溫度對瀝青混合料抗車轍性能影響的試驗研究

楊墉金，鄧明偉

(江西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 南昌市 330200)

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及各地區(qū)對交通基礎(chǔ)建設(shè)的大力投入，各地區(qū)之間的溝通聯(lián)系也逐漸頻繁起來。然而，日益增加的交通荷載也加速了路面的破壞速度。尤其是在重載交通下產(chǎn)生車轍損害，已成為當(dāng)前道路的主要破壞形式之一[1-3]。瀝青屬于溫敏性材料，其粘彈性會隨溫度的變化而產(chǎn)生變化[4-5]。當(dāng)溫度升高時，瀝青的流動性增加，粘度和彈性下降。這是夏季持續(xù)高溫條件下易發(fā)生車轍的原因[6]。瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能是指其在高溫條件下抵抗車輛荷載作用而不發(fā)生永久變形的性能[7]。因此，有必要對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性進(jìn)行研究，保證路面的抗形變性能，進(jìn)而保障路面的安全性能。論文利用三種較為常見的瀝青混合料類別，并使其在三種溫度條件下進(jìn)行車轍試驗，通過觀察車轍試驗結(jié)果隨溫度的變化，得到相應(yīng)規(guī)律，并為實際工程提供參考。

1 車轍成因及分類

隨著我國公路交通量的增加、 重載車輛的增多及渠化交通程度的提高， 車轍已成為瀝青路面的主要病害之一， 直接影響到路面行車的安全性與舒適性， 因此受到眾多學(xué)者與工程技術(shù)人員的廣泛關(guān)注。研究表明，車轍是由路面的結(jié)構(gòu)層及土基在行車荷載反復(fù)作用下，以及結(jié)構(gòu)層材料的側(cè)向位移產(chǎn)生的累積永久形變。根據(jù)其成因可將車轍分為三種類型[8-9]：

(1)結(jié)構(gòu)型車轍：主要是由于路面基層和路基的強(qiáng)度不夠，在車輛荷載的作用下，路面基層及路基變形引起的。其結(jié)構(gòu)特征為車轍寬度較大，兩側(cè)沒有明顯的隆起，橫斷面呈U字形。

(2)失穩(wěn)型車轍：主要是在高溫條件下，荷載應(yīng)力超過瀝青混合料所能承受的穩(wěn)定性應(yīng)力極限，發(fā)生流動變形并不斷累積所形成的。

(3)磨耗性車轍：由于瀝青路面頂層的材料在車輪磨耗和自然環(huán)境因素下不斷的磨蝕形成的，尤其是冬季埋釘輪胎形成的磨損性車轍。

車轍給行車安全帶來了隱患，也使得某些路面功能受到了損壞。以排水路面為例，車轍造成的結(jié)構(gòu)形變，將使其空襲特征發(fā)生改變，進(jìn)而影響滲透排水等性能[10-11]。因此，有必要對各路面類型展開抗車轍性能的研究。

2 研究內(nèi)容

為探索溫度變化對瀝青混合料抗車轍性能的影響規(guī)律，論文將根據(jù)不同類型的瀝青混合料在不同溫度條件下的車轍試驗結(jié)果，歸納分析瀝青混合料動穩(wěn)定度隨試驗溫度的變化規(guī)律，為工程應(yīng)用提供參考。

3 原材料及研究方法

3.1 原材料

論文采用三種不同的瀝青混合料，包括AC-13、Sup-13以及OGFC-13。為保證對照試驗效果，在三種瀝青混合料的制備過程中均采用相同的集料及瀝青類型。各原材料技術(shù)指標(biāo)如下：

(1)集料

論文采用的粗集料類型為天然集料，采用的是各粒徑范圍內(nèi)的玄武巖，技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表1所示。

表1 玄武巖集料技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

(2)瀝青

由于OGFC混合料屬于骨架空隙型結(jié)構(gòu)，對結(jié)合料的技術(shù)要求較高。因此需要在基質(zhì)瀝青加入高粘改性劑進(jìn)行改良。論文采用70#瀝青作為基質(zhì)瀝青，并以10%的摻量分別制備TPS高粘改性瀝青。

樣品制備按如下方法：

①加熱基質(zhì)瀝青(基質(zhì)瀝青為普通瀝青時加熱到約180℃，基質(zhì)瀝青為改性瀝青時加熱到約190℃)，然后摻入設(shè)計摻量的改性劑，同時使用玻璃棒攪拌均勻。

②將盛有試樣的容器放到高速剪切機(jī)下，控制試樣溫度在180～190℃之間(改性瀝青溫度適當(dāng)提高5～10℃)，調(diào)整轉(zhuǎn)速到3500轉(zhuǎn)/min，持續(xù)剪切30min。

