阿喀高速公路AC20沥青混合料高温稳定性影响分析.docx

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阿喀高速公路AC20沥青混合料高温稳定性影响分析

阿喀高速公路AC-20沥青混合料高温稳定性影响分析

摘要：

本文首先介绍了沥青混合料的基本特性，对沥青混合料的高温稳定性进行了简单的描述，然后采用马歇尔击实成型试件的方法，并结合马歇尔沥青混合料设计体系，对阿喀高速公路三工区全破碎砾石目标AC-20C目标配合比设计，同时对实验结果进行分析。

最后针对级配对沥青混合料的高温稳定性进行了总体评价。

关键词：

沥青混合料；高温稳定性；配合比设计；级配

AchillesAC-20expresswayasphaltmixturehightemperaturestabilityanalysis

Abstract：

Thispaperfirstlyintroducesthebasiccharacteristicsofasphaltmixture,thehigh-temperaturestabilityofasphaltmixtureinasimpledescription,andthenbyMarshallcompactionmoldingmethod,andcombinedwiththeMarshallasphaltmixturedesignsystemonExpressway,AchillesareaofthethreewholebrokengraveltargetAC-20Ctargetmixdesign,atthesametimeontheresultoftheexperimentanalysis.Accordingtothegradationofasphaltmixturehightemperaturestabilityoftheoverallassessment.

Keywords:

Asphaltmixture;Temperaturestability;MixtureratioDesign;Gradation

1绪论

1.1立题的背景和研究意义

随着我国公路运输事业的蓬勃发展，公路建设日新月异，特别是改革开放以来，我国的高等级公路建设像雨后春笋般得到了突飞猛进的发展，沥青路面具有强度高、平整性能好、耐久性好等优点，而被广泛采用，占高等级公路路面的80%以上。

由于交通量的显著增加、车辆吨位的不断增大，致使道路在达到使用寿命前就出现了大量的车辙、拥包和裂缝，极大的影响了行车的安全性和交通的舒适性。

这对沥青路面的结构、材料以及各方面性能都提出了更高的要求。

这就给我们带来了新的课题，“如何选用优质的材料、采用更加合适的方法、设计出更加合理的沥青混合料”。

本文以阿喀高速路面咨询项目为依托，对面层AC-20沥青混合料配合比设计。

从沥青混合料配合比设计方法、试验手段和评价指标入手，分析级配对沥青混合料的高温稳定性影响问题，并且进行总体评价，以便推广，使修出的沥青路面的车辙、剪切等病害大大减少，提高路面使用性能，延长沥青路面的使用寿命，节约工程费用，具有重要的现实和经济意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

美国AASHO试验路研究期间，对车辙路段进行了开挖，Hofstra（1962）提出的报告认为产生车辙的主要原因是剪切应力，由此结果推荐使用高强度的路面材料。

Dorman（1965）发展了限制路基应变的标准，使用了弹性或粘弹性的层状体系来预测路面结构的永久变形。

Monismith（1971）对这种方法进行了进一步研究。

在第三届沥青路面结构设计国际会议上，Barkdale和Romain（1972）提出了层应变法（Layerstrainmethodology）。

第五届沥青路面结构设计国际会议（1982）以后，车辙问题的研究热点开始转移到面层上来。

Shields（1999）建立了沥青路面的非线性粘弹性低温应力松弛模型。

Ben（1999）对澳大利亚一条几百公里的道路进行了实测，并用统计学的方法对路面外形的资料进行了分析。

Weissman（1999）使用了一个小变形的模型来预测渠化和漫游交通车辙的不同。

这个模型包含了温度和荷载速率依赖，以及塑性组件，成功地预测了大多数路面的永久变形行为。

但对一些路面结构，预测结果和实际路面不相符合。

Weissman对简单剪切实验等进行了大量研究，认为试件的长高比对实验结果有较大影响，建议使用长方体试件。

Chen（1999）对沥青材料的疲劳和车辙的线性粘弹性特性进行了评述，将SHRP评价疲劳和抗车辙能力的标准和实际路面进行了对比，认为SHRP标准对沥青路面车辙的评价和实际情况有差异，提出了以损失能（Dissipatedenergy）作为评价沥青路面的抗车辙能力和疲劳裂缝的标准。

