大温差地区沥青混合料材料组成因素对路用性能的影响

郭 博，高 妮

(陕西铁路工程职业技术学院 道桥工程系，陕西 渭南 714000)

大温差地区沥青混合料材料组成因素对路用性能的影响

郭 博，高 妮

(陕西铁路工程职业技术学院 道桥工程系，陕西 渭南 714000)

针对大温差地区沥青混合料材料组成因素(级配类型、沥青标号、石料类型、外加剂掺入方式)的变化对其高低温性能、水稳定性等的影响，分别以动稳定度、低温破坏应变、冻融劈裂强度作为混合料高温稳定性、低温抗裂性及水稳定性的评价指标，通过极差分析和试验验证，证明影响混合料高低温性能因素的敏感性从大到小依次为沥青标号、石料类型、外加剂掺入方式、级配类型，影响水稳性能因素的敏感性从大到小依次为石料类型、外加剂掺入方式、沥青标号、级配类型，且最敏感因素变化对评价指标的影响程度均远超过其他三个因素。最终确定出最优搭配方案，为大温差地区沥青混合料原材料的选择和组成方案提供了依据。

沥青混合料；路用性能；极差分析；最敏感因素

0 引 言

中国新疆、青海、西藏、甘肃、江西等地属大温差地区，平均昼夜温差达20 ℃多，有时甚至超过30 ℃。温差大导致沥青路面出现大量收缩裂纹，水稳定性、耐久性等路用性能直线下降，严重影响路面的使用寿命。国内外在大温差地区沥青混凝土路面结构设计方面做了大量的试验研究工作：欧美、非洲等国将温度作为重要的影响因素考虑；国内试验研究证明，采用级配碎石等柔性基层，可有效减少路面反射裂缝[1-3]。然而，即使采用合理的路面结构设计减轻了横向裂缝病害，仍会出现大量收缩裂纹。沥青混合料的路用性能主要由原材料本身的特性和材料组成所决定[4-6]，其主要影响因素有级配类型、沥青标号、石料类型、外加剂掺入方式。本文在前述研究成果的基础上，运用正交试验分析上述4种因素对大温差地区沥青混合料高低温性能、水稳性能的影响，找出最敏感因素，对其进行有效控制，使沥青混合料同时满足高温稳定性和低温抗裂性要求，并兼顾水稳定性。

1 原材料技术性质及配合比设计

1.1 沥青

本文采用壳牌70#、韩国SK90#-AH两种类型的沥青，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E20—2011)对沥青的主要技术指标进行测试，结果见表1。

表1 沥青的主要技术指标

1.2 集料

集料采用石灰岩、花岗岩2种类型，矿粉采用磨细的石灰岩，按照《公路工程集料试验规程》(JTG E4—2005)对集料的主要技术指标进行测试，结果见表2。

表2 集料的主要技术指标

1.3 外加剂

经研究表明，普通沥青混合料中掺入抗车辙剂和木质素纤维，可在提高混合料的高低温性能的同时兼顾水稳定性能，故本文选用北京天成垦特莱抗车辙剂和木质素纤维2种外加剂，参照文献[7]对其主要技术指标进行测试，结果见表3、4。

表3 木质素纤维的主要技术性质

表4 抗车辙剂的主要技术性质

1.4 配合比设计

相关研究表明，级配类型变化对沥青混合料最佳油石比的影响较大，沥青标号、集料类型及外加剂掺入方式对其影响甚微。矿料级配采用AC-13和AC-16两种类型，如表5所示。按《公路沥青路面设计规范》(JTG D50—2006)确定AC-13型沥青混合料最佳油石比为5.1%，AC-16型沥青混合料最佳油石比为5.4%，肯特莱抗车辙剂和木质素纤维的掺量分别为3.6‰、4‰，在此掺量下可保证混合料高低温性能及水稳定性能均较好。

表5 矿料级配

2 正交试验设计

2.1 制定因素水平表

本文考虑影响大温差地区沥青混合料路用性能的主要因素有级配类型(A)、沥青标号(B)、石料类型(C)、外加剂掺入方式(D)4种，每个因素又考虑2个水平，具体见表6。

