瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響因素

1、瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性的影響因素,試 講 人: 王清,第一部分 概述,由于交通量的增長(zhǎng)、軸載增加、超載嚴(yán)重、車輛渠化交通、近年來(lái)持續(xù)高溫天氣等因素的綜合影響，車轍已經(jīng)成為瀝青路面早期破壞中最嚴(yán)重的破壞形式，根據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)資料，在需要維修的瀝青路面中，有80%以上都是由車轍變形引起的。為了延長(zhǎng)路面的使用壽命，本節(jié)主要研究產(chǎn)生瀝青路面車轍的影響因素，從而有針對(duì)性的預(yù)防或減少車轍的產(chǎn)生，已成為最引人關(guān)注的問題。 車轍是指沿道路縱向在車輛集中通過(guò)位置處路面產(chǎn)生的帶狀凹槽。車轍造成路表產(chǎn)生過(guò)量的變形，影響路面的平整度;輪跡處瀝青層厚度減薄，削弱了面層及路面的整體強(qiáng)度，從而易于誘發(fā)其它病害;雨天路表排水不暢

2、，降低了路面的抗滑能力，導(dǎo)致駕駛換向困難，甚至?xí)捎谲囖H內(nèi)的積水而導(dǎo)致車輛飄滑;北方冬季出現(xiàn)負(fù)溫時(shí)，由于轍槽內(nèi)積水結(jié)冰，使路面的抗滑能力大幅度降低，容易發(fā)生交通事故。,第一部分 概 述,第一部分 概述,高 速 雨 后 的 轍 槽,高速車轍嚴(yán)重路段,影響瀝青路面車轍產(chǎn)生的原因很多，歸結(jié)起來(lái)可分為內(nèi)因、外因及其它因素3大類。內(nèi)因主要反映在材料本身的質(zhì)量上，如瀝青類型、瀝青用量、集料的性質(zhì)、混合料類型、空隙率等;而外因則主要包括氣候條件和交通條件;其它因素則是指路面基層和路面結(jié)構(gòu)組成及其施工質(zhì)量對(duì)路面車轍的影響。當(dāng)內(nèi)因、外因及其它因素結(jié)合在一起時(shí)就會(huì)對(duì)瀝青路面車轍的形成產(chǎn)生綜合影響。 一、材料 1、

3、級(jí)配類型的影響 礦料級(jí)配決定了礦料顆粒間嵌擠力的大小及混合料密實(shí)程度，對(duì)路面的抗剪強(qiáng)度影響很大。有研究表明，瀝青混合料的高溫抗車轍能力有60%依賴于級(jí)配的嵌擠作用，瀝青結(jié)合料粘結(jié)性能只能有40%的貢獻(xiàn)。據(jù)SHRP的研究，在通常情況下，合理的密級(jí)配混合料的高溫穩(wěn)定性要優(yōu)于間斷級(jí)配混合料(SMA例外)。,第二部分 影響因素,第二部分 影響因素,第二部分 影響因素,形成骨架結(jié)構(gòu)的級(jí)配受溫度變化影響較小，有較好的抗車轍能力，而懸浮型結(jié)構(gòu)抗車轍能力較差。東南大學(xué)的陳旭慶認(rèn)為，當(dāng)粗集料的含量在68%-72%時(shí)，所形成的瀝青混合料屬于骨架密實(shí)型，粗集料的含量72%以上時(shí)，形成的瀝青混合料屬于骨架空隙型，粗集

4、料的含量小于68%時(shí)，瀝青混合料的結(jié)構(gòu)屬于懸浮密實(shí)型 集料的粒徑對(duì)瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性有相當(dāng)?shù)挠绊?，傳統(tǒng)的想法認(rèn)為，集料越粗對(duì)抗車轍越有利，但車轍試驗(yàn)表明，在最佳瀝青含量時(shí)，中粒式瀝青混凝土車轍最小，細(xì)粒式次之，粗粒式車轍最大，由此可見，單純?cè)龃蟮V料粒徑不一定能改善混合料高溫穩(wěn)定性。,第二部分 影響因素,2、瀝青性質(zhì)的影響 在瀝青性質(zhì)中，影響瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的主要指標(biāo)有:針入度、針入度指數(shù)、粘度、軟化點(diǎn)、蠟含量等。 針入度愈大，結(jié)合料的粘結(jié)力愈小，瀝青混合料的抗車轍能力越差。但25的針入度與瀝青混合料的抗車轍性能相關(guān)性較小，需要與其它指標(biāo)配合使用才能說(shuō)明瀝青結(jié)合料的高溫性能。 針入度指數(shù)