Weissman对简单剪切实验等进行了大量研究，认为试件的长高比对实验结果有较大影响，建议使用长方体试件。

Tarvey（2000）通过对沥青路面的频率扫描实验和恒定高度的重复简单剪切实验得出，剪切特性具有非线性;适当的试件形状和尺寸是非常重要的。

Monismith等做了简单剪切实验，得到结论:

如果使用较小的长高比，则会低估剪切模量。

Witczak做了单轴压缩实验和恒定高度剪切实验，对单轴压缩实验来说，圆柱体直径100mm、高度50mm就能精确表征动态模量和永久变形，恒定高度剪切实验则不依赖试件的尺寸。

美国AASHTO（2003）和TRB（2003）提出了几种新建和改建沥青路面的车辙预估模型，在路面设计中考虑了车辙的因素，以车辙深度作为控制车辙的指标。

1.2.2国内研究现状

在国内，朱永灵、林绣贤（1988）应用线性粘弹性理论研究沥青路面的永久变形。

林绣贤对沥青面层永久变形计算中有关参数的确定方法进行了研究。

许志鸿（2002）等以粘弹性层状体系理论为基础，结合蠕变实验和现场测量结果，提出了一种简化的高等级公路沥青路面车辙的预估方法，比较符合我国的实际情况。

徐世法、朱照宏（1990）在分析沥青路面永久变形时，应用了粘弹性理论，采用了“咽单元五参数”的模型，提出了一个较为合理的车辙预估方法，采用单轴蠕变实验确定参数，并在车辙预估模型中考虑了侧向隆起，提出了以粘性劲度模量作为评价沥青路面车辙的标准。

徐世法、朱照宏针对我国高等级沥青路面结构的具体特点提出以容许车辙深度作为车辙的控制指标，并给出了沥青路面容许车辙深度范围，指出了有效的车辙防治措施。

徐世法、朱照宏利用蠕变实验对沥青混合料的高温变形特性进行了分析，提出了一种有效地表征沥青混合料变形特性的流变学模型，建立了一种高等级道路沥青路面车辙的预估方法。

杨众（2001）等对现有的车辙预估方法进行了综述，提出了一种使用车辙实验确定永久变形的车辙预估方法一一改进的层应变法。

曹林涛（2008）通过实验讨论了空隙率、级配、荷载和沥青用量对沥青混合料高温抗变形能力的影响。

李一鸣（1992）利用国产车辙实验机对沥青混合料进行了车辙实验，结果认为严格控制温度是实验成败的关键，控制荷重比控制单位轮压更合理可靠。

李一鸣、俞建荣（1994）从力学的观点分析了沥青路面车辙的形成机理。

黄晓明、张晓冰和邓学钧（2000）对沥青路面车辙进行了环道实验研究，提出了不同保证率下的车辙预估模型。

2沥青混合料的基本特性

2.1沥青混合料的分类

沥青混合料是用具有一定黏度和适当用量的沥青材料与一定级配的矿质集料，经过充分拌和形成的混合物。

将这种混合物加以摊铺、碾压成型、即成为各种类型的沥青路面。

通常沥青混合料按以下方法分类：

1）按沥青混合料拌和与摊铺温度分类:

