沥青混合料高温强度影响因素及提高措施方法研究

２０１３年４月　・石油沥青ＰＥＴＲＯＬＥＵＭ　ＡＳＰＨＡＬＴ　第２７卷第２期　综述・　沥青混合料高温强度影响因素及　提高措施方法研究　李福普　，李健　＇　（１．交通运输部公路科学研究院，北京１０００８８；２．道路结构与材料交通行业重点实验室，北京１０００８８）　摘要：沥青混合料是一种复杂的多成分构成的材料，性质取决于沥青性质以及矿料与胶　结料之间的相互作用等因素。主要分析了沥青混合料内部结构以及强度原鲤，确定了影响沥　青混合料高温强度的两大因素为矿料之间的嵌挤力与摩擦力以及沥青与矿料之间的粘聚力。　文章还进行了提高沥青混合料高温强度的方法措施研究，并对几种常规提高沥青混合料粘聚　力方法进行了室内试验，总结适合工程实际所需要的合理方法。　关键词：高温强度影响因素粘聚力　室内试验　沥青混合料是一种复杂的多种成分组成的材　料，是包含沥青结构、矿物骨架结构及沥青一矿　粉分散系统结构等多种单一结构和相互联系结构　是嵌挤而又紧密的结构（如沥青玛蹄脂碎石混　合料结构）。目前对其分类应用最多的主要还是　以结构特点来规定，即传统的悬浮密实结构、骨　架空隙结构和骨架密实结构。　悬浮密实结构混合料密度与强度较高，水稳　定性、低温抗裂性能以及耐久性能较好，但由于　受沥青材料性质和物理状态的影响较大，高温稳　定性较差；骨架空隙结构混合料粗集料之间的内　摩擦力和嵌挤力起到了决定性的作用，高温稳定　性较好，但空隙率大，透水性、耐久性和低温抗　裂性能较差；骨架密实结构混合料结合了以上两　种结构的优点，是一种比较理想的结构类型。表　１是三种结构类型的沥青混合料各方面参数的比　较。　的总和。因此沥青混合料的强度与各种单一结构　以及相互间的结构力都有密切的联系。　沥青混合料结构具有典型的粘弹性或者粘弹　塑性，主要取决于起粘结料作用的沥青一矿粉系　统的结构特点，因此，沥青混合料的性质取决于　沥青的性质、粘结矿物颗粒的沥青膜的厚度、以　及矿料与结合料相互作用的特性。由于作为胶凝　结构的沥青具有力学破坏后结构触变性复原　（自发可逆）的特点，所以沥青胶结料在固体颗　粒之间的液相薄层厚度起到很大的作用　Ｊ。　１　沥青混合料内部结构以及强度原理　沥青混合料是由矿质骨架和沥青结合料所构　成的，具有空间网格结构的一种多相分散体系。　一对沥青混合料来说，在不同的温度域的破坏　模式有很大的不同，在高温温度域，沥青混合料的　般认为，传统的沥青混合料的结构取决于下列　劲度模量很低，混合料的破坏模式主要是失去稳　定性而产生车辙等流动变形。发生沥青混合料流　动变形的原因主要是交通荷载的水平剪应力超过　因素：矿物骨架结构、沥青胶结料型式与数量、　矿料与沥青相互作用的特点以及沥青混合料的密　实度及其毛细一孔隙结构的特点。按其强度构成　了其自身的抗剪强度所致，也可能是蠕变变形的　收稿日期：２０１２—１２—１４。　原则的不同，沥青混合料可分为按嵌挤原则构成　的结构和按密实级配原则构成的结构两大类，介　于两者之间的还有一些半密实或者半嵌挤（部　分形成了嵌挤作用）的结构，还有最理想的则　作者简介：李福普，交通部公路科学研究院研究员，享受　国务院特殊津贴专家。主要从事公路工程、沥青路面与结　构、路面材料及机场道面工程等方面的研究。　２　石　油　沥　青　２０１３年第２７卷　积累，而沥青混合料的高温强度的形成，主要是基　于库伦的内摩擦理论。库伦莫尔圆示意见图１。　表１不同沥青混合料结构类型的比较　‘　。