材料参数对沥青混合料高温稳定性的影响_朱梦良

JournalofChangshaUniversityofScienceandTechnology(NaturalScience)Vol.4No.1Mar.2007

文章编号:1672-9331(2007)01-0018-06

材料参数对沥青混合料高温稳定性的影响

朱梦良,赵 静

(长沙理工大学公路工程学院,湖南长沙 410076)

摘 要:为了提高国内高速公路沥青路面的高温稳定性,针对沥青路面中面层常用的19型沥青混合料,分析了集料级配、沥青类型、沥青用量、空隙率等材料参数以及压实方法、实验温度等因素对19型沥青混合料高温稳定性的影响.试验结果表明,沥青混合料的抗高温车辙受集料级配和沥青性能的双重影响,同时采用油石比在最佳油石比基础上低0%~0.3%和4%的空隙率时,沥青混合料的高温稳定性最好.关键词:沥青;混合料;高温稳定性;车辙中图分类号:U416.217

文献标识码:A

Influenceofthematerialparametersonthehigh2temperature

stabilityofasphaltmixture

ZHUMeng2liang,ZHAOJing

(CollegeofHighwayEngineering,ChangshaUniversityofScienceandTechnology,Changsha410076,China)

Abstract:Inordertoimprovethehigh2temperaturestabilityofNo.19asphaltmixture,theauthorsanalyzedtheinfluenceoftheaggregategrading,thetypesofasphalt,thedosageofasphalt,thecrev2icerate,themethodsofcompaction,andexperimenttemperatureonthehigh2temperaturestabilityofasphaltmixture.Theexperimentsindicatethatboththeaggregategradingandtheperformanceofasphalthavetheinfluenceonthehigh2temperaturestabilityofasphaltmixture.Whenthebestasphalt2aggregateratiois0%~0.3%andthecreviceratiois4%,thehigh2temperaturestabilityofasphaltmixtureisbest.

Keywords:asphalt;mixture;high2temperaturestability;rutting 由于全球气候变暖,我国大部分地区气温持续升高,加上经济高速发展使交通量急剧增长,因此引发了较严重的路面车辙.在解决沥青路面高温车辙问题时,应从结构整体、整个结构层次上考虑改善其高温稳定性,但国内往往从经济方面考虑较多.为了节省投资,工程实践中常有如下倾向:¹希望通过调整沥青混合料级配来改善其高温稳定性;º在表面层采用改性沥青的同时,忽略了中面层的高温稳定性.虽然表面层采用了改性沥青,但车辙仍很严重,个别路段不到一年就进行 收稿日期:2006-09-11

作者简介:朱梦良(1963-),男,湖南沅江人,长沙理工大学教授,主要从事公路材料方面的研究.

大范围维修,而使用两层改性沥青的路段则完好无损,基本上解决了高温问题;»较低的油石比.这些手段的运用在某些情形下是有效的,但对于天气炎热、交通量大、超载严重的情形,恐怕就难以奏效.沥青路面温度测试表明,高温季节时,中面层的温度也很高,因此应加强中面层的高温稳定性设计.遇到天气炎热、交通量大、超载严重的情形,普遍采取表面层使用改性沥青的技术措施,从经济角度考虑对中面层采取较常规的技术手段,如优选沥青混合料类型、低油石比等,一旦这

第4卷第1期朱梦良,等:材料参数对沥青混合料高温稳定性的影响

19

些措施不能奏效,最终的结果是中面层车辙大幅度增加,使路表凹陷,因而不得不将表面层、中面层一同洗刨重铺,因此维修费用奇高.所以在一些特殊条件下,沥青路面中面层的高温稳定性问题应引起高度重视.本研究将针对国内高速公路沥青路面中面层常用的19型沥青混合料类型,从材料参数角度进行实验分析,评价改善沥青混合料高温稳定性的有效性,以提供最有效的处治方法.

的因素占70%,而沥青的因素仅占30%.在集料因素方面,集料的级配有重大的影响.集料级配决定了矿料颗粒间嵌挤力的大小及混合料密实程度,因此它直接影响沥青混合料的高温稳定性[1].一般认为,4.75mm筛孔通过率是影响沥青混合料结构组成形态的重要因素.