热拌热铺沥青混合料；

冷拌冷铺沥青混合料；

热拌冷铺沥青混合料。

2）按集料的公称最大粒径分类：

按照公称最大粒径分类，可将混合料分为特粗粒式、粗粒式、中粒式、细粒式和沙粒式等几类，与之相对应的最大粒径和公称最大粒径见表3-1。

表2-1粒径分类表

沥青混合

料类型

公称最

大粒径/mm

最大

粒径

/mm

密级配

半开级配

开级配

间断级配

连续密级配沥青混凝土

沥青稳定碎石

沥青碎石混合料

排水式沥青磨耗层

排水式沥青稳定碎石

沥青玛蹄脂碎石混合料

沙粒式

4.75

9.5

AC-5

AM-5

细粒式

9.5

13.2

AC-10

AM-10

OGFC-10

SMA-10

13.2

16

AC-13

AM-13

OGFC-13

SMA-13

中粒式

16

19

AC-16

AM-16

OGFC-16

SMA-16

19

26.5

AC-20

AM-20

SMA-20

粗粒式

26.5

31.5

AC-25

ATB-25

ATPB-25

31.5

37.5

------

ATB-30

ATPB-30

特粗粒式

37.5

53.0

------

ATB-40

ATPB-40

设计空隙率/%

3~6

3~6

6~12

>18

>18

3~4

3）按矿质混合料的级配类型分类：

连续密级配沥青混凝土混合料；连续半开级配沥青混合料；开级配沥青混合料；间断级配沥青混合料。

4）按结合料的类型分类：

根据沥青混合料中所用沥青结合料的不同，可分为石油沥青混合料和煤沥青混合料，但煤沥青对环境污染严重，一般工程中很少采用煤沥青混合料。

5）根据强度形成原理分类：

沥青混合料的组成材料不同，其强度形成原理也不同，一般可以分为按嵌挤原则和密实原则两大类。

6）按类请混合料的特性和用途分类：

在道路工程中主要采用热拌热铺沥青混合料，称为路用沥青混合料。

如用于机场道面，称为机场道面沥青混合料；用于大桥桥面铺装，则称为桥面铺装用沥青混合料。

2.2沥青混合料组成结构及强度理论

2.2.1沥青混合料的组成结构

沥青混合料是由矿质骨料、沥青胶浆和空气组成的三相体系，其中矿质骨料由粗集料、细集料组成，是不连续的分散相，沥青胶浆是分散介质，此外混合料中还有填料，也起着重要作用。

而沥青混合料的结构就是指混合料各组成材料之间相互作用的特点，相对位置的分布及相互联系的状况，其结构特性与材料组成、材料力学性能及各组成成分之间的相对位置密切相关。

当组成沥青混合料结构特点的各因素发生变化时，混合料的变形特性也会发生变化，沥青混合料的结构特点取决于：

1）矿质颗粒的结构特点，包括矿质颗粒的大小、形状、级配、岩性等；

2）沥青结合料，包括沥青的粘度、塑性、感温性等；

3）沥青与矿质颗粒相互作用的特点。

按嵌挤、密实级配原则构成的沥青混合料，其结构通常可按下列三种方式组成：

1）悬浮—密实结构。

该结构通常按最佳级配原理进行设计，材料由小到大连续存在，但各级集料均被次级集料隔开，无法形成骨架结构，粗集料犹如悬浮在沥青胶砂中。

这种结构虽然具有较高的粘聚力，但受沥青材料的性质和物理状态的影响较大，故高温稳定性较差。

2）骨架—空隙结构。

粗集料彼此紧密相接，细集料数量较少，甚至没有，不足以填充空隙。

在这种结构中，石料之间能够充分形成骨架，使之具有较高的内摩阻力，又由于沥青胶砂少，其高温稳定性可以得到显著的提高。

但同时由于孔隙率太大，将使路面的耐久性受到影响。

3）骨架—密实结构。

此结构是综合以上两种方式组成的结构。

混合料中既具有一定数量的粗集料形成骨架结构，同时又有相当数量的细集料来填充孔隙，形成较高的密实度。

因此，这种结构可同时具有较高的内摩阻力和粘聚力。

间断级配即按此原理构成。

理论上讲，属于该种结构类型的沥青混合料具有较优的路用性能。

由以上分析可见，沥青混合料中各组成成分的空间位置排列不同，就会导致混合料整体性能的变化。

以往的传统马歇尔成型方法与现代压实机械的压实方式和压实功能不匹配，马歇尔击实方式和击实功能不但会较多的击碎石料，而且不能促使矿料按照最密实的方式进行排列，其结果是：