5、描述了瀝青粘度隨溫度變化的幅度，是瀝青使用性能的核心指標(biāo)，溫度敏感性越低，形成的瀝青混合料相應(yīng)具有更好的高溫穩(wěn)定性能，增加瀝青針入度指數(shù)PI值可有效地提高瀝青混合料的抗變形能力， 瀝青的軟化點(diǎn)是瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，軟化點(diǎn)高意味著瀝青的等粘溫度高，混合料高溫穩(wěn)定性好。有研究表明，瀝青軟化點(diǎn)與車轍試驗(yàn),第二部分 影響因素,的動(dòng)穩(wěn)定度之間存在較好的相關(guān)關(guān)系，軟化點(diǎn)每提高5 ，車轍率減半。軟化點(diǎn)分為實(shí)測(cè)軟化點(diǎn)和當(dāng)量軟化點(diǎn)，后者排除了蠟的影響，更能充分反映結(jié)合料的高溫抗車轍性能。 瀝青的粘度對(duì)瀝青混合料的抗車轍能力有明顯的影響，在一定溫度和加載速率下，瀝青粘度越大，與石料的粘附性越好，混合料

6、的粘滯阻力也越大，抗剪切變形能力越強(qiáng)，瀝青混合料抗車轍性能越好。高溫季節(jié)，瀝青路面的溫度可達(dá)50-70 ，所以瀝青60粘度與混合料的高溫穩(wěn)定性有較好的相關(guān)性。,第二部分 影響因素,蠟含量:瀝青中蠟的含量對(duì)瀝青的性質(zhì)有非常大的影響，含蠟量高的瀝青，當(dāng)溫度接近軟化點(diǎn)溫度時(shí)，蠟的熔融會(huì)引起瀝青粘度的明顯降低而使混合料失穩(wěn)。 近年來(lái)，為了改善瀝青的路用性能，許多國(guó)家在瀝青中加入聚合物質(zhì)和橡膠粉，以改善瀝青在使用溫度范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)力學(xué)性質(zhì)，提高抗變形能力。,第二部分 影響因素,3、瀝青用量的影響 混合料中的瀝青用量對(duì)高溫穩(wěn)定性有明顯的影響。瀝青混合料中的瀝青以結(jié)構(gòu)瀝青和自由瀝青兩種方式存在，在瀝青混合料中

7、，如果礦物顆粒之間接觸處是由結(jié)構(gòu)瀝青膜所聯(lián)結(jié)，會(huì)使瀝青具有更高的粘度和更大的擴(kuò)散溶化膜接觸面積，因而可以獲得更大的粘聚力。當(dāng)瀝青用量過(guò)少時(shí)，集料表面瀝青膜過(guò)薄，混合料呈干枯狀態(tài)而缺乏足夠的粘結(jié)力，不能形成高的強(qiáng)度，高溫穩(wěn)定性差。 增加瀝青用量，混合料粘結(jié)力增強(qiáng)，高溫穩(wěn)定性隨之提高。然而當(dāng)達(dá)到最佳瀝青用量以后，瀝青用量進(jìn)一步增加，集料表面瀝青膜增厚，自由瀝青增多，潤(rùn)滑能力增 強(qiáng)，顆粒在荷載作用下易于滑動(dòng)移位，高溫穩(wěn)定性降低。,第二部分 影響因素,另一方面，若瀝青用量偏低又會(huì)使得混合料過(guò)于堅(jiān) 硬而難以壓實(shí)，也影響瀝青路面的抗車轍能力。我國(guó) 公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范規(guī)定，在夏季炎熱的高溫地區(qū)，在配合

8、比設(shè)計(jì)得出的最佳瀝青用量OAC的基礎(chǔ)上，減少0.3%之后的瀝青用量作為設(shè)計(jì)瀝青用量是適宜的。加大荷載可以使配合比設(shè)計(jì)確定的最佳瀝青用量減小。當(dāng)然瀝青用量減少將使碾壓困難，因此采用較小瀝青用量之后，通過(guò)重型壓路機(jī)碾壓成型的路面具有較好的高溫抗車轍能力。,第二部分 影響因素,4、集料性質(zhì)的影響 破碎、堅(jiān)硬、潔凈、紋理粗糙、多棱角、顆粒接近立方體的集料，相應(yīng)的瀝青混合料高溫性能就比較好。在礦質(zhì)混合料中，對(duì)瀝青混合料耐熱性影響最大的是礦粉。因?yàn)榈V粉具有最廣大的比表面，特別是活化礦粉，影響更為明顯。用石灰?guī)r軋磨的礦粉配制的瀝青混合料具有較高的耐熱性，而含有石英巖礦粉的瀝青混合料耐熱性較差。 集料性質(zhì)對(duì)瀝

9、青混合料抵抗車轍性能的影響，主要是從它與瀝青的相互作用中表現(xiàn)出來(lái)的，能夠與瀝青起化學(xué)吸附作用的集料，可以提高瀝青混合料的抗變形能力。,第二部分 影響因素,5、空隙率的影響 瀝青混凝土的抗剪強(qiáng)度取決于粘聚力和內(nèi)摩阻力，它們的熱穩(wěn)定性不僅與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，而且與混合料的空隙率有密切關(guān)系。空隙率較大的瀝青混合料，路面抗剪強(qiáng)度主要取決于內(nèi)摩阻力，而內(nèi)摩阻力基本上不隨溫度和加荷速度而變化，因此具有較高的熱穩(wěn)定性;空隙率較小的瀝青混合料路面，則相對(duì)來(lái)說(shuō)瀝青含量較大，當(dāng)溫度升高，瀝青膨脹，由于空隙率小，無(wú)瀝青膨脹之余地，則瀝青混合料顆粒被瀝青擠開，集料間的嵌擠力減小，同時(shí)溫度升高瀝青粘度降低，瀝青潤(rùn)滑作