SUP-19(Superpave),AC-20,SAC-19(多碎石沥青混凝土)的级配范围如表1所示.不难看出,这3种混合料在2.36~4.75mm区域的通过率存在较大的差异,其中SUP219,SAC-19的级配明显偏粗.

%

1 19型沥青混合料的级配差异性分析

有研究认为,沥青混合料的高温稳定性,集料

表1 19型沥青混合料的矿料级配范围(通过率)

筛孔直径/mm

类 型

26.50

上限

AC-20

中值下限上限

SAC-19

中值下限上限

SUP-19

中值下限

100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0

19.00100.095.090.0100.097.595.0100.097.595.0

16.0090.085.080.094.086.078.090.085.080.0

13.2081.074.568.083.074.566.081.074.568.0

9.5057.063.570.066.058.551.072.0.557.0

4.7536.042.9.040.035.030.058.053.9.0

2.3635.029.023.031.026.522.046.040.535.0

1.1822.018.014.024.020.016.034.031.028.0

0.6017.013.09.020.016.012.027.024.021.0

0.3014.09.55.017.013.510.020.017.014.0

0.15010.06.53.015.011.58.014.011.08.0

0.0756.04.02.010.08.06.08.06.55.0

本实验所采用的级配以SUP-19,AC-20,SAC-19的中值为基础配制而成.其中,沥青为韩国SK重交通70#,各项性能指标符合规范要求,粗细集料为石灰岩碎石,矿粉由石灰岩磨细而成.

从马歇尔实验结果(见表2)来看,在体积参数、稳定度、流值相近的情况下,SAC-19的油石比最小,而SUP-19的油石比最大,这充分说明了SAC-19具有相当高的经济性.这3种混合料

在25e时的单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、摩阻角H和粘结力C差异很小(见表3),AC-20的各参数稍大.车辙试件的测试结果见表4.这3种混合料在60e时的动稳定度存在一定的差异.其中,SUP-19比AC-20的动稳定度高11.7%,SAC-19比AC-20的动稳定度高20.9%,且SAC-19的表面构造深度较大.

表2 19型沥青混合料马歇尔实验结果

混合料类 型AC-20SUP-19SAC-19

油石比/%4.584.6.20

空隙率/%3.533.813.17

视密度/(g#cm-3)2.3822.3812.411

矿料间隙率

/%13.9514.2213.70

沥青饱和度

/%74.7073.2276.92

马歇尔稳定度

/kN15.4515.2315.66

流值/0.1mm33.7728.1334.53

从表2~4多项实验结果分析看,采用较粗的级配类型在一定程度上可以改善沥青混合料的高温稳

定性.但通过调整级配或选择粗型级配的方法来大幅度提高动稳定度是不切实际的.因此,某些重载交通、

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长沙理工大学学报(自然科学版)2007年3月

炎热地区的高速公路采用这类简易、经济的手段而频频出现严重的高温车辙就不足为奇了.

表3 19型沥青混合料抗压、劈裂实验结果

混合料油石比单轴抗压强劈裂抗拉强摩阻角H粘结力C类 型/%度/MPa度/MPa/rad/MPa类型也有一定的交互作用.如:改性沥青SAC-19的动稳定度就明显高于改性沥青AC-20的动稳定度,而改性沥青SUP-19的稳定度居二者之间.这说明沥青混合料的抗高温车辙能力受集料级配和沥青性能的双重影响,实践中可以采用双AC-20

4.58

6.521.020.8161.291SUP-194.655.1.050.7861.266SAC-194.20

5.83

1.01

0.786

1.205

注:¹以上实验温度均为25e;º摩阻角H与粘结力C按经验公式计算得出.

表4 19型沥青混合料车辙实验结果

混合料碾压次空隙率动稳定度DS渗水系数

构造深度

类 型数/次/%/(次#mm-1)/(mL#min-1)TD/mm

AC-20244.51175820.50.72SUP-19244.751928.60.79SAC-19

24

4.43

2126

18.3

0.92

2 沥青类型

沥青类型应根据环境气候、交通条件等合理选用,尤其是气温高、渠化交通的道路应选用较粘稠的符合重交通沥青技术要求的优质沥青和改性沥青.稠度较高的沥青,软化点高,温度稳定性好,在高温下仍能保持足够的粘滞性,使混合料具有一定的强度和劲度而不致出现过大的变形[2].