在正常压实功能下能形成骨架密实的级配因马歇尔压实功能不够而形成悬浮密实结构。

因此，深入分析沥青混合料的内部组成结构，对设计优良的混合料至关重要。

2.2.2强度理论

由上述分析可知，沥青混合料的结构比较松散，并具有明显的颗粒性特征。

正是由于这种特征，其强度构成来源于两个方面：

一是由于沥青的存在而产生的粘结力；二是由于骨料的存在而产生的内摩阻力。

影响沥青混合料强度的因素与构成沥青混合料结构的成分是相同的。

1）沥青结合料的影响

沥青的粘滞度和沥青用量对沥青混合料的强度有着重要影响。

沥青混合料中原本松散的集料正是依靠沥青的粘结作用凝聚在一起而形成整体结构强度的。

在其他因素不变的情况下，沥青混合料的粘结力随沥青粘滞度的增高而增大。

当沥青用量很少时，沥青不足以形成理想的沥青膜裹覆矿料，混合料不仅内聚力差、强度低，而且耐久性也差，反之，当沥青用量过多时，则集料颗粒表面的沥青膜增厚，由于沥青过剩，将矿料颗粒推开，在颗粒间形成未与矿料相作用的“自由沥青”，沥青混合料的粘聚力随之降低。

因此，只有在适当的沥青用量情况下，才能得到具有最优粘聚力的沥青混合料。

2）矿质集料的影响

矿质骨料的尺寸、颗粒形状、表面粗糙度及矿料的级配都将影响沥青混合料的强度。

一般而言，矿质骨料的尺寸越大，沥青混合料的强度越高；集料颗粒的形状越接近立方体、呈多棱角性时，形成的沥青混合料越具有较高的内摩阻力；集料表面越粗糙，会形成凹凸的微表面，经过压实后，颗粒间能形成良好的嵌锁，也使沥青混合料具有较高的内摩阻力，因此制备沥青混合料都要求采用扎制碎石。

3）矿料级配的影响

混合料的强度与矿料级配组成有密切的关系。

一般来讲，矿料级配良好的沥青混合料，既具有坚实的骨架结构，又具有密实度较高，孔隙率适中的特点，其路用性能良好。

4）影响剪切强度因素

沥青的黏度；沥青与矿料的化学性质；沥青混合料中矿料比面；沥青用量；矿料级配、颗粒几何形状与矿料表面性质；温度及变形速率。

3沥青混合料的高温稳定性

高温辙槽是现代交通状况下高速公路沥青路面又一最常见的一种病害，通常表现为行车道上连续几十米甚至几百米出现较大的竖向变形，不仅影响了行车的舒适性和快速性，同时影响了雨季行车的安全性。

特别是，产生辙槽的路面维修养护特别困难，不得不铣刨重铺。

高温稳定性就是沥青路面抵抗流动变形的能力。

由于沥青路面的强度与刚度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，要求沥青路面具有良好的高温稳定性。

进行配合比设计时，可考虑增加粗集料含量提高沥青材料的稠度、严格控制沥青用量，此外还可以在沥青中掺入高分子聚合物改善沥青。

3.1高温稳定性的影响因素

1）原材料：

使用的材料质量差，沥青用量过多。

2）气候环境：

路面温度高。

3）交通荷载：

交通量大，轮荷重，轮胎气压高，行车速度慢，轮迹集中，装埋钉轮胎或滑链的汽车通过。

3.2高温稳定性评价方法

1）马歇尔试验法

马歇尔试验是将沥青混合料制成直径为101.6mm、高为63.5mm的圆柱形试件，在高温下（60℃）采用规定的马歇尔稳定度试验仪，测定在规定的加载速率条件下试件破坏前所能承受的最大荷载即马歇尔稳定度，其对应的变形即流值。

