沥青混合料高温稳定性参数研究

祁峰+刘崭+苏彦龙

摘要：为了能更好地评价车辙随温度和应力的变化规律，对三种不同级配沥青混合料，在不同温度和荷载水平下进行单轴静态蠕变试验，提取多种反映沥青混合料高温变形性能的力学参数，并进一步分析了这些参数在不同温度和荷载水平下的变化规律。结果表明，残余应变比、劲度模量和第二阶段的斜率b在随温度和应力的变化具有一定的规律性，且温度在50 ℃、荷载为0.7 MPa时具有较好的区分度。

关键词：道路工程；沥青混合料；单轴静态蠕变试验；力学参数

中图分类号：U414.03文献标志码：B

0引言

沥青混合料是一种典型的粘弹性材料。混合料的变形随荷载作用时间的长短而不同，因而在研究其变形性质时必须说明变形所处的时间；另一方面，沥青混合料的变形随温度的变化而变化，高温时其弹性效应降低，粘性性质增强，低温时刚度增大，弹性效应明显，粘性性质减弱，故评价沥青混合料的力学性质必须说明其所处的条件。沥青混合料的高温稳定性是沥青混合料的重要性能之一，通常所说的“高温稳定性”是指沥青混合料在高温下能保持原有强度、刚度等性能，高温稳定性不足的主要表现形式就是车辙的产生。

由于车辙试验不能记录沥青混合料随时间的变形机理，所以采用车辙试验研究沥青混合料力学特性显然是不够的。蠕变试验可以模拟沥青混合料发生蠕变破坏的全过程，通过测定试验过程中沥青混合料的应力、应变而得到的蠕变曲线来检验沥青混合料的粘弹性。单轴静态蠕变试验是分析沥青混合料高温变形特性最简单、最适用的方法。它是对一圆柱形试件在轴向施加一荷载，并保持这一荷载大小不变，经过一段时间再卸载，使试件的变形得到部分恢复，由此得到蠕变曲线来评价沥青混合料的高温稳定性。

1原材料及试验方法

1.1材料选择及试验设备

沥青采用SBS改性沥青，其性质符合重交通道路石油沥青质量要求。粗、细集料采用陕西西户高速公路大修工程用角闪岩，矿粉为磨细石灰石。为使试验结果具有普遍性，采用AC13、AC16、AC20三种级配进行试验研究。试验仪器采用美国生产的810MTS（Material Test Systerm）材料试验机，该仪器利用电液伺服闭环系统对路面材料按静载的方式加载，计算机控制进行加载、卸载和数据的采集工作。

1.2试验方法

为了使试验结果能较好地表征不同混合料的高温特性，单轴静态蠕变试验应在一定温度和荷载条件下进行。由于中国大部分地区夏季路面最高气温可达到60 ℃～65 ℃以上，同时考虑到中国超载、重载现象较为普遍，为了便于和车辙试验进行对比，选择在40 ℃、50 ℃和60 ℃三个温度以及0.3、0.5、0.7 MPa三种应力下进行无侧限单轴静态蠕变试验。

为了提高试验精度，消除加载应力、试件高度和试件端面对试验结果的影响，试件采用旋转压实仪成型Φ150 mm×150 mm的大型试件，再钻芯切割出Φ100 mm×110 mm的试件。试验前试件在要求温度下保温24 h；为消除试件端部约束效应对试验结果和试验精度的影响，试验中在试件上下端面各垫一张3 mm厚的聚四氟乙烯薄膜，并在薄膜间涂润滑油；为消除应力影响，预加载（0005 MPa） 10 min，然后瞬时加载到所要求荷载并持载60 min，之后瞬时卸载到0.005 MPa并保持60 min。测量并记录试验全过程试件变形随时间变化的数据。

2试验结果

对AC13、AC16、AC20三种级配沥青混合料分别在40 ℃、50 ℃、60 ℃进行单轴静载蠕变试验，得到蠕变曲线如图1所示。通过蠕变曲线提取累积变形、残余变形、残余应变比、劲度模量和斜率等参数，结果见表1。

3试验结果分析

3.1温度对试验参数的影响

沥青混合料是一种典型的温度敏感性材料，其力学特性和路用性能随温度的变化比较显著。车辙作为沥青路面结构最常见的破坏形式之一，其产生机理和发展过程都与路面温度的变化密切相关。

（1） 沥青混合料的劲度模量在40 ℃～60 ℃范围内随着温度的升高逐渐减小。说明随着温度的升高，沥青混合料的抗车辙变形能力在逐步减弱。温度的升高使沥青混合料中的沥青胶结料慢慢软化，而软化的胶结料会对集料之间的嵌挤产生润滑作用，必然会导致混合料内摩擦力减小，从而使整个混合料的强度降低，表现为劲度模量随着温度的增加而减小，这也是混合料在高温状态下容易产生车辙的主要原因。