③關(guān)閉高速剪切機(jī)，將制備好的改性瀝青放入180℃烘箱中發(fā)育約20min即可。

論文對摻入改性劑前后的瀝青粘結(jié)料進(jìn)行了性能檢測，其中：基質(zhì)瀝青的各項性能指標(biāo)如表2所示，利用TPS改性后的高粘度改性瀝青技術(shù)指標(biāo)如表3所示。

(3)纖維

論文采用的纖維為木質(zhì)素纖維，其技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表4所示。

表2 基質(zhì)瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

表3 TPS高粘度改性瀝青技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

表4 木質(zhì)纖維技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

(4)填料

論文采用的填料為石灰?guī)r礦粉，其技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果如表5所示。

表5 礦粉技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果

3.2 級配

各混合料的級配如表6所示。

表6 混合料級配

3.3 試驗方法

論文設(shè)定在45℃、60℃和75℃的試驗條件下進(jìn)行車轍試驗。主要步驟包括：將成型后放置48h的試件置于輪轍試驗儀的試驗臺上，并將恒溫箱內(nèi)溫度設(shè)置為預(yù)設(shè)溫度，預(yù)熱5h。并將膠輪碾壓速度設(shè)置為42次/min，試驗時長為1h。

利用動穩(wěn)定度評價車轍試驗結(jié)果。動穩(wěn)定度的計算公式為：

式中：DS—動穩(wěn)定度，次/mm；

d1—荷載作用時間t1時永久形變，mm；

d2—荷載作用時間t2時永久形變，mm；

C1—試驗機(jī)類型修正系數(shù)，曲柄連桿驅(qū)動的變形行走方式為1.0，鏈驅(qū)動為1.5，論文中取1.0；

C2—試件系數(shù)，寬度為300mm的試件取1.0，寬度為150mm的試件取0.8，論文中取1.0；

t1=45min，t2=60min。

4 試驗結(jié)果分析

收集并計算各個環(huán)境溫度下不同瀝青混合料的動穩(wěn)定度，并將試驗結(jié)果列于表7中。

表7 各試驗組動穩(wěn)定度測試結(jié)果(單位：次/mm)

為將動穩(wěn)定度隨溫度的變化表現(xiàn)得更為明顯，將表7中的數(shù)據(jù)列于圖1中。

圖1 不同溫度下瀝青混合料動穩(wěn)定度

從圖1中可以看出，隨著溫度的增加，瀝青混合料的動穩(wěn)定度變化規(guī)律較為明顯。當(dāng)溫度變化時，各類型的瀝青混合料均呈現(xiàn)指數(shù)下降的規(guī)律，瀝青混合料的動穩(wěn)定度隨溫度變化的規(guī)律如圖中所示。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于，瀝青屬于熱敏性材料，隨著溫度的升高，瀝青的流動性增強(qiáng)，若此時荷載作用于混合料時，瀝青對集料的粘結(jié)作用較弱，無法抵抗外界的剪切應(yīng)力，集料易發(fā)生移位，進(jìn)而表現(xiàn)出車轍。

對比不同類型的瀝青混合料的動穩(wěn)定度隨溫度的變化情況來看，Sup-13瀝青混合料在各個試驗溫度條件下的動穩(wěn)定度均高于另外兩種，因此可以判斷Sup-13瀝青混合料具有更高的動穩(wěn)定度。比較而言，AC-13瀝青混合料的動穩(wěn)定度較低，主要由于AC-13瀝青混合料屬于懸浮密實型瀝青混合料，瀝青組分較大，當(dāng)瀝青受熱發(fā)生軟化時，瀝青混合料的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及穩(wěn)定性較易受影響。因此，在重載交通量較大的路段，建議采用Sup-13瀝青混合料作為面層材料。

分析不同類型的瀝青混合料動穩(wěn)定度變化規(guī)律可知，隨著溫度從45℃變化為75℃時，Sup-13的瀝青混合料的動穩(wěn)定度由65785次/mm下降至1189次/mm，降幅為98.2%；AC-13混合料的動穩(wěn)定度由56676次/mm下降至1034次/mm，降幅為98.2%；OGFC-13混合料的動穩(wěn)定度由63878次/mm下降至1108次/mm，降幅為98.3%。由此可知，溫度對路面抗車轍的性能影響較大。

5 總結(jié)

通過試驗可知，當(dāng)瀝青混合料溫度由45℃上升至75℃時，各類型瀝青混合料的動穩(wěn)定度均下降98%以上。因此，當(dāng)溫度上升至一定程度時，瀝青混合料的抗車轍性能將發(fā)生較大的變化。在工程應(yīng)用中，需關(guān)注瀝青混合料的這一點特性，減少瀝青路面車轍發(fā)生概率及其對交通安全的危害。