马歇尔稳定度越大、流值越小，说明高温稳定性越高。

2）车辙实验法

车辙实验的目的是测定沥青混合料的高温稳定性，即抗车辙能力，可供沥青混合料配合比设计的高温稳定性检验。

3.3改善沥青混合料高温性能的措施

影响沥青混合料高温性能的因素很多，因而改善沥青混合料的高温稳定性能应针对其影响因素采取相应的措施。

总的来说影响因素可归纳为内在因素和外部条件，内在因素主要反映在材料本身的质量上，而外部条件则主要包括气候条件和交通条件。

当外部条件与材料的内在因素结合在一起就会对沥青路面产生综合影响。

此外，路基、路面基层和路面结构组成及其施工质量也会影响到沥青路面的高温性能。

3.3.1材料

1）集料

采用表面粗糙、嵌挤作用好、与沥青粘结性能强的集料。

在兼顾空隙率的同时，适当增大集料粒径，合理采用级配，增加集料的嵌挤作用，适当减薄沥青面层厚度，可在一定程度上缓解车辙的形成。

对于高等级公路和一些重要路段，应首选高质量的集料，特别是表面两层沥青混合料应采用坚硬、安定、表面粗糙、破碎、颗粒接近立方体的集料。

细集料在有可能的情况下，应充分考虑采用破碎的人工砂，尽可能避免采用天然砂，不能避免也应尽量减少其用量。

对于石屑的使用应仔细地选择，因为石屑往往是石料中的软弱部分，而且针片状颗粒极多，在施工和碾压过程中很容易粉碎，产生“细粒化”现象。

所以，石屑的质量首先是看岩石本身是否坚硬，与沥青的粘附性好不好;二是看开采时覆盖层及夹层是否清理干净，石屑中的含泥量大不大。

好的石屑可以代替天然砂使用的，这对于提高混合料的高温稳定性有好处。

填料应采用石灰岩或岩浆岩中的强基性岩石等憎水性石料经磨细得到的矿粉。

矿粉要有足够数量，来减少游离沥青。

2）沥青结合料

沥青结合料对沥青混合料高温稳定性能的影响很显著，而沥青含量的影响可能比沥青本身特性的影响更重要。

对于马氏设计的沥青混合料，适当减少沥青用量有利于抗车辙，因此，对于没有条件进行GTM法而用马歇尔法进行混合料设计时，主要考虑高温性能时，沥青用量应选择最佳沥青用量范围靠下限之处。

但对于大多数的沥青混合料，在考虑抗车辙时应综合考虑级配、集料对沥青的吸收性、集料与沥青间的粘结力、混合料的空隙率等，不能简单地采用减少沥青用量来改善抗车辙性能。

必要时可考虑在沥青中掺加改性剂来提高其抗车辙的能力。

同时选用低针入度高软化点低含蜡量的高粘度沥青或改性沥青。

3.3.2设计

1）级配。

较粗的级配有较好的抗车辙能力，但不容易控制，而且级配过粗反而影响其高温稳定性，规范规定，最大粒径13及16的适合于铺筑表面层，20及25的适合于铺筑沥青路面中面层和下面层。

另外，适当提高混合料中粗集料的用量（不一定是最粗部分），对改善沥青混合料的高温性能有利。

2）混合料

在进行混合料的设计时，可有意识地按较多的重载车辆、较大的轴载、较高的轮胎气压进行沥青混合料的设计，同时，应控制混合料中矿粉的含量，一般来说，矿粉与沥青之比不宜小于0.8，沥青混合料的设计空隙率是一个非常重要又一直有争议的指标。

在现阶段，用GTM设计得沥青混合料的设计空隙率在2%-5%范围内是适宜的，它既照顾了高温性能又考虑了水稳性，有较好的耐久性。

3）设计方法。

经多年的工程实践传统的马氏方法亦不能设计出理想的的沥青混合料，马氏的弊病也不断暴漏出来，因此在混合料设计方法上应有所突破，改用新的设计方法如GTM或Superpave设计方法。