就改性沥青(SK+SBS)与基质沥青(SK)的对比实验(见表5)来看,使用改性沥青的SAC-19,AC-20,SUP-19沥青混合料比使用基质沥青的动稳定度分别高出3.37倍、2.76倍、2.85倍,因此沥青混合料的高温稳定性显著提高.

表5 改性与基质沥青混合料动稳定度实验结果

沥青混合沥青空隙率60e动稳定度提高幅度料类型种类/%DS/(次#mm-1)

/%SK4.661758100AC-20I

SK+SBS4.514846276SK4.432126100SAC-19

SK+SBS4.507159337SK4.6119100SUP-19

SK+SBS

4.75

5603

285

除沥青类型的作用外,混合料的级配与沥青

管齐下的对策.

3 油石比

将沥青用量在马歇尔方法确定的最佳油石比的基础上分别增加0.3%,0.6%和减少0.3%,0.6%的油石比(实验材料和级配不变),SAC-19,AC-20,SUP-19混合料的动稳定度实验结果见表6.从实验结果可以看出,SAC-19动稳定度的最大值就出现在最佳油石比为4.2%左右的位置;AC-20动稳定度曲线的峰值出现在稍微小于最佳油石比(4.58%)的位置.也就是说,最大的动稳定度也出现在最佳油石比减少0%~0.3%这个区间内,并随着沥青用量的增减,动稳定度均呈下降趋势;SUP-19的动稳定度最大值出现在大约4.5%左右,也就是在最佳油石比减少0%~0.3%这个区间内,并随着沥青用量的增减,动稳定度均呈下降趋势.

沥青含量对沥青混合料的热稳性有明显的影响.当沥青用量过少时,集料表面沥青膜过薄,混合料呈干枯状而缺乏足够的粘结力,不能形成高的强度,沥青混合料难以压实,使其抗车辙能力降低.当沥青用量增加,集料表面沥青膜增厚,自由沥青增多,自由沥青就如集料颗粒之间的润滑剂,使颗粒在荷载作用下易于滑动位移,使沥青混合料的稳定度降低.沥青用量过多往往是产生车辙的重要原因

[3]

.

在工程实践中,为了消除或减轻车辙的危害,往往采取降低油石比的方法.由于该方法更经济,施工单位也乐意采用.从本研究的结果来看,动稳定度与油石比之间呈现山峰状的曲线关系,且对油石比非常敏感,动稳定度的最大值出现在比最佳油石比低0%~0.3%的区域内.同时,过小的油石比会造成渗水率的急剧上升(见表6)而引起早期水损坏.因此,过分降低油石比是不行的.

第4卷第1期朱梦良,等:材料参数对沥青混合料高温稳定性的影响

21

表6 19型沥青混合料的车辙实验结果

混合料油石比空隙率类 型

/%3.603.90

SAC-194.20

4.504.803.984.28

AC-20

4.584.885.184.0.35

SUP-194.65

4.955.25

/%5.774.814.433.983.726.055.284.514.253.6.886.014.7.514.11

动稳定度

渗水系数

构造深度

4 空隙率

实验中,沥青混合料空隙率的变化主要是通过改变实验室试件成型时击实次数来实现的,而其他的实验条件,如沥青用量、拌和及成型温度等都保持不变.从表7可以看出,压实作用对空隙率及其他各项物理力学指标的影响都是非常显著的.随着压实功(击实次数)的减小,集料之间的嵌挤作用未充分形成,导致矿料间隙率也随之增大,沥青饱和度减小,空隙率也相应增大,从而影响到马歇尔稳定度及流值.同时,随着压实功(击实次数)的减小,25e时的单轴抗压强度、劈裂抗拉强度、摩阻角H和粘结力C均呈下降趋势(见表8),因此沥青混合料抗高温车辙的能力降低.