10、用增大，粘聚力和內(nèi)摩阻力均降低，促使瀝青混合料抗變形能力的下降，空隙率小于3%的混合料發(fā)生車轍的可能性明顯增大。,第二部分 影響因素,研究表明，對(duì)于瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性，空隙率存在一個(gè)最佳值，當(dāng)空隙率低于最佳值，繼續(xù)減小空隙率，會(huì)使瀝青混合料抗車轍能力降低，當(dāng)空隙率高于最佳值時(shí)，繼續(xù)增大空隙率，則容易產(chǎn)生壓密變形。 二、氣候 溫度越高，瀝青混合料的模量越低，抗車轍能力越弱。有研究表明，在40 -60范圍內(nèi)，瀝青混合料的溫度上升5，其變形將增加2倍。,第二部分 影響因素,三、交通條件 交通條件對(duì)瀝青路面高溫性能的影響可以歸結(jié)為荷載、行車速度、車流渠化等。 行車速度越低，荷載作用時(shí)間越長(zhǎng)，相同交

11、通量所引起的路面變形越大。車轍調(diào)查數(shù)據(jù)也表明，在行車速度較慢的地方，如停車場(chǎng)、車站、交叉路段、長(zhǎng)大縱坡路段，收費(fèi)站以及其他交通擁擠的地方，都具有較大的車轍深度。關(guān)于渠化交通對(duì)車轍的影響，從不同等級(jí)路面的實(shí)際使用中可以看到，未形成渠化交通的道路，車轍很小或者基本無(wú)車轍出現(xiàn)，而形成渠化交通的道路，車轍要嚴(yán)重得多。,第二部分 影響因素,四、路面結(jié)構(gòu) 瀝青層厚度是車轍影響因素之一，傳統(tǒng)的看法認(rèn)為，厚度越大，車轍深度越大，但在瀝青厚度增加到一定的厚度以后，車轍深度便不再增加，一般認(rèn)為是臨界厚度25cm。 (1) 近年來(lái)，英國(guó)的1997年TRL報(bào)告Design of long-fife pavements

12、 for heavy traffic(1997)中報(bào)告了對(duì)英國(guó)51條干線公路的開挖調(diào)查結(jié)果:對(duì)于有充分厚度的瀝青路面，由于路床變形而產(chǎn)生車轍的可能性很小，變形僅限于瀝青層，當(dāng)瀝青層超過(guò)180mm時(shí)，兩者之間已不存在顯著的相關(guān)關(guān)系，充分說(shuō)明變形僅限于瀝青層上面層部分，瀝青層厚度大于180mm時(shí)，車轍發(fā)生的速率迅速降低，也就是說(shuō)，當(dāng)瀝青層厚度小于180m m時(shí)，增加瀝青層厚度會(huì)使車轍顯著增加，而瀝青層厚度超過(guò)180mm時(shí)，再增加厚度對(duì)車轍增大的影響就很小了。對(duì)于較厚的瀝青路面，車轍主要發(fā)生在瀝青層上部的10余厘米范圍內(nèi)。(2)美國(guó)2002年AASHTO設(shè)計(jì)指南通過(guò)對(duì)試驗(yàn)路的試驗(yàn)研究，對(duì)瀝青層的車轍

13、與,第二部分 影響因素,各種因素的關(guān)系得出了一系列結(jié)論，其中一個(gè)結(jié)論為:對(duì)于19厘米厚的瀝青面層，在6.3至7.6cm處，車轍變形發(fā)展到最大值，占了全部變形的80%，再往深處發(fā)展，各層位的車轍變形急劇減小，12.7cm以下，瀝青層的變形只占5%，這一結(jié)論是建立在美國(guó)82KN標(biāo)準(zhǔn)軸載基礎(chǔ)上的，對(duì)于我國(guó)100KN的標(biāo)準(zhǔn)軸載和超載嚴(yán)重的情況，影響深度會(huì)大得多。 (3)在對(duì)我國(guó)瀝青路面使用狀況的調(diào)查中，也發(fā)現(xiàn)兩條瀝青層最厚且未使用改性瀝青的京津塘高速公路(瀝青層厚20-25cm)和廣深珠高速公路(瀝青層厚大于30cm)，車轍情況并不嚴(yán)重，而與廣深珠高速公路相接的廣佛高速公路，氣候與交通量基本一致，只是瀝青層厚度要小一些，卻產(chǎn)生了較大的車轍。,第三部分 小結(jié),第三部分 本節(jié)小結(jié),影響瀝青混合 料高溫穩(wěn)定性 的主要因素,瀝青混合料,內(nèi)摩擦力,粘結(jié)力,1、瀝青性質(zhì)和工作溫度下的粘度 2、瀝青的感溫性 3、瀝青與礦料的粘結(jié)性 4、瀝青礦粉