浅谈沥青混合料高温稳定性影响因素及简要分析

马海涛

摘 要：公路和城市道路，绝大多数是沥青路面。随着日益超载加载的运输型汽车的在公路上的不断涌进，有一些沥青路面在开通后不久就出现了车撤，裂陷，坑槽等不同程度的路面破坏，这不仅仅影响到行车的安全性，舒适性，还将带来巨大的经济损失。因此，研究抗车辙性能良好的沥青混合料是减小沥青路面车辙的重要途径之一，是促进现代公路交通运输业的高速发展的有利途径。

关键词：沥青混合料；高温稳定性；影响因素；车辙试验

沥青混合料是由典型粘弹性材料沥青胶结矿料及填料构成的路用材料，在高温及荷载作用下会产生流动变形，流动变形的不断累积就形成车辙，沥青混合料应具有良好的高温抗车辙性，以满足实际路用性能要求。影响沥青混合料高温稳定性能的因素有很多，可分为内因和外因两方面。在荷载、气候难以预测控制的情况下，通过合理的混合料设计，提高沥青混合料的高温抗车辙性能是可行的办法。

1.沥青混合料高温稳定性影响因素

1.1 沥青性质

沥青的物理性质对混合料抗车辙性能有影响。在一定温度和加载速率下，沥青粘度越大，混合料的粘滞阻力也越大，抗剪切变形能力越强，沥青混合料抗车辙性能越好。沥青粘度随温度变化而变化，沥青的温度敏感性越低，则形成的沥青混合料相应具有更好的高温稳定性能，这种关系已被一些快速加载试验所证实。

1.2 气候因素

气候对沥青路面高温稳定性的影响是通过沥青路面混合料力学性能来起作用的，由于沥青是一种感温性很强的材料，使得沥青混合料也成为温度敏感性材料，在不同的温度条件下，沥青混合料路面会表现出截然不同的力学性质，较高的温度会使沥青混合料的劲度模量和抗剪能力降低，从而在车辆荷载作用下出现高温稳定性问题。因此，针对高温多雨的山区高速公路，在修筑沥青路面时，一定要根据当地的气候特点和当地的实际经验来选择沥青以及进行结构和材料设计。

1.3 荷载因素

荷载的大小，重载和超载是沥青路面产生车辙和其它高温病害的重要因素之一，国内外的调查资料表明：在交通量组成中，重载占有较大比例的路段上，沥青路面的高温病害要比其它路段严重得多。

1.4级配

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，直接影响沥青混合料的高温稳定性。研究表明，在最佳沥青含量时，中粒式沥青混凝土车辙最小，细粒式次之，粗粒式车辙最大。WestTrack环道试验也得出了相似的结论。

1.5 沥青混合料组成设计

除原材料的性质外，沥青混合料组成设计对其高温稳定性的影响十分巨大，主要包括：矿料级配、各类材料用量比例（如：天然砂用量、矿粉用量、回收粉比例）、自由沥青的多少（即：沥青用量），空隙率、饱和度等。

1.6 空隙率

空隙率较大的沥青混合料容易产生压密变形，增加其密实度可增加矿料颗粒间的接触压力，从而提高其抗车辙能力。但当空隙率低于某临界值时，继续减小空隙率，反而会使沥青混合料抗车辙能力降低。对于临界空隙率，WestTrack环道试验认为接近4%，也有研究表明，当空隙率为8%左右时，车辙最小。

2.沥青路面车辙影响因素

沥青路面车辙影响因素包括材料参数、环境参数、荷载参数、路面结构组合和施工条件等方面。

2.1材料参数

2.1.1 沥青性质

大量的加速试验结果表明，沥青类型对车辙有影响，佐治亚州的加载车轮测试结果表明，每一种改性沥青混合料同标准混合料相比，车辙深度均有所减少。

2.1.2集料类型、表面特性和级配

由于集料的表面纹理和形状可以影响混合料中的空隙结构，因而可以对沥青混合料的高温稳定性表现出不同的影响。 国外有研究表明，按照Superpave体积法设计的混合料级配，通过了限制区的混合料的抗车辙性能最好，并且在 40℃时，动蠕变试验的劲度模量和纯剪切实验值最高。

2.1.3沥青用量

沥青用量对沥青混合料的抗车辙性能有很大影响。沥青用量太低，沥青混合料难以压实，并且沥青不能完全裹覆矿粒界面，也影响沥青混合料的粘结力，使其抗车辙能力差；而沥青用量过多，沥青混合料矿料颗粒间游离的自由沥青增多，使混合料易于产生流动变形，也影响其高温稳定性。

