吉林交通科技 ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＯＦ ＪＩＬＩＮ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ ２００８年第４期 沥青混合料路用性能分析 唐（长春宁 董桂红 （长春１３００００） 黄孝伟 （长春１３００２２） 吉林省东亚交通勘察设计有限责任公司 长春高新建筑设计院吉林省公路工程监理有限责任公司 １３０１１７） 【内容摘要】根据道路使用功能，本文对于沥青混合料的高温稳定性、低温抗裂性和耐久性能进行了阐述， 并对提高各项性能的措施进行了分析，结果对于进一步进行沥青混合料研究有着重要的借鉴意义。 【关键词】沥青混合料高温稳定性低温抗裂性 成交通事故。在过重的行车荷载或持续荷载作用下， 随着高等级公路建设的发展，超载重载车辆的 增多，对路面的要求越来越高，高等级公路路面面 层，为汽车提供了安全、经济、舒适的服务，并直接承 受汽车荷载的作用和自然因素的影响。尤其是季冻 地区高等级公路建成通车不久后有些路段车辙、裂 缝等早期病害严重，因此铺筑面层所用沥青混合料 的组成设计必须考虑高低温稳定性能，同时考虑耐 久性等问题。 １沥青混合料性能综述 混合料会出现过量的永久变形，这些变形会使路面 不平整，产生路面结构破坏。目前用于测定沥青混合 料高温稳定性的试验有：单轴加载试验、三轴压缩试 验、径向加载试验（劈裂试验）、弯曲蠕变试验、扭转 剪切试验、简单剪切试验、车辙试验、大型环道试验、 野外现场试验。研究如何减少路面车辙，提高沥青混 合料的高温稳定性已经是目前的路面设计和科研工 作中最重要的工作和科研课题之一。 １．２沥青混合料低温稳定性 沥青路面在低温时强度虽然增大，但其变形能力 １．１沥青混合料高温稳定性 沥青混合料是一种粘弹性材料，其物理力学性 能与温度和荷载作用时间密切相关。沥青路面在使 用期间，经受从低温到高温不同环境条件的考验。通 常所说的沥青混合料的高温稳定性能的“高温”条件 却因刚性增大而降低。气温下降，特别是在急骤降温 时，会在路面结构上产生温度梯度，路面面层遇降温 而收缩的趋势会受到其下部层次的约束，而在面层产 生拉应力。开始时由于沥青混合料的劲度相对较低， 这个拉应力较小，但是随着进一步的降温，在低温状 态下，沥青混合料的劲度增加，从而伴随了收缩趋势 的进一步增强，导致拉应力超过沥青混凝土的强度， 造成面层开裂。沥青路面的低温缩裂，大致可分为两 类：一类是温度下降而造成路面的开裂，它与沥青混 合料的体积收缩有关，这种裂缝是由表面开始发裂而 逐渐发展成为裂缝；另一类是属于路基或基层收缩与 冰冻共同作用而产生的裂缝，这类裂缝是从基层开始 逐渐反映到表面层开裂。由于路面收缩的主轴是纵向 的，因此，低温产生的裂缝大多是横向的。裂缝的出 是指在使用过程中受到交通荷载的反复作用，容易 产生车辙、推移、拥包等永久变形的温度范围。道路 使用实践表明，在通常汽车荷载条件下，永久变形主 要在夏季气温高于２５℃～３０℃左右，即沥青路面的 路表温度达到４０￣Ｃ～５０％以上，已经达到或超过道 路沥青软化点温度的情况下容易产生，且随着温度 的升高和荷载的加重，变形愈大。