越低，汽車荷載作用在瀝青路面上的持續時間越長，由于瀝青混合料在高溫情況下的粘彈性特點，累積剪切變形越大，因此造成越深的車轍。

2.2.3.4 路面結構組成

路面的結構和組成對車轍的形成和發展有很大影響，是一個重要的影響因素。瀝青路面的抗車轍能力除了受所用材料及其性能影響外，還與路基類型和路面厚度有關。

2.2.3.5 施工

由于施工時沒有充分壓實或料溫不夠等施工原因導致的瀝青面層壓實不足，而致使通車后的第一個高溫季節瀝青混合料在行車作用下，繼續壓密形成車轍。

3.關鍵影響因素分析

以上分析了影響瀝青混合料高溫抗車轍性能的因素。從材料優化設計的角度，一般關心的是內部因素，如瀝青性質、集料性質和混合料參數對瀝青混合料高溫穩定性的影響，為選材和材料組合設計提供參考，從而設計出高溫穩定性優良的瀝青混合料。選取瀝青針入度、瀝青軟化點、瀝青用量、集料4.75mm篩孔通過率、礦粉用量、瀝青混合料空隙率作為影響瀝青混合料高溫穩定性的主要因素進行研究。

3.1 瀝青混合料高溫車轍試驗

3.1.1試驗材料

試驗采用幾種國內常用品牌瀝青，集料均為石灰巖，各項性能指標符合規范要求。為了便于比較分析，選擇6種級配類型，具有廣泛代表性。

3.1.2高溫車轍試驗及結果

車轍試驗是評價瀝青混合料高溫抗車轍性能的最直觀，最有效的方法。通過馬歇爾試驗確定瀝青混合料最佳瀝青用量，然后以最佳瀝青用量下混合料密度作為控制標準，用輪碾儀制成30cm×30cm×5cm試板，在60℃條件下進行車轍試驗。為了考查不同瀝青用量的影響，還對級配最佳瀝青用量±0.5%的混合料進行了試驗。

3.2 灰關聯分析

下面分別以動穩定度和總變形量作為參考序列，對上述影響因素進行灰關聯分析。

3.2.1 以動穩定度為參考序列

按灰關聯分析方法，首先對所示試驗結果進行初值化處理，計算求差序列，最終計算各因素灰關聯系數和灰關聯度。可以看出各影響因素對瀝青混合料動穩定度的影響大小依次為：瀝青混合料空隙率→4.75mm篩孔通過率→瀝青軟化點→瀝青針入度→礦粉用量→瀝青用量。

3.2.2 以60min總變形量為參考序列

以60min總變形量為參考序列的灰關聯分析結果。各影響因素對瀝青混合料總變形量的影響大小依次為：瀝青混合料空隙率→4.75mm篩孔通過率→瀝青用量→礦粉用量→瀝青軟化點→瀝青針入度。

通過以上優勢分析可以看出，各因素對動穩定度和60min總變形量的影響顯著程度并不完全相同。這主要由于動穩定度和總變形量物理意義不同。

結束語：

不論以動穩定度還是總變形量作為參考指標，混合料空隙率和4.75mm篩孔通過率都是較重要的影響因素，其影響顯著程度大于瀝青結合料性質。由于瀝青混合料空隙率主要由集料級配決定，因此，要提高瀝青混合料高溫穩定性，首先應改善混合料級配，關鍵是使其形成骨架密實結構。