（2） 对于三种不同的沥青混合料，残余应变比随着温度的升高均逐渐增大。这是因为，在加载过程中，随着温度的升高，作为胶结料的沥青逐渐变软并接近软化点，主要以粘性为主，此时沥青混合料的弹性性能显著降低。表明在加载过程中随着温度的升高沥青混合料的永久塑性变形占总变形的比例越高，车辙越明显。由此可知，残余应变比对温度有很高的依赖性。

（3） 沥青混合料第二阶段的斜率表征的是蠕变应变速率随时间的变化规律，斜率越大则说明蠕变应变速率越大。从图2（c）中可以看出，第二阶段的斜率随着温度的升高而增大，温度越高，沥青混合料的抗变形能力越小，蠕变应变速率可以用来表征沥青混合料抵抗车辙变形的能力。

（4） 通过对比可知，劲度模量、残余应变比和斜率在50 ℃时对于三种混合料有着较好的区分度。

3.2应力对试验参数的影响

对于线弹性材料来说，随着应力水平的增加，材料的变形或模量也随之线性增加；但对于粘弹性材料来说，应力应变曲线不是线性变化的，荷载越大，沥青混合料的粘性越突出。三种沥青混合料在03、0.5、0.7 MPa三种不同应力水平下劲度模量、残余应变比和第二阶段斜率的变化规律如图3所示。

图3不同参数随应力的变化趋势（1） 一般研究结果认为劲度模量随着荷载应力的增大而增大，而图4（a）表明，在60 ℃时沥青混合料的劲度模量并非随着应力的增大而逐渐增大，而是随着应力水平的增加，三种沥青混合料的劲度模量先增大后减小。这是由于蠕变试验试件的变形量并不与荷载的变化幅度同步，因此沥青混合料的蠕变劲度模量并非随荷载的增大而增大。究其原因，可能是在较小的应力下，沥青混合料一直处于硬化状态，其中0.5 MPa下的硬化现象比0.3 MPa下显著下降，而当应力增大到07 MPa时，由于静态蠕变试验为无侧限加载，试件膨胀导致出现软化现象，而使劲度显著降低。这说明对一定规格的试件，当应力小于一定值时劲度模量是随着应力的增大而增大的，当应力超过一定数值，其试件的变形量变化幅度大于应力增大幅度时，沥青混合料的劲度模量便逐渐减小。然而，从图3（a）中可以看出三种不同沥青混合料的劲度模量随应力的变化趋势是一致的，因此可以断定劲度具有应力依赖性。endprint

（2） 沥青混合料的残余应变比随着应力的增加其增大的趋势并不十分明显。其中AC16混合料的残余应变比有较大幅度的增加，而AC13和AC20两种沥青混合料的残余应变比随应力的变化基本成一条水平直线，变化并不显著。说明残余应变比对于应力的依赖性较小。

（3） 沥青混合料进入稳定加载阶段的斜率随着应力的增加基本呈线性增加，表明荷载的增大可以加速沥青混合料的变形速率，这与沥青路面在重载下容易产生车辙病害的现象是一致的。

（4） 通过对比可知，劲度模量和斜率在0.7 MPa下对于三种不同混合料的区分度最大，而残余应变比在3个应力状态下的区分度均不明显，表明其对应力的依赖性较小。

5结语

（1） 沥青混合料的蠕变劲度模量通常随温度的增加而逐渐减小，当应力小于一定值时劲度模量是随着应力的增大而增大的，当应力超过一定数值，其试件的变形量变化幅度大于应力增大幅度时，沥青混合料的劲度模量便逐渐减小。

（2） 沥青混合料的残余应变比随着温度的增加而增大，表现出较好的规律性，随着荷载的增加其变化并不十分显著。对其能否有效地评价沥青混合料高温稳定性有待进一步试验验证。

（3） 沥青混合料第二阶段的斜率随着温度和荷载的增加而逐渐增大，表现出较好的温度敏感性和应力依赖性，可以用来评价沥青混合料的高温稳定性。

（4） 当试验温度为50 ℃、加载应力为0.7 MPa时，通过试验获得的蠕变劲度、残余应变比和斜率对于不同混合料均有着较好的区分度，因此推荐采用50 ℃、0.7 MPa作为其标准试验温度和应力。

参考文献：

[1]张争奇，陶晶，杨博.沥青混合料高温性能设计参数研究[J].中国公路学报，2009，22（1）：2328.

[2]傅志勇.沥青混合料高温性能试验方法研究[D].长沙：长沙理工大学，2005.

[3]魏密，周进川.旋转压实试件的高温蠕变特性研究[J].重庆交通学院学报，2004，23（5）：5558.

[4]李静.沥青混合料路用性能预测模型的研究[D].西安：长安大学，2004.

[5]李辉，张久鹏，黄晓明.沥青混合料高温稳定性的单轴静载蠕变试验[J]. 河南科技大学学报：自然科学版，2006，27（3）：4851.

[6]徐世法.沥青混合料高温变形特性的试验研究[J].力学与实践，1994，16（3）：3436.