在我国，大部分地 区一年中有数十天乃至一百余天超过这个温度，有 些地方尽管一年之中也许仅仅只有几天达到这样的 气温条件，也难逃高温变形破坏的厄运。 在上述病害中，车辙的产生不仅会造成路表的 不平整，而且在车辆高速行驶时会出现飘滑现象酿 现，往往就是沥青路面损坏开始。随着低温循环的影 响，裂缝将会进一步扩展，随后雨水由裂缝渗入路面 １５ ２００８年第４期 结构，逐渐导致路面工作状况恶化。 唐宁等：沥青混合料路用性能分析 Ｔ＝ｃ＋￣ｔａｎ０ 在季冻地区，夏季高温多雨，冬季寒冷漫长，由 于沥青路面在高温时变形能力较强，而低温时则较 差。所以在低温时，往往有裂缝发生。路面裂缝的危 害在于从裂缝中不断进入水分使基层甚至路基软化 式中：Ｔ－－－沥青混凝土的抗剪强度； Ｃ－－－沥青或沥青填料胶泥的粘结力； ‘ｐ～沥青混合料所受的正应力； ｅ＿＿内摩擦角。 导致路面承载力下降，产生诸如唧浆、网裂等种种病 害加速路面破坏，因此，提高路面的抗裂性也是沥青 路面的重要课题。 １．３沥青混合料耐久性 影响内摩擦角的因素有：①集料的颗粒形状；② 表面纹理深度；③天然砂含量；④沥青用量；⑤沥青 混合料的级配；⑥密实度。 影响粘结力的因素有：①沥青的性质；②沥青用 量。 沥青混合料的耐久性是指其抵抗老化及磨耗作 用的能力，主要表现为：沥青在加工热拌时和使用过 程中出现的老化或硬化，使其性质变脆而易出现开 因此，为了提高沥青混合料的内摩擦角０和粘 聚力ｃ，需要从上述几方面人手。 裂；集料在车轮作用下被压碎，或在冻融作用下崩 解，出现磨损或级配退化；在水的作用下，沥青同集 料间的粘结力降低而出现剥落。耐久性差的沥青混 一（１）增加粗集料的含量 对于沥青混合料，在高温和常温时的破坏机理， 般采用库仑内摩擦理论来分析其强度，对于圆柱 合料，易于出现裂缝、松散（剥落）和磨损等损坏，从 而降低路面的使用性能及寿命。 ２提高沥青混合料性能的措施 试件采用三轴剪切试验，根据库仑定律，外力作用下 材料不发生剪切滑动应该具备下列条件： Ｔ ｃ＋￣ｔｇ０或者 （（‘ｐ１一‘Ｐ３）一（‘Ｐｌ＋‘Ｐ３）ｓｉｎ０） ｃ Ｔ＝— （￣１－￣３）ｃｏｓ０ 二 ２．１提高沥青混合料高温稳定性措施 实践调查表明，目前车辙是沥青混合料高温稳 定性不足而表现出的主要病害之一。抗剪强度不足， 尤其是中面层抗剪强度不足，夏季高温季节，在重载 和超载的作用下沥青混合料容易出现侧向移动，形 成车辙；重载卡车数量越多，轴重和轮胎压力越大， 出现车辙的程度越严重。除了控制外在的影响因素 如重载、超载等，还应从混合料本身的强度方面人 其中‘ｐ＝ １一（‘Ｐ１＋‘ｐ３）一— （‘ｐ１＋‘ｐ３）ｓｉｎ０ 二 二 根据上面公式结合表１可知，用表面粗糙粗集 料、且粗集料含量较高（４．７５ｍｍ以上含量超过 ７０％），将使混合料的内摩擦角保持在较高的水平 上，这将极大地提高沥青路面的抗剪强度，减轻路面 手，提高混合料的高温稳定性。 沥青混凝土的强度取决于混合料的内摩擦角和 粘结力。不同级配类型、不同集料类型沥青混合料对 内摩擦角和粘聚力的影响不同，抗剪试验结果见表１。 可以用莫尔一库仑方程来说明矿料和沥青对沥青混 凝土抗剪强度的影响： 表１不同级配类型、不同集料类型对沥青混合料内摩擦角０ 和粘聚力ｃ的影响 推移、拥包等剪切破坏，延长路面使用寿命。 从另外一个角度看，沥青混合料作为一种弹 性一粘塑性材料，应力一应变关系中呈现出不同的性 质。