/(次#mm-1)/(mL#min-1)TD/mm

1081137021261330735739138417581305741751166919863590

92.836.418.38.31.385.633.220.514.31.5101.848.128.613.512.4

1.130.960.920.840.840.0.760.720.710.710.910.870.790.770.78

表7 19型沥青混合料马歇尔实验结果

混合料类 型

击实次数/次30

4560753045607530

SAC-19

456075

空隙率/%5.604.394.183.535.344.463.923.814.813.793.263.17

视密度/(g#cm-3)2.3312.3612.3662.3822.3432.32.3782.3812.3712.3962.4092.411

矿料间隙率/%15.7914.7114.5213.9515.5814.8014.3214.2215.1814.2713.8013.70

沥青饱和度/%.5670.1971.2574.7065.7769.9172.7173.2268.7673.4476.3676.92

马歇尔稳定度/kN11.38 13.17 13.86 15.45 8.50 11.83 12.93 15.23 11.47 12.83 13.34 15.66

流值/0.1mm35.8037.8728.0333.7727.2732.6326.2728.1344.7734.9730.3334.53

AC-20

SUP-19

表8 19型沥青混合料抗压、劈裂实验结果

混合料击实次单轴抗压强劈裂抗拉强摩阻角H粘结力C类 型

数/次30

AC-20

45607530

45607530456075

度/MPa4.626.186.486.524.585.235.695.834.855.145.505.

度/MPa0.841.041.081.020.880.991.041.010.720.931.011.05

/rad0.7660.7910.7960.8160.7390.7560.7580.7860.7560.70.7630.786

/MPa0.9831.21.3191.2911.0111.1291.2241.2050.9341.0951.1751.266

对于不同碾压次数(分别设置为碾压24次、18次、12次)的车辙试件,随着碾压次数的逐渐减少,混合料难以压实,空隙率明显增大,动稳定度显著降低(见表9).

表9 19型混合料不同碾压次数的车辙实验结果

混合料碾压次空隙率动稳定度DS类 型数/次SUP-19

24

1812

AC-20

241812241812

/%4.755.247.124.515.167.214.434.5.78

渗水系数

构造深度

/(次#mm-1)/(mL#min-1)TD/mm

1915006021758140159621261326665

28.4.2233.020.2.5246.018.331.2188.2

0.790.880.980.720.770.0.920.931.32

SAC-19

SUP-19

注:¹以上实验温度均为25e;º摩阻角H与粘结力C按经验公式计算得出.

SAC-19

22

长沙理工大学学报(自然科学版)2007年3月

当碾压次数减少到12次时(标准碾压次数为24次),SAC-19,AC-20,SUP-19型沥青混合料动稳定度分别只相当于碾压24次的21.3%,33.9%,30.7%,这说明压实对提高沥青混合料抗车辙能力是非常重要的.

碾压次数变化与油石比变化均对空隙率产生显著影响.其中,碾压次数增加、油石比增大均可显著降低空隙率;反之,则空隙率显著增大[4].本研究将碾压次数变化与油石比变化形成的不同空»AC-20(见图3):油石比的敏感性比碾压的敏感性更强,表现在碾压不够引起的空隙率增大与油石比偏小引起的空隙率增大(碾压次数正常的情况下)的动稳定度下降的速率不一样.同一空隙率时,油石比太小使动稳定度更小,这可能与AC混合料的细集料偏多、粗集料少有关.

隙率与动稳定度之间建立联系,其结果见图1~3.碾压次数变化与油石比变化对高温稳定性的影响具有如下规律:

¹SUP-19(见图1):碾压的敏感性比油石比的敏感性强,表现在碾压不够引起的空隙率增大与油石比偏小引起的空隙率增大(碾压次数正常的情况下)的动稳定度下降的速率不一样.同一空隙率时,碾压不足使动稳定度更小,这可能与Su2perpave混合料的粗集料骨架有关.

图1 SUP-19空隙率与动稳定度

ºSAC-19(见图2):碾压的敏感性与油石比的敏感性相当,表现在碾压不够引起的空隙率增大与油石比偏小引起的空隙率增大(碾压次数正常的情况下)的动稳定度下降的速率基本相近,说明碾压、油石比均是敏感的要素.

