黃偉， 郝朝

(1.重慶交通大學(xué) 重慶交大建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司， 重慶 400074；2.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074)

車轍病害反映出瀝青混合料高溫穩(wěn)定性不足。目前，測(cè)試瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的方法主要包括車轍試驗(yàn)、單軸靜載或動(dòng)載蠕變?cè)囼?yàn)、徑向靜載或動(dòng)載蠕變?cè)囼?yàn)等。魏密等利用單軸靜載試驗(yàn)對(duì)比分析了Super-12.5和AC-13I在不同溫度和荷載下抵抗永久變形的能力；王隨原等通過單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)比較基質(zhì)瀝青混合料和SBS改性瀝青混合料的高溫性能，利用黏彈性理論解釋了SBS改性瀝青混合料高溫性能更優(yōu)的原理；祁峰研究了動(dòng)穩(wěn)定度及單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)的勁度模量、殘余應(yīng)變比等指標(biāo)的相關(guān)性，認(rèn)為大多數(shù)指標(biāo)與動(dòng)穩(wěn)定度的相關(guān)性較好；朱云升等在高溫條件下進(jìn)行單軸動(dòng)態(tài)重復(fù)加載蠕變?cè)囼?yàn)，得出永久變形與橫向流動(dòng)次數(shù)、豎向流動(dòng)次數(shù)的關(guān)系；張?jiān)Ｇ涞葘?duì)瀝青混合料進(jìn)行三軸重復(fù)荷載試驗(yàn)，認(rèn)為流變次數(shù)和斜率可反映瀝青混合料的高溫性能。單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)是一種操作較簡(jiǎn)單，能表征路面在長(zhǎng)期荷載作用下累計(jì)變形的方法。本文通過單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)分析級(jí)配、溫度、荷載對(duì)AC-13瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響，為抗車轍瀝青混合料設(shè)計(jì)提供參考。

1 原材料配合比及試驗(yàn)方案

1.1 原材料及配合比

采用SBS改性瀝青、玄武巖粗集料、石灰?guī)r細(xì)集料、石灰?guī)r礦粉，設(shè)計(jì)3種不同級(jí)配AC-13瀝青混合料(見表1)，最佳油石比均為4.7%。

表1 試驗(yàn)用AC-13混合料級(jí)配組成

1.2 試驗(yàn)方案

采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型尺寸為φ150 mm×H150 mm的圓柱體試件。試驗(yàn)時(shí)在試件兩端分別墊3 mm厚聚四氟乙烯板，減小兩側(cè)端面約束效應(yīng)及摩擦對(duì)試驗(yàn)的影響。按殼牌單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)設(shè)置試驗(yàn)條件： 1) 溫度為60 ℃，對(duì)3種級(jí)配混合料分別施加300 kPa、400 kPa、500 kPa荷載進(jìn)行試驗(yàn)； 2) 應(yīng)力為500 kPa，3種級(jí)配混合料分別在40 ℃、50 ℃、60 ℃溫度條件下進(jìn)行試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3種級(jí)配AC-13瀝青混合料加載時(shí)間與永久應(yīng)變的關(guān)系(即蠕變曲線)見圖1。

圖1 不同條件下各級(jí)配AC-13瀝青混合料應(yīng)變隨時(shí)間的變化

瀝青是一種典型的黏彈性材料，其混合料在試驗(yàn)過程中會(huì)經(jīng)歷加載時(shí)的瞬時(shí)變形、荷載持續(xù)時(shí)的彈性恢復(fù)和卸載后的黏性流動(dòng)變形。所有蠕變曲線幾乎在加載100 s時(shí)產(chǎn)生瞬時(shí)彈性變形，且變形速率十分迅速。在持荷階段的變形幅度較小，但由于混合料的不規(guī)則性，試驗(yàn)過程中會(huì)出現(xiàn)變形幅度陡變。通常情況下具有彈性的材料變形是可以恢復(fù)的，而瀝青混合料受力時(shí)間超過1 h后，其中一部分彈性逐步向黏性轉(zhuǎn)變而變得不可恢復(fù)，稱為永久變形，它是瀝青路面高溫失穩(wěn)的主要原因。除瀝青混合料原材料的原因外，礦料組成架構(gòu)、環(huán)境溫度、外界應(yīng)力等都是引起永久變形的主要因素。

2.1 級(jí)配對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

根據(jù)圖1，不同級(jí)配在一定程度上影響瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性。3種級(jí)配AC-13瀝青混合料在60 ℃、0.4 MPa，50 ℃、0.5 MPa試驗(yàn)條件下的勁度模量E分別見圖2、圖3。

圖2 60 ℃、0.4 MPa條件下各級(jí)配AC-13瀝青混合料的勁度模量

圖3 50 ℃、0.5 MPa條件下各級(jí)配AC-13瀝青混合料的勁度模量

由圖2、圖3可知：在溫度和應(yīng)力不變的條件下，瀝青混合料的勁度模量大小排序?yàn)镋級(jí)配1>E級(jí)配2>E級(jí)配3，說明級(jí)配不同會(huì)引起瀝青混合料高溫穩(wěn)定性差異。級(jí)配1和級(jí)配2關(guān)鍵篩孔2.36 mm的通過率都小于40%，屬于粗型密級(jí)配，而級(jí)配3屬于細(xì)型密級(jí)配，在高溫性能方面不及前兩者。從整個(gè)篩孔的通過率來看，級(jí)配1形成的骨架較密實(shí)，形成較多結(jié)構(gòu)瀝青，配合集料顆粒嵌擠能抵抗高溫重載條件下的剪應(yīng)力。