目前用于沥青混合料流变力学特征模型主要是 伯格斯模型、修正的伯格斯模型、Ｄｅｌｆｔ—Ｘａｈｕ模型。 伯格斯模型如图１。 Ｅ１ 编号 混合料类型 集料表面性质 粘聚力ｃ（ｋＰａ）内摩擦角 （ｒａｄ） ３ｌ８ Ｏ．６ｏｏ４ ≯ Ｚ≯—目一 ． １ 粗粒式沥青混合料表面粗糙有棱角（碎石） ２中粒式沥青混合料表面粗糙有棱角（碎石） ３细粒式沥青混合料表面粗糙有棱角（碎石） ４中粒式沥青混合料 表面光滑（卵石） ２７９ ３０８ ２３２ ０．５９０５ Ｏ．５８４１ ０．４３８７ Ｏ．３７９９ 图１伯格斯模型 沥青混合料有时为弹性性质，有时呈现出粘塑 性性质。大多数情况下，几乎同时综合呈现出上述性 １６ ５ 细粒式沥青混合料 表面光滑（卵石） １７２ 唐宁等：沥青混合料路用性能分析 ２００８年第４期 质。在沥青混合料使用过程中，人们希望其尽可能在 混合料的强度或抗车辙能力就越差。在岩石品种和 弹性范围内工作，延长松弛时间，达到减少路面车 矿料级配都相同的情况下，对ＡＨ一７０沥青制成的混 辙、延长路面使用寿命的目的。 合料与用ＡＨ一９０沥青制成的混合料进行比较，车辙 本购方程： ＋ｐｌ ＋ｐ２叮＝ｑｌ ８＋ｑ２￡ 试验结果表明，前者的动稳定度明显大于后者。 蠕变方程： 沥青的感温性越大，高温时沥青混合料的粘结 ８㈩训［ ＋古ｔ＋古ｃ－ Ｅ２ ｔ ］ 力就越弱，抗车辙能力也越小。 在矿料颗粒组成不稳定的情况下，沥青的特性 松弛方程： 对改善混凝土的抗车辙能力有重要作用，采用硬沥 盯（ｔ）＝—Ｘ／／ －４一ｐ２［（＿ｑｌ＋ｆｑ２ ｅ￣）ｅ－ａｔ＋（ｑｌ＋ｑ２［３）ｅ－１３ｔ］ 青或改性沥青时，沥青混凝土的抗车辙能力增加。 （４）沥青用量 式中： 实际情况并不是沥青用量多，包覆矿料的沥青 ｐｌ＝昔＋ 膜厚，沥青混合料的粘结力就大，而是包覆矿料的沥 青膜越薄，混合料的粘接力越强，因此，沥青用量过 ｐ２＝ 多不但会显著降低沥青混凝土的内摩擦力，还会降 低其粘结力，其结果是大幅降低沥青混凝土抗车辙 ｑｌ＝ １ 能力。 ｑ２＝ ２．２提高沥青混合料低温稳定性措施 随着人们认识的深入，对沥青路面低温开裂越 ＝击（ｐｌ＋、／ｐ２＿４ｐ ） 来越关注，影响低温开裂的因素很多，为了减少路面 开裂，进行了大量的研究和探索，认为可以采用以下 ｐ＝击（ｐｌ－、／ｐ２－４ｐ：） 方法进行控制，主要为： 根据上面的蠕变、松弛方程可知，由于增加了粗 （１）劲度法：认为把沥青或混合料的低温劲 集料的含量，相当于增加了模型中的Ｅ１、Ｅ２值，如 度在某一较低范围内便能消除横向裂缝。 果行车速度快（８ｏ～１５０ｋｍ／ｈ）使得荷载作用时间短， （２）开裂统计法：路面低温开裂与膏体沥青原始 这些都将减少路面在使用过程中的车辙量，提高沥 劲度、路面年限、路基类型、冬季设计温度和路面厚 青混合料的高温稳定性。 度等有关，由裂缝指数来表征： （２）沥青混合料的级配 Ｉ＝ｆ（ｓ，ａ，ｄ，ｍ，ｔ） 普通的沥青混凝土是按密实级配原则构成强度 １０１＝２．４９７×１０加×ｓ｝＆９９ ｇ７４３【＋ｌ＇３３８４￣）× 的沥青混合料，是以沥青与矿料之间的粘结为主，矿 （７．０５３９×１∞（３．１９２８×１０ ３）ｍｄ锄 料颗粒之间的嵌挤力和内摩擦力为辅而构成的。这 其中：Ｉ一裂缝指数 类混合料受温度影响较大。