２　Ｒｒ　（ｄ１－０　３）／２　以上得到的结论在实际中反应的即为沥　青混合料在高温情况下的强度和稳定性的情况。　／／　２影响沥青混合料高温强度的因素　／沥青混合料结构分析中提到，由于沥青混合　／０　　Ｏ　一＼　＼　１　＼　ｏ　料的性质取决于矿物骨架结构、沥青胶结料型式　Ｊ。　ｕ　｛　；　与数量、矿料与沥青相互作用的特点等因素，因　此其高温强度的影响因素也同样受以上因素的制　约。但最核心的两方面为矿料之间的嵌挤力与内　摩阻力和沥青与矿料之间的粘聚力。　１　图１库伦莫尔圆示意　根据库伦定律，外力作用下材料不发生剪切　滑动应具备以下条件：　丁ｓＣ＋　ｔｇ　（１）　其中丁为外荷作用下，在某一面上产生的剪　沥青混合料中嵌挤力和内摩阻力的大小主要　取决于矿质集料的尺寸均匀度、颗粒形状及表面　粗糙度，用较大的均匀的矿质集料较用尺寸较小　而不均匀的矿料所组成的混合料具有较大的嵌挤　力和内摩阻力；有棱角且表面粗糙的集料较之圆　球形而表面光滑的集料所组成的混合料具有较大　的嵌挤力和内摩阻力。此外，混合料中沥青含量　也会影响摩阻力的大小。沥青含量越少时，其在　应力，　为外荷作用的正应力，ｃ为材料粘聚　力，　为材料内摩阻力。有图１莫尔圆几何关系　确定：　（０－－一０－３）一（０－　一０＂３）ｓｉｎ　］ｓｃ　￣ｏ—　一　ｍａｘ　ｇ４≤Ｃ　ｓＬ　百　Ｈ　————２ＣＯＳ　一（　一　ａｘ）ｔｚ　（２）矿料表面所形成的膜则越薄，因而摩阻力也就越　大；反之则越小。　沥青混合料的粘聚力主要取决于下列两个因　上式为沥青路面材料强度与稳定性的判断依　据，由活动剪应力与粘聚力Ｃ的关系判断材料　的极限平衡或产生塑性变形的关系。通过三轴试　素：一是沥青与矿料之间的相互作用力；二是沥　青材料本身的粘结力。因而，沥青混合料的粘聚　力与沥青的性质、矿料的性质以及沥青含量等有　关。在夏季高温条件下，沥青结合料的粘度降　低，粘结力也会有所降低，集料嵌挤作用的贡献　率将会提高，不过粘结力仍然是重要因素。　验可以测得ｃ和　值，当为无侧限抗压时，通　过公式推导可以得到结论Ｃ＝　１，／ｋ７，ｔ印＝　第２期　李福普．沥青混合料高温强度影响因素及提高措施方法研究　３　作为一个具有多级空间网格结构的分散体系　面积系数相乘，即得到单位质量矿料的总表面　积，于是沥青膜厚度可按下式计算：　Ｔ　—的沥青混合料，从其最粗一级网格结构来看，它　是各种矿质集料分散在沥青中的分散系。因此，　它的强度与分散相的浓度有着密切的关系，在其　１００—－ｂ×　ｂ　】　×一ＳＡＦ　ｌ　（３）　…　他因素固定的情况下，沥青混合料的粘聚力随着　沥青粘度的增高而增大。其次，矿料的性质也是　重要原因之一。由于沥青中最活性组分（环烷　式中：卜为沥青膜厚度，ｍｍ；　ＳＧ　——为沥青的相对密度；　ｓＡ卜——为矿料的表面积系数；　为沥青含量，％。　酸和地沥青酸）属于高分子羧基酸，其极性端　是羧基（ＣＯＯＨ），钝化部分是碳氢基（Ｒ），羧　随着沥青用量的增多，结构沥青逐渐形成，　基中的氢能与其他阳离子交换，形成不溶水的环　烷酸盐，且能溶合在非极性高分子碳氢化合物和　油分中间，随着矿料表面未补偿阳离子和沥青中　表面活性组分的增加，在吸附时的化学相互作用　（化学吸附）的能力就会增长。这就是公认的为　什么沥青与碱性矿料的粘结力大于酸性矿料的粘　结力的根本所在。　沥青含量的多少决定着沥青混合料中结构沥　青的厚度，结构沥青的形成主要是由于沥青与矿　料的相互作用而引起的沥青化学组分在矿料表面　的重分布。