沥青高温稳定性概要.docx
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沥青高温稳定性概要
第八章沥青路面的高温稳定性
§8.1概述
沥青路面直接受车辆荷载和大气因素的影响，同时沥青混合料的物理、力学性质受气候因素与时间因素影响较大，因此为了能使路面给车辆提供稳定、耐久的服务，必须要求沥青路面具有一定的稳定性和耐久性。
其中稳定性包括高温稳定性、低温抗裂性以及水稳定性。
由于沥青路面的强度与刚度（模量）随温度升高而显著下降，为了保证沥青路面在高温季节行车荷载反复作用下，不致产生诸如波浪、推移、车辙、拥包等病害，沥青路面应具有良好的高温稳定性。
表8-1和表8-2为强度、刚度与温度间关系两例：
沥青混凝土强度与温度的关系表8-1
温度（℃）
+50
+20
0
-10
-35
抗压强度（MPa）
1~2
2.5~5
8~13
10~17
18~30
沥青混凝土的蠕变劲度S和回弹模量E与温度的关系表8-2
温度（℃）
+50
+45
+40
+35
+30
+25
+20
S（MPa）
75
109
142
176
232
288
344
E（MPa）
223
361
516
683
790
895
999
沥青路面高温稳定性习惯上是指沥青混合料在荷载作用下抵抗永久变形的能力。
稳定性不足的问题，一般出现在高温、低加荷速率以及抗剪切能力不足时，也即沥青路面的劲度较低情况下。
其常见的损坏形式主要有：
1）推移、拥包、搓板等类损坏主要是由于沥青路面在水平荷载作用下抗剪强度不足所引起的，它大量发生在表处、贯入、路拌等次高级沥青路面的交叉口和变坡路段。
2）车辙。
对于渠化交通的沥青混凝土路面来说，高温稳定性主要表现为车辙。
随着交通量不断增长以及车辆行驶的渠化，沥青路面在行车荷载的反复作用下，会由于永久变形的累积而导致路表面出现车辙，车辙致使路表过量的变形，影响了路面的平整度；轮迹处沥青层厚度减薄，削弱了面层及路面结构的整体强度，从而易于诱发其它病害；雨天路表排水不畅，降低了路面的抗滑能力，甚至会由于车辙内积水而导致车辆飘滑，影响了高速行车的安全；车辆在超车或更换车道时方向失控，影响了车辆操纵的稳定性。
可见由于车辙的产生，严重影响了路面的使用寿命和服务质量。
3）泛油是由于交通荷载作用使混合料内集料不断挤紧、空隙率减小，最终将沥青挤压到道路表面的现象。
如果沥青含量太高或者空隙率太小这种情况会加剧。
沥青移向道路表面令路面光滑，溜光的路面在潮湿气候时抗滑能力很差。
沥青路面在高温时最容易发生泛油，因此限制沥青的软化点和它在60℃时的粘度可减少泛油情况的发生。
总之，车辙问题是沥青路面高温稳定性良好与否的集中体现，《公路沥青路面设计规范》（JTJ014-97）规定“对于高速公路、一级公路的表面层和中面层的沥青混凝土作配合比设计时，应进行车辙试验，以检验沥青混凝土的高温稳定性。
”因此，本章将对沥青路面的车辙作详细地阐述。
§8.2沥青路面车辙形成与标准
§8.2.1车辙形成机理
车辙是沥青路面在汽车荷载反复作用下产生竖直方向永久变形的累积。
这种变形主要发生在高温季节。
在渠化交通的重交通道路上，当沥青路面采用半刚性基层时，车辙主要发生在沥青面层，其它各层的变形仅占很小部分。
根据车辙形成原因不同，可将其分为三大类型。
1）失稳型车辙
这类车辙是目前研究的主要对象。
它是由于沥青路面结构层在车轮荷载作用下，其内部材料的流动产生横向位移而产生。
通常发生在轮迹处。
当沥青混合料的高温稳定性不足时，在外力的作用下就会产生这种车辙。
2）结构型车辙
这类车辙是由于路面结构在交通荷载作用下产生整体永久变形而形成。
这种变形主要由于路基变形传递到面层而产生。
3）磨耗型车辙
由于沥青路面结构顶层的材料在车轮磨耗和自然环境因素作用下持续不断地损失形成，尤其是汽车使用了防滑链和突钉轮胎后，这种车辙更容易发生。