图2 SAC-19空隙率与动稳定度

图3 AC-20空隙率与动稳定度

从图1~3可知,SAC-19,AC-20混合料的空隙率为4.5%左右,SUP-19混合料的空隙率为5.0%左右时,它们具有较强的抗车辙能力.沥青混合料空隙率与其使用性能之间的关系一直受到各国道路工作者的关注.Ford等人的研究结果表明

[5,6]

,当沥青路面的空隙率过小时,在高温条

件与行车荷载的综合作用下,沥青混合料容易产生剪切变形,沥青路面出现车辙的概率增加.在美国西部环道Westrack足尺试验中

[7]

,当沥青路面

空隙率较大时,由于模拟车辆的作用,沥青路面将产生较大的压密变形.美国学者认为,沥青混合料

的空隙率为4%时,它的抗车辙能力最强.本研究的结论与美国学者的研究结论基本吻合.

5 温 度

我国规范规定车辙实验的温度为60e,这较好地反映了路面在高温季节的路面温度状况.但在我国南方部分地区,高温季节的实际路面温度远不止60e,有的地区甚至达到70e.因此,为了更好地反映路面使用过程中的实际温度情况,将车辙实验温度分别设为60,65,70e,以便检验各沥青混合料、特别是中面层各沥青混合料在更高温度下的抗车辙能力[8].不同实验温度车辙实验结果见表10.

从实验结果看,随着实验温度的升高,各沥青

混合料的动稳定度明显降低.至70e时,使用基

第4卷第1期朱梦良,等:材料参数对沥青混合料高温稳定性的影响

23

质沥青(SK)的混合料SAC-19,AC-20,SUP-19的动稳定度分别仅为60e时的39.5%,39.4%,.8%;而使用改性沥青(SK+SBS)的混合料SAC-19,AC-20,SUP-19的动稳定度分别为60e时的47.6%,34.2%,37.1%.但70e时改性沥青混合料的动稳定度为基质沥青混合料动稳定度的2~3倍,且远高于规范规定的高温稳定性指标,这充分说明了改性沥青可以显著地提1)从结构整体性、整个结构层次上改善沥青混合料的高温稳定性,对于高速公路三层式结构中中面层的高温稳定性不容忽视.

2)调整沥青混合料的级配可以提高抗高温车辙的能力,但改善的幅度极其有限.对于重载交通、炎热地区,仅采用调整级配的手段是远远不够的.双层改性沥青(上、中面层)方案是非常可靠的手段,该方案虽然初期投资增加了,但可以基本消高沥青混合料抗高温车辙能力.

表10 不同实验温度车辙实验结果

沥青类型

混合料类型

实验温度/e

动稳定度DS/(次#mm-1)

60

7159SAC-19

65375070340860

4846SK+SBS

AC-20

65231070165860

5603SUP-19

65248270208160

2126SAC-19

65107084060

1758SK

AC-20

6516597069360

19SUP-19

65175070

1078

道路的环境条件对沥青路面的高温稳定性有直接的影响.夏天持续高温常使沥青路面过分软化,导致路面的变形加剧.交通量的剧增,尤其是重载车辆的增加,也加速了路面的损坏.如果在高温季节,这种破坏现象将更为严重.

6 结 论

对于重载交通、炎热地区的路面工程,沥青混合料应具备足够的抗高温车辙能力.根据现有的技术条件和经济条件,在进行沥青混合料的配合比设计时,可以考虑如下措施:

除严重的车辙,早期维修急剧减少,从长远来看是十分合算的.

3)在沥青混合料配合比设计指标方面,实际采用的油石比宜处于比最佳油石低0%~0.3%的区域内.过小的油石比会造成渗水率的急剧上升,从而引起早期水损坏.过分降低油石比并不能改善其高温稳定性.SAC-19,AC-20混合料的设计空隙率取4.5%,SUP-19混合料的设计空隙率取5.0%时,具有较理想的抗车辙能力.

4)沥青混合料压实不够,空隙率明显增大,动稳定度显著降低.因此,压实对提高沥青混合料抗车辙能力是非常重要的.

1参考文献2

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