2.2 溫度對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

由于瀝青膠結(jié)料具有感溫性，其混合料性能對(duì)溫度也較敏感。施加恒定荷載500 kPa，分別在40 ℃、50 ℃、60 ℃條件下進(jìn)行單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖4。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算的勁度模量及殘余應(yīng)變比隨溫度的變化見圖5、圖6。

圖4 不同溫度下各級(jí)配瀝青混合料的蠕變曲線

圖5 各級(jí)配瀝青混合料勁度模量隨溫度的變化

圖6 各級(jí)配瀝青混合料殘余應(yīng)變比隨溫度的變化

由圖4可知：隨溫度變化，不同級(jí)配瀝青混合料蠕變曲線的變化規(guī)律相近，40 ℃時(shí)變形量低于50 ℃、60 ℃時(shí)變形量，且其變形速率較平緩。說明溫度越高，瀝青性質(zhì)轉(zhuǎn)變?cè)娇?，出現(xiàn)的黏性流動(dòng)在外加荷載作用下更易發(fā)生不可恢復(fù)的變形，從而導(dǎo)致路面車轍病害。

由圖5可知：瀝青混合料的勁度模量隨溫度升高而降低。溫度從40 ℃升至50 ℃，級(jí)配1、級(jí)配2、級(jí)配3的勁度模量分別降低7.4%、10.32%和14.48%；溫度從50 ℃升至60 ℃，級(jí)配1、級(jí)配2、級(jí)配3的勁度模量分別降低3.14%、8.25%、13.65%，級(jí)配1和級(jí)配2 的下降幅度明顯減緩，級(jí)配3因?yàn)槠漕w粒組成的特點(diǎn)，下降趨勢(shì)仍較大。荷載作用下，瀝青混合料在50 ℃可能出現(xiàn)變形的臨界點(diǎn)。

殘余應(yīng)變比為不可恢復(fù)的永久變形與加載過程中某一刻變形的比，其值越大，路面抵抗荷載永久變形的能力越弱。由圖6可知：隨著溫度升高，瀝青混合料的殘余應(yīng)變比增大。溫度從40 ℃升至50 ℃，級(jí)配1、級(jí)配2、級(jí)配3的殘余應(yīng)變比分別增加7.81%、8.96%、9.72%；溫度從50 ℃升至60 ℃，級(jí)配1、級(jí)配2、級(jí)配3的殘余應(yīng)變比分別增加4.35%、5.48%、6.33%。其原因在于混合料經(jīng)受高溫的同時(shí)也在承受荷載，其膠結(jié)料逐漸變軟，軟化瀝青在礦料之間起到潤(rùn)滑作用，降低了混合料內(nèi)部的嵌擠作用。同時(shí)膠結(jié)料性質(zhì)由彈性向黏性過渡，黏性流動(dòng)變形量是永久變形量的一部分，其所占比例越高，瀝青路面車轍病害越突出。

2.3 荷載對(duì)瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的影響

對(duì)于線彈性材料，在外加荷載作用下產(chǎn)生的變化遵循胡克定律。但瀝青材料并非完全的胡克彈性體，在受力狀態(tài)下出現(xiàn)的是蠕變和松弛現(xiàn)象。在60 ℃時(shí)分別對(duì)3種級(jí)配混合料施加300 kPa、400 kPa、500 kPa荷載進(jìn)行單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖7～9。

由圖7可知：外加荷載由400 kPa升至500 kPa時(shí)，瀝青混合料產(chǎn)生的變形量顯著增加；級(jí)配1因顆粒組成特點(diǎn)，其變形量增長(zhǎng)幅度低于其他2種級(jí)配，提高了抵抗外界剪切變形的能力。

圖7 不同荷載下各級(jí)配瀝青混合料的蠕變曲線

由圖8可知：各級(jí)配瀝青混合料的勁度模量隨荷載增加而遞增。荷載由300 kPa升至400 kPa時(shí)，級(jí)配1、級(jí)配2和級(jí)配3的勁度模量分別增加19.35%、21.30%、22.22%；荷載由400 kPa升至500 kPa時(shí)，級(jí)配1、級(jí)配2、級(jí)配3的勁度模量分別增加6.06%、6.45%，7.23%，級(jí)配1相對(duì)于級(jí)配2和級(jí)配3對(duì)外加荷載的敏感程度更低。

圖8 各級(jí)配瀝青混合料勁度模量隨荷載的變化

圖9 各級(jí)配瀝青混合料殘余應(yīng)變比隨荷載的變化

由圖9可知：各級(jí)配瀝青混合料的殘余應(yīng)變比隨荷載提高而增加，其中級(jí)配1的殘余應(yīng)變比最低，在荷載影響下變形量較少，有足夠的能力抵抗永久變形，減少車轍病害的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

(1) 單軸靜載蠕變?cè)囼?yàn)可作為瀝青混合料高溫穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)手段。根據(jù)蠕變曲線，瀝青混合料主要經(jīng)歷加載時(shí)的瞬時(shí)變形、持荷階段的延遲彈性變形與卸載后的黏性流動(dòng)變形3個(gè)階段。

(2) 在同一溫度、同一荷載下，級(jí)配1的勁度模量?jī)?yōu)于其他2種級(jí)配。外加荷載一定時(shí)，混合料的勁度模量、殘余應(yīng)變比隨溫度升高分別呈降低和上升的趨勢(shì)，級(jí)配1在50 ℃后的變化較緩和，說明在荷載作用下50 ℃可能是混合料高溫失穩(wěn)的臨界點(diǎn)。溫度一定時(shí)，混合料的勁度模量、殘余應(yīng)變比都隨荷載增加而上升，其中級(jí)配2、級(jí)配3對(duì)荷載的影響較敏感。

(3) 推薦使用級(jí)配1作為AC-13型瀝青混合料的設(shè)計(jì)級(jí)配。