2.1.4空隙率

空隙率较大的沥青混合料容易产生压密变形，增加其密实度可增加矿料颗粒间的接触压力，从而提高其的抗车辙能力。但当空隙率低于某临界值时，继续减小空隙率，会使得混合料内部没有足够的孔隙来吸收材料的流动部分，必然造成混合料外部的整体变形，反而会使沥青混合料抗车辙能力降低。

2. 2 环境参数

2.2.1温度

当气温较高时，沥青路面强度降低容易产生车辙。这是因为沥青粘度的大小反映了沥青抵抗蠕变的能力，当温度升高时沥青粘度变小，其抵抗蠕变的能力下降，在受到外力时很容易产生永久剪切变形导致沥青材料横向流动而产生车辙。

2.2.2水

当路面积水或路面结构含水量增加时，沥青和矿料之间的粘结力在潮湿条件下会被削弱或损坏，在行车荷载和水分的联合作用下，这种损坏会明显加剧，从而导致沥青路面会产生较大的车辙。

2.2.3 荷载参数

2.2.3.1渠化交通

随着日益繁重的交通量需求，渠化交通已成为交通组织的主要手段，导致沥青路面车辙破坏的情况日渐突出。

2.2.3.2重载

日本的研究表明，车辆超载加快了路面的损坏，轮胎的种类对车辙影响较大。北京公路科学研究所的加速加载试验研究表明，在不同轴载作用下，重轴载作用下产生的车辙比轻轴载大得多。

2.2.3.3车速

车速越低，汽车荷载作用在沥青路面上的持续时间越长，由于沥青混合料在高温情况下的粘弹性特点，累积剪切变形越大，因此造成越深的车辙。

2.2.3.4 路面结构组成

路面的结构和组成对车辙的形成和发展有很大影响，是一个重要的影响因素。沥青路面的抗车辙能力除了受所用材料及其性能影响外，还与路基类型和路面厚度有关。

2.2.3.5 施工

由于施工时没有充分压实或料温不够等施工原因导致的沥青面层压实不足，而致使通车后的第一个高温季节沥青混合料在行车作用下，继续压密形成车辙。

3.关键影响因素分析

以上分析了影响沥青混合料高温抗车辙性能的因素。从材料优化设计的角度，一般关心的是内部因素，如沥青性质、集料性质和混合料参数对沥青混合料高温稳定性的影响，为选材和材料组合设计提供参考，从而设计出高温稳定性优良的沥青混合料。选取沥青针入度、沥青软化点、沥青用量、集料4.75mm筛孔通过率、矿粉用量、沥青混合料空隙率作为影响沥青混合料高温稳定性的主要因素进行研究。

3.1 沥青混合料高温车辙试验

3.1.1试验材料

试验采用几种国内常用品牌沥青，集料均为石灰岩，各项性能指标符合规范要求。为了便于比较分析，选择6种级配类型，具有广泛代表性。

3.1.2高温车辙试验及结果

车辙试验是评价沥青混合料高温抗车辙性能的最直观，最有效的方法。通过马歇尔试验确定沥青混合料最佳沥青用量，然后以最佳沥青用量下混合料密度作为控制标准，用轮碾仪制成30cm×30cm×5cm试板，在60℃条件下进行车辙试验。为了考查不同沥青用量的影响，还对级配最佳沥青用量±0.5%的混合料进行了试验。

3.2 灰关联分析

下面分别以动稳定度和总变形量作为参考序列，对上述影响因素进行灰关联分析。

3.2.1 以动稳定度为参考序列

按灰关联分析方法，首先对所示试验结果进行初值化处理，计算求差序列，最终计算各因素灰关联系数和灰关联度。可以看出各影响因素对沥青混合料动稳定度的影响大小依次为：沥青混合料空隙率→4.75mm筛孔通过率→沥青软化点→沥青针入度→矿粉用量→沥青用量。

3.2.2 以60min总变形量为参考序列

以60min总变形量为参考序列的灰关联分析结果。各影响因素对沥青混合料总变形量的影响大小依次为：沥青混合料空隙率→4.75mm筛孔通过率→沥青用量→矿粉用量→沥青软化点→沥青针入度。

通过以上优势分析可以看出，各因素对动稳定度和60min总变形量的影响显著程度并不完全相同。这主要由于动稳定度和总变形量物理意义不同。

结束语：

不论以动稳定度还是总变形量作为参考指标，混合料空隙率和4.75mm筛孔通过率都是较重要的影响因素，其影响显著程度大于沥青结合料性质。由于沥青混合料空隙率主要由集料级配决定，因此，要提高沥青混合料高温稳定性，首先应改善混合料级配，关键是使其形成骨架密实结构。