沥青混合料的结构通常 ｓ一膏体沥青的原始劲度 可以按照悬浮密实结构、骨架空隙结构和密实骨架 ａ一路面年限 结构三种方式构成，沥青混合料使用性能的对比试 ｄ一路基类型参数 验说明密实骨架结构具有良好的高温稳定性。 ｍ一冬季设计温度 （３）沥青的性质 ｔ一沥青层厚度 我国“七五”国家重点科技项目做过一些试验， （３）预估破裂温度法：随着温度下降，面层温度 曾得出沥青混合料的动稳定度与沥青粘度的关系， 收缩应力 ｘ（ｒＩ’）累计达到极限强度［ｃｒＴ］时，路面开始 沥青的粘度越高，混合料的强度或抗车辙能力就越 开裂，即： 大。 ｏ－ｘｆｆ）≥［ 沥青的针人度越大，混合料的粘结力越小，沥青 温度有Ｔ０按降温速度Ｔ下降到Ｔｆ时，则温度收 １７ ２００８年第４期 唐宁等：沥青混合料路用性能分析 缩应力等于温缩应变与劲度模量的乘积，由此： Ｔｆ ２．３提高沥青混合料耐久性的措施 提高沥青混合料耐久性除要选择耐久性好的沥 ｘ（Ｔ）＝Ｊ ｓ（ｔ，Ｔ）ｄＴ可以简化为 Ｊ 青和集料，控制沥青混合料的拌和温度外，提高沥青 混合料耐久性的途径主要是减少混合料的空隙率， 使之不透或少透水、气和水气。为此，可通过采用高 沥青含量的密级配沥青混合料，来减少空隙含量。此 外，常采用添加外掺剂来改善沥青同集料的粘附性。 ３结语 Ｔｆ 盯ｘ（Ｔ）：ｏ【∑ｓ ・△Ｔ Ｔ０ （４）松弛理论简化法：采用离散化方法按波尔茨 曼叠加原理进行松弛应力叠加近似计算。则温度收 缩应力表示为： Ｔｆ 盯ｘ（Ｔ）＝ ∑Ｇ（０ｆ－０ｉ，Ｔｉ）ＡＴｉ Ｔ０ 对于沥青路面而言，影响其上述路用性能的因 素很多，这些因素对于某一特定的性能所贡献的权 数不一，上述性能的需求往往是互相矛盾或相互制 （５）能量法：外力对面层做的功为ｕ（ｔ），应力松弛 过程中粘弹性材料逸出的能量为Ｗｅ（ｔ），当ｔ０时储存 在材料内部的能量Ｗ（ｔ）可以记为： Ｗ（ｔ０）＝Ｕ（ｔＯ）一Ｗｅ（ｔ０） 约的。照顾了某一种性能，很可能就会降低另一方面 的性能。因此沥青混合料的材料选择和配合比的设 计，实际上是在各种路用性能之间搞平衡或是优化 设计，还应根据当地的气候条件及交通情况作具体 分析。 参考文献 １沈金安．改性沥青与ＳＭＡ路面．人民交通出 版社。１９９９．７ 称ｗ（ｔ）为储存能，当ｗ（１）达到一定水平使材料 发生断裂，材料断裂的储存能ｗ（ｔ）被消耗于形成新 表面的表面能ｒ和克服流动变形的功Ｕｆ。Ｆ＋Ｕｆ成为 断裂能。假定Ｗｆ１）全部用于断裂所需的断裂能ｕｆ， 则有： Ｗ（ｔ）＝Ｕｆ 具体计算有： Ｗｉ（ｔ）＝盯ｉ（ｔ０）￡ｉ（ｔＯ） ２张登良．沥青路面．人民交通出版社，１９９８．１２ ３张登良．沥青与沥青混合料．人民交通出版 社．１９９３ ｃｒｉ（ｔ０１一ｔＯ时刻的松弛应力 ｅｉ（ｔ０）一ｔＯ时刻的收缩应变 ４严家汲．道路建筑材料（第三版）．人民交通出 版社。１９９６．６ 从众多的设计方法中，可以看出沥青混合料开 裂，主要是与温度、沥青混合料的低温劲度有关。沥 青混合料劲度，根据文献［３１，主要与沥青含量和沥青 的性质有关，增加沥青含量、改善低温ｌ生能都能有效 的改善沥青混合料的低温劲度模量。 ５方福森．路面工程．人民交通出版社，１９８５．６ ６沈金安沥青及沥青混合料路用性能．人民交 通出版社，２００１．５ （收稿日期：２００８．１０．１５） １８