三种类型车辙中以失稳型车辙最严重，其次为磨耗车辙。
由于大多数沥青路面均采用半刚性材料的基层，结构型车辙产生较少，故一般情况下所指的车辙是失稳型车辙。
纵观车辙形成过程可简单地分为三个阶段：
1）开始阶段的压密过程
沥青混合料在被碾压成型前是由骨料、沥青及空气组成的松散混合物，经碾压后，高温下处于半流动状态的沥青及沥青与矿粉组成的胶浆被挤进矿料间隙中，同时骨料被强力排列成具有一定骨架的结构。
碾压完毕交付使用后，当汽车荷载作用时，此密实过程还会有进一步发展。
2）沥青混合料的流动
高温下的沥青混合料处于以粘结为主的半固体，在轮胎荷载作用下，沥青及沥青胶浆便产生流动，从而使混合料的网络骨架结构失稳。
这部分半固态物质除部分填充混合料空隙外，还将随沥青混合料自由流动，从而使路面受载处被压缩而变形。
3）矿质骨料的重排及矿质骨架的破坏
高温下处于半固态的沥青混合料，由于沥青及胶浆在荷载作用下首先流动，混合料中粗、细骨料组成的骨架逐渐成为荷载直接作用下会沿矿料间接触面滑动，促使沥青及胶浆向富集区流动，以致流向混合料自由面，特别是当个骨料间沥青及胶浆过多时，这一过程会更加明显。
由此可见，车辙形成的最初原因是压密及沥青高温下的流动，最后导致骨架的失稳，从本质上讲就是沥青混合料的结构特征发生了变化。
§8.2.2车辙影响因素
影响沥青路面车辙的因素主要有集料、混合料、混合料类型、荷载、环境等，现分述如下；
（1）沥青性质的影响
在理论上，产生变形会贯穿整个路面结构，实际上沥青混合料的热传导性很低，大部分是属于磨耗层的塑性变形，这可在动态或静止的交通荷载情况下发生，尤其是由于刹车、起动加速或车辆转弯而产生了剪切应力。
影响塑性变形的首要因素是沥青混合料的成分，但是对已知混合料成分的性能将在于沥青的粘度。
塑性变形在高温使用下最大，60℃可以视为现场的最高允许温度，在这温度重复的短暂载荷所累积的效果有赖于沥青的粘度。
1976年英国经历了漫长的夏季高温，热拌沥青混凝士道路磨耗层在这段期间造成的车辙估计是正常夏季的2—4倍。
沥青针入度指数PI值的重要性已由英国康布鲁克（Colnbrook）公路支线上所进行的严格而全面性的路段试验予以证实。
被试验热拌道路磨耗层路段的混合料使用了不同流变性能的沥青。
图8-1显示了8年后在道路上形成的车辙深度与沥青PI值的关系，使用较高PI值的沥青显著有其优越性。
数个实验室的研究显示利用单轴无侧限蠕变压缩试验可以预测车辙所发生的变形。
沥青混合料劲度（Smix）对沥青劲度（Sbit）的蠕变曲线可以用作比较不同的混合料，如果温度和载荷条件相同，还可以预测相应的变形情况。
标准的热拌沥青混凝士磨耗层蠕变曲线的形状在大部分范围内近似于一条斜率为0．25的直线，则：
已知两种不同的混合料的Sbit比值，则：
Smix的比值=（Sbit的比值）0.25
如果沥青混合料用于相似的道路结构及具同等的交通量，则:
已知两种混合料的Smix比值，那么:
变形的比值=的比值
利用上述相互关系便可以比较出沥青针入度以及PI值变化的影响。
以上述为计算基础把50号针入沥青的变形作为一个数据单位，如果在同样温度和同等载荷的情况下，30号针入沥青的变形该是0．75单位。
这也假设在载荷情况该有同样的粘度和劲度。
相反地，如用100号针入沥青，变形将成为1．5单位，显然用较硬的沥青略可改善它的抗变形能力。
图8-1沥青针入度指数与车辙之间的关系
增加沥青针入度指数PI值可有效地提高变形抵抗能力。
例如某针入度为40和PI值为-0．5的沥青在40℃时的粘度为4×104Pa．s，而另一个相同针入度的沥青若PI值为+0．2
的话，在40℃时粘度将变成6×105Pa．S。
使这沥青的粘度的相对比值增加15倍而这两种沥青的劲度也有所而不同。
如此运用上述0．25乘方公式，沥青混合料劲度将增加到2。
也就是说，用针入指数十2．0的沥青制造的混合料比一般的沥青混合料的变形少一半。