4阿喀高速公路三工区全破碎砾石目标AC-20C目标配合比设计

4.1原材料

沥青：

克拉玛依90号A级道路石油沥青；

集料：

本次目标配合比采用的粗集料生产场为项目部三工区生产的破碎砾石和机制砂（天然砂）；

矿粉：

多浪水泥厂生产的矿粉。

材料的各项指标检验结果见表5-1。

表4-1沥青质量技术要求

试验项目

单位

试验数值

技术要求*

试验方法

针入度（25℃，100g，5s）

0.1mm

87

80~100

T0604-2011

针入度指数PI［2］

－

-0.33

-1.5～+1.0

T0604-2011

延度（10℃，5cm/min）

cm

＞100

≮30

T0605-2011

延度（15℃，5cm/min）

cm

＞100

≮100

T0605-2011

软化点TR&B

℃

63

≮45

T0606-2011

60℃动力粘度［2］

Pa.s

238

≮160

T0620-2011

密度

g/cm3

0.985

实测记录

T0603-2011

RTFOT后残留物

质量变化

%

-0.41

≯±0.8

T0610-2011

针入度比（25℃）

%

71

≮57

T0604-2011

延度（15℃）

cm

51

≮20

T0605-2011

图4-1沥青三大指指标意图

公称粒径（mm）

规范要求/筛分结果

通过下列筛孔（mm）的质量百分率（%）

31.5

26.5

19.0

16.0

13.2

9.5

4.75

2.36

1.18

0.6

0.3

0.15

0.075

10~20

规范要求

—

100

90~100

—

—

0~15

0~5

—

—

—

—

—

—

筛分结果

—

100.0

98.6

72.5

36.4

2.2

0.2

—

—

—

—

—

—

5~10

规范要求

—

—

—

—

100

90~100

0~15

0~5

—

—

—

—

筛分结果

—

—

—

—

100.0

94.6

9.9

0.2

—

—

—

—

—

3~5

规范要求

—

—

—

—

—

100

90~100

0~15

—

0~3

—

—

—

筛分结果

—

—

—

—

—

100.0

100.0

30.0

1.4

0

—

—

—

0~3

规范要求

—

—

—

—

—

—

100

80~100

50~80

25~60

8~45

0~25

0~15

筛分结果

—

—

—

—

—

—

100

99.5

67.3

39.1

19.4

12.2

6.9

水洗砂

规范要求

—

—

—

—

—

—

100

80~100

50~80

25~60

8~45

0~25

0~15

筛分结果

—

—

—

—

—

—

100

99.7

78.7

54.3

18.9

3.8

0.2

表4-2沥青混合料用集料规格

表4-3沥青混合料集料质量技术要求

指标

单位

粒径（mm）

试验结果

高速公路及一级公路

表面层

其他层次

表观相对密度

g/cm3

0~3

2.562

≥2.5

g/cm3

3~5

2.681

≥2.60

≥2.50

g/cm3

5~10

2.718

≥2.60

≥2.50

g/cm3

10~20

2.716

≥2.60

≥2.50

g/cm3

水洗砂

2.544

≥2.5

毛体积相对密度

g/cm3

0~3

2.468

—

g/cm3

3~5

2.576

—

g/cm3

5~10

2.667

—

—

g/cm3

10~20

2.681

—

—

g/cm3

水洗砂

2.404

—

针片状含量

%

＞9.5

7

≤18

≤20

%

＜9.5

6

≤12

≤15

压碎值

%

10~20

21.2

≤26

≤28

洛杉矶磨耗损失

%

C级

17.8

≤28

≤30

%

B级

16.5

≤28

≤30

水洗法＜0.075含量

%

0~5

2.1

≤3

%

5~10

0.6

≤1

≤1

%

10~20

0.5

≤1

≤1

%

20~30

0.3

≤1

≤1

棱角性（流动时间）

S

0~5

47.2

≥30

—

图4-2沥青混合料集料密度示意图

图4-