2.2 路用性能评价指标选择

大温差地区沥青路面的特殊气候环境，要求沥青混合料高温稳定性和低温抗裂性能均较好，同时兼顾水稳定性能，本正交设计分别以动稳定度、低温弯曲破坏应变及冻融劈裂强度比(TSR)作为沥青混合料高低温性能和水稳定性能的评价指标。

表6 双掺外加剂沥青混合料路用性能因素水平

注：同掺法为同时将抗车辙剂、木质素纤维2种外加剂掺入沥青混合料中的方法；复合法为将抗车辙剂、木质素纤维先搅拌均匀并加热使其融为一体后，再掺入沥青混合料中的方法。

2.3 正交试验方案设计及结果分析

2.3.1 正交表设计

本正交试验4个试验因素均有2个水平，故选择 L8(24)正交设计表[8]，对应试验方案及数据分析见表7。

2.3.2 计算

在同一列中，按2个水平将8次试验分为2组，水平1的4个试验编为Ⅰ组，水平2的4个试验编为Ⅱ组，再分别把每一组的4次试验的动稳定度值、低温破坏应变值、冻融劈裂强度比之和填在表7的相应栏目内。

2.3.3 分析

Ⅰ组和Ⅱ组试验数据极差的大小，反映了各因素取不同水平对试验结果产生的波动大小，某评价指标对某因素的极差值越大，说明对该因素越敏感。为便于直观比较，将3个评价指标下各因素变化产生的极差值绘制成图1～3。

由图1～3及表7中的数据可以看出以下几点。

(1)沥青标号变化引起的动稳定度极差值(2 412.4 次·mm-1)是集料类型引起极差值(1 164.4 次·mm-1)的2.1倍，是外加剂掺入方式引起极差值(459.6 次·mm-1)的5.2倍，是级配类型引起极差值(146.0 次·mm-1)的16.5倍，因此动稳定度对各因素的敏感性从大到小依次为：沥青标号、集料类型、外加剂掺入方式、级配类型。

表7 L8(24)试验方案及数据分析

图1 各因素变化对动稳定度指标影响极差值

图2 各因素变化对低温弯曲应变指标影响极差值

图3 各因素变化对冻融劈裂强度比指标影响极差值

(2)沥青标号变化引起的低温破坏应变极差值(488.9 με)是集料类型引起极差值(277.7 με)的1.76倍，是外加剂掺入方式引起极差值(266.3 με)的1.8倍，是级配类型引起极差值(77.5 με)的6.3倍，因此低温破坏应变对各因素的敏感性从大到小依次为：沥青标号、集料类型、外加剂掺入方式、级配类型。

(3)集料类型变化引起的冻融劈裂强度比极差值(52.7%)是外加剂掺入方式引起极差值(16.3%)的3.2倍，是沥青标号引起极差值(12.1%)的4.4倍，是级配类型引起极差值(1.7%)的31倍，因此冻融劈裂强度比对各因素敏感性从大到小依次为：集料类型、外加剂掺入方式、沥青标号、级配类型。

一方面，沥青混合料高温稳定性的形成来源于沥青结合料的高温黏结力和矿料级配的嵌挤作用[9-10]，AC-13、AC-16均属于悬浮密实结构，其高温稳定性主要依靠沥青与矿料的高温黏结力及沥青的内聚力，而矿料颗粒间的嵌挤作用影响较小；沥青标号由90#变为70#时，针入度减小，沥青与骨料的黏结力变大，沥青的抗高温性能提高。另一方面，低温条件下，沥青混合料的变形能力越强，抗裂性能就越好，而沥青混合料的变形能力与其低温劲度模量成反比，影响沥青混合料低温劲度的最主要因素是沥青的低温劲度，而沥青黏度又是决定沥青低温劲度的主要指标。对于同一油源的沥青，针入度值增加，沥青低温劲度模量降低，抗裂性能增强，故90#沥青混合料较70#沥青混合料具有较好的抗裂性能。正是以上两方面原因导致沥青标号成为影响混合料高低温性能最敏感的因素，集料级配为最不敏感因素。