图8-2显示了上述理论关系还绘出了相对变形与针入指数的关系。
也清楚地看出这理论关系与实验室模拟车辙试验以及全面的道路试验结果相吻合。
图8-2针入度指数与变形率之间的关系
沥青性质与马歇尔试验及车辙试验的相互关系表明，沥青针入度与马歇尔稳定度的相关性很差，而软化点与马歇尔稳定度及车辙试验的变形之间的相关系却很良好（见图8-7a、8-7b、8-7c）。
软化点每增加5℃，马歇尔稳定度便会增加1．3KN以上，车辙试验速率则减近半。
图8-7a图8-7b
图8-7c
使用耐热沥青是提高沥青混合料耐热性和抗剪切变形能力的最重要的因素之一。
耐热沥青这种优良特性，其粘度和内聚力在路面使用温度范围内变化很小。
为使沥青混合料冬季不会太脆，沥青就不应太稠。
同时为了使沥青混合料具有必要的耐高温变形能力，沥青同时应具有较高的软化点。
因此为了保证沥青混合料必要的抗裂性和耐热性，必须使沥青在较大针入度情况下具有较高的软化点。
近年来，许多国家在沥青中加入聚合物质和橡胶粉，以改善沥青在使用温度范围内的结构力学性质，提高抗变形能力。
根据气候状况、交通量大小、沥青混合料的种类及其使用的矿质材料的特性等，正确地选用沥青是获得夏季能抗剪切变形、冬季能抗裂的那种沥青混合料的重要条件。
2）矿质材料性质的影响
矿质材料的性质对沥青混合料耐热性的影响，主要是从它与沥青的相互作用表现出来，能够与沥青起化学吸附作用的矿质材料，能够提高沥青混合料的抗变形能力。
例如，石灰岩材料颗粒表面，起化学吸附相互作用的薄层沥青的内聚力，大大超过了花岗岩颗粒表面上沥青的内聚力。
而随沥青内聚力的增大，沥青混合料的强度和抗变形能力也就提高。
在矿质混合料中，对沥青混合料耐热性影响最大的是矿粉。
因为矿粉具有最广大的表面，特别是活化矿粉，影响更为明显。
用石灰岩轧磨的矿粉配制的沥青混合料具有较高的耐热性，而含有石英岩矿粉的沥青混合料耐热性较低。
活化矿粉对提高沥青混合料的抗剪切能力起特殊作用。
由于活化的结果，改变了矿粉与沥青相互作用条件，改善了吸附层中沥青的性能，从本质上改善了沥青混合料的结构力学性质。
活化矿粉与沥青相互作用形成两个特点：
形成了较强的结构沥青膜，大大提高了沥青的粘聚力；降低沥青混合料的部分空隙率，因而降低了自由沥青的含量，这对沥青混合料抗剪切能力有很大的提高。
3）沥青混合料塑性的影响
沥青混合料产生塑性变形的能力称为塑性。
沥青混合料的塑性对路面抗剪强度有很大的影响：
塑性越大，抗剪强度就越低，高温下抗变形的能力就越小。
塑性取决于沥青混合料的种类和级配，以及沥青混合料中沥青与矿粉的比例。
在一般情况下，细骨料的沥青混合料比粗骨料的塑性大，碎石数量少的沥青混合料比碎石多的塑性大；混合料中自由沥青越多，塑性越大；空隙率小的混合料比空隙大的高温塑性要大。
沥青混合料的塑性可用塑性系数表示。
H。
H伊万诺夫建议，用试件在不同形变速度下产生的强度比值来表征沥青混合料的塑性。
随着沥青混合料塑性的增大，不同速度下抗压强度的比值也增大。
反之，比值随塑性的降低而减小。
抗压强度和变形速度的关系可用下式表示。
R=R0
式中：
R——速度为V时的抗压强度；
R0——速度为V0时的抗压强度；
K——表征沥青混合料塑性的系数。
对上式取对数，求得：
K=
因此，为了求得塑性系数，必须测出两种不同变形速度下的抗压强度。
两种速度中的一个可取3mm/min，另一个应该小得多。
伊万诺夫建议取0.5mm/min,一般速度之比不应超过10。
这样，沥青混凝土路面中塑性系数K应不大于0.17。
4）矿料级配的影响
沥青混合料的矿料级配，对路面抗剪强度的影响很大。
矿料级配选择良好的碎石沥青混凝土（中粒式、细粒式）比一般使用的沥青砂塑性小得多，因此抗剪强度较高。
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