[责任编辑：袁宝燕]endprint

（2） 沥青混合料的残余应变比随着应力的增加其增大的趋势并不十分明显。其中AC16混合料的残余应变比有较大幅度的增加，而AC13和AC20两种沥青混合料的残余应变比随应力的变化基本成一条水平直线，变化并不显著。说明残余应变比对于应力的依赖性较小。

（3） 沥青混合料进入稳定加载阶段的斜率随着应力的增加基本呈线性增加，表明荷载的增大可以加速沥青混合料的变形速率，这与沥青路面在重载下容易产生车辙病害的现象是一致的。

（4） 通过对比可知，劲度模量和斜率在0.7 MPa下对于三种不同混合料的区分度最大，而残余应变比在3个应力状态下的区分度均不明显，表明其对应力的依赖性较小。

5结语

（1） 沥青混合料的蠕变劲度模量通常随温度的增加而逐渐减小，当应力小于一定值时劲度模量是随着应力的增大而增大的，当应力超过一定数值，其试件的变形量变化幅度大于应力增大幅度时，沥青混合料的劲度模量便逐渐减小。

（2） 沥青混合料的残余应变比随着温度的增加而增大，表现出较好的规律性，随着荷载的增加其变化并不十分显著。对其能否有效地评价沥青混合料高温稳定性有待进一步试验验证。

（3） 沥青混合料第二阶段的斜率随着温度和荷载的增加而逐渐增大，表现出较好的温度敏感性和应力依赖性，可以用来评价沥青混合料的高温稳定性。

（4） 当试验温度为50 ℃、加载应力为0.7 MPa时，通过试验获得的蠕变劲度、残余应变比和斜率对于不同混合料均有着较好的区分度，因此推荐采用50 ℃、0.7 MPa作为其标准试验温度和应力。

参考文献：

[1]张争奇，陶晶，杨博.沥青混合料高温性能设计参数研究[J].中国公路学报，2009，22（1）：2328.

[2]傅志勇.沥青混合料高温性能试验方法研究[D].长沙：长沙理工大学，2005.

[3]魏密，周进川.旋转压实试件的高温蠕变特性研究[J].重庆交通学院学报，2004，23（5）：5558.

[4]李静.沥青混合料路用性能预测模型的研究[D].西安：长安大学，2004.

[5]李辉，张久鹏，黄晓明.沥青混合料高温稳定性的单轴静载蠕变试验[J]. 河南科技大学学报：自然科学版，2006，27（3）：4851.

[6]徐世法.沥青混合料高温变形特性的试验研究[J].力学与实践，1994，16（3）：3436.

[责任编辑：袁宝燕]endprint

（2） 沥青混合料的残余应变比随着应力的增加其增大的趋势并不十分明显。其中AC16混合料的残余应变比有较大幅度的增加，而AC13和AC20两种沥青混合料的残余应变比随应力的变化基本成一条水平直线，变化并不显著。说明残余应变比对于应力的依赖性较小。

（3） 沥青混合料进入稳定加载阶段的斜率随着应力的增加基本呈线性增加，表明荷载的增大可以加速沥青混合料的变形速率，这与沥青路面在重载下容易产生车辙病害的现象是一致的。

（4） 通过对比可知，劲度模量和斜率在0.7 MPa下对于三种不同混合料的区分度最大，而残余应变比在3个应力状态下的区分度均不明显，表明其对应力的依赖性较小。

5结语

（1） 沥青混合料的蠕变劲度模量通常随温度的增加而逐渐减小，当应力小于一定值时劲度模量是随着应力的增大而增大的，当应力超过一定数值，其试件的变形量变化幅度大于应力增大幅度时，沥青混合料的劲度模量便逐渐减小。

（2） 沥青混合料的残余应变比随着温度的增加而增大，表现出较好的规律性，随着荷载的增加其变化并不十分显著。对其能否有效地评价沥青混合料高温稳定性有待进一步试验验证。

（3） 沥青混合料第二阶段的斜率随着温度和荷载的增加而逐渐增大，表现出较好的温度敏感性和应力依赖性，可以用来评价沥青混合料的高温稳定性。

（4） 当试验温度为50 ℃、加载应力为0.7 MPa时，通过试验获得的蠕变劲度、残余应变比和斜率对于不同混合料均有着较好的区分度，因此推荐采用50 ℃、0.7 MPa作为其标准试验温度和应力。

参考文献：

[1]张争奇，陶晶，杨博.沥青混合料高温性能设计参数研究[J].中国公路学报，2009，22（1）：2328.

[2]傅志勇.沥青混合料高温性能试验方法研究[D].长沙：长沙理工大学，2005.

[3]魏密，周进川.旋转压实试件的高温蠕变特性研究[J].重庆交通学院学报，2004，23（5）：5558.

[4]李静.沥青混合料路用性能预测模型的研究[D].西安：长安大学，2004.

[5]李辉，张久鹏，黄晓明.沥青混合料高温稳定性的单轴静载蠕变试验[J]. 河南科技大学学报：自然科学版，2006，27（3）：4851.

[6]徐世法.沥青混合料高温变形特性的试验研究[J].力学与实践，1994，16（3）：3436.

[责任编辑：袁宝燕]endprint