沥青混合料的水稳定性主要取决于沥青与矿料颗粒间的黏结力，沥青混合料黏结力除了与沥青材料自身的内聚力有关，还取决于沥青与矿料的交互作用[11-13]。由于矿料颗粒表面对沥青的化学吸附是有选择性的，所以沥青与矿料表面交互作用的程度还取决于矿料的岩石学特征。试验结果表明，沥青在不同矿物组成的矿料颗粒表面形成不同成分和不同厚度的吸附融化膜，碱性石料(如石灰岩)对石油沥青的吸附性强，酸性石料(如花岗岩)对石油沥青的吸附性弱。上述原因导致集料类型为影响混合料水稳定性最敏感的因素。

外加剂的2种掺入方式(同掺法和复合法)中，复合法可将外加剂较均匀地分散到混合料中，与沥青、集料的结合较好，增强沥青黏度及其与集料的黏结力，故复合法可有效提高混合料高低温性能、水稳定性能。

2.3.4 比较

对表7进行比较分析得出，考虑大温差地区沥青混合料的高温性能、低温性能、水稳定性能的最优因素搭配分别为A2B1C1D2、A2B2C1D2及A2B2C1D2，其中A2B1C1D2组合不在8次试验内，需做验证试验。通过试验测定，其动稳定度为12 289.3次·mm-1，比正交试验方案内A1B1C1D2(12 276.0次·mm-1)组合高，故可肯定A2B1C1D2为高温稳定性最优组合。

A2B2C1D2搭配下沥青混合料的动稳定为11 643.6 次·mm-1，远超过规范要求值，同时可保证低温性能、水稳性能达到最好，故经过综合考虑，确定大温差地区沥青混合料设计中A2B2C1D2为最优组合。

3 结 语

本文基于沥青混合料的原材料组成及本身特性，采用正交试验分析影响中国大温差地区沥青混合料高低温性能、水稳定性能各影响因素的敏感性，可得出如下结论。

(1)影响大温差地区沥青混合料高低温性能的最敏感因素为沥青标号，其极差值远大于其他3个因素，最不敏感因素为级配类型；沥青标号变化引起动稳定度极差值是级配类型的16.5倍，引起低温破坏应变极差值是级配类型的6.3倍。由此推断，可通过改变沥青标号达到同时改善沥青混合料高低温性能的目的，以便使其更好地适应大温差的气候环境。

(2)影响大温差地区沥青混合料水稳定性能的最敏感因素为集料类型，它引起的冻融劈裂强度比极差值(52.7%)远大于其他3个因素，是最不敏感因素级配类型的31倍，可通过改变集料类型有效改善其混合料的水稳定性能，最好选用与沥青黏附力好的集料(如石灰岩等)。

(3)通过对比分析，选出了鉴于大温差地区沥青混合料高低温性能、水稳定性能的最优因素搭配方案，分别为A2B1C1D2、A2B2C1D2及A2B2C1D2，其中A2B2C1D2为大温差地区沥青混合料的最优搭配方案。

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EffectofComponentFactorsofAsphaltMixtureonPavementPerformanceinAreaswithBigTemperatureDifference

GUO Bo, GAO Ni

(Department of Road and Bridge Engineering, Shaanxi Railway Institute, Weinan 714000, Shaanxi, China)

Aiming at the effect of the component factors, including grading type, asphalt mark, aggregate type and the way to add the additive, on the high-temperature performance, low-temperature performance and water stability of asphalt mixture, the dynamic stability, low-temperature failure strain, freeze-thaw splitting strength were set to be the evaluation index of high-temperature stability, low-temperature cracking resistance and water stability respectively. The range analysis and test results show that the high-temperature performance and low-temperature performance of the mixture are most sensitive to asphalt mark, which is followed by aggregate type, the way to add the additive and grading type; the water stability is most sensitive to aggregate type, which is followed by the way to add the additive, asphalt mark and the grading type; the most sensitive factor has far more impact on the evaluation index than the others. The optimal matching scheme was selected, providing the basis for raw material composition of asphalt pavement in areas with big temperature difference.

asphalt mixture; pavement performance; range analysis; most sensitive factor

U416.217

B

1000-033X(2017)11-0081-05

2017-04-02

陕西铁路工程职业技术学院2016年科研基金(KY2016-27)

郭 博(1983-)，男，陕西渭南人，硕士，讲师，研究方向为路面材料。

[责任编辑:王玉玲]