所以在相同沥青用量条件下，与沥青　相互作用的比表面积越大，则形成的沥青膜就越　薄，结构沥青所占的比例也就越大。为了使路面　有良好的使用性能，一般认为连续级配混合料的　最薄沥青膜厚度应为６　ｔｘｍ，而间断级配的最薄　沥青膜厚度应为８　Ｉ，ｚｍ，标准的沥青膜厚度为：　密级配沥青混凝土　＞５　ｍ　热压式沥青混凝土　＞７　ｍ　排水式沥青混凝土　＞１２　ｍ　按照Ｈｖｅｅｍ的假设，把集料视为球形颗粒，　当集料相对密度为２．６５０时，可计算出典型的表　面积系数如表２。　表２表面积系数　筛孔尺寸／ｒａｍ　表面积系数／（ｍ　・ｋｇ．１）　Ｏ．Ｏ７５　０．３２７　７　Ｏ．１５　０．１２２　９　Ｏ．３Ｏ　Ｏ．Ｏ６１　４　０．６０　０．０２８　７　１．１８　Ｏ．ＩＯ６　４　２．３６　Ｏ．０（）８　２　＞４．７５　０．００４　１　将通过每个筛孔尺寸的总百分率与相应的表　沥青更为完满地粘附于矿料表面，使沥青与矿料　之间的粘结力随着沥青用量的增多而增大。当沥　青用量足以形成薄膜并充分粘结矿料表面时，沥　青混合料具有最大的粘聚力。随后，如沥青用量　继续增多，则由于沥青过剩，遂将矿料颗粒　“推开”，在颗粒间形成未与矿料相互作用的自　由沥青，成为矿料发生位移的润滑剂，致使沥青　混合料的粘聚力随之降低，强度也随之降低。　综上所述可以认为，得到高强度沥青混合料　的基本条件是：密实的矿料骨架、适合的沥青用　量和能与沥青产生化学吸附的活性矿料。但需要　强调的一点，最好的沥青混合料结构，不是用最　高的强度来表示，而是所需要的合理强度。这种　强度应结合考虑沥青混合料在低温时具有充分的　变形能力及耐浸蚀能力，这便衍生出了在沥青混　合料设计中寻求的最佳的沥青用量或最佳油石　比。　３提高沥青混合料高温强度的方法措施　根据沥青混合料高温强度的影响因素不难发　现，提高其强度的方法也就是提高上述的影响因　素，也就是提高矿料之问的嵌挤力与摩阻力以及　沥青与矿料之间的粘聚力。　提高沥青混合料的嵌挤力和摩阻力，主要是　选用表面粗糙、形状方正且有棱角的集料，并适　当增加矿料的粗度。此外，合理地选择混合料的　级配组成和结构类型，对提高沥青混合料的嵌挤　力与内摩阻力也具有重要的作用。当然，混合料　的结构类型和组成设计还必须根据稳定性方面的　要求，结合沥青材料的性质和当地的自然条件加　以权衡确定。　提高沥青混合料的粘聚力可采取下列措施：　①改善矿料的级配组成，提高其压实后的密实　度；②采用表面粗糙的矿料；③增加矿粉含量，　４　石　油　沥　青　２０１３年第２７卷　以增加结构沥青量；④采用稠度较高的沥青；⑤　改善沥青与矿料的物理一化学性质及其相互作用　加载试验、弯曲蠕变试验、车辙试验、大型足尺　试验等，其中室内试验比较容易实现的主要为前　几种。笔者通过长期的室内试验，根据提升沥青　混合料高温强度采用的不同方案，得到的试验数　据结果进行总结分析，基本情况如下：　按照统一的ＡＣ一１６级配，采用不同的沥青　胶结料，分别选取了７０号、５０号、３０号、ＳＢＳ　改性、７０号＋ＰＲ、７０号＋岩沥青，得到的沥青　混合料进行马歇尔稳定度试验、车辙试验、多轮　车辙试验（ＲＬＷＴ）、ＡＰＡ试验以及单轴加载试　验，通过上述不同的试验方法进行几种提高沥青　过程。在现有工程矿料性质、级配以及施工工艺　和机械压实性能一定的情况下，目前国内改善沥　青混合料的粘聚力的措施主要为后两种。稠度较　高的沥青包括改性沥青（ＳＢＳ改性、ＰＥ改性等）　以及低标号沥青（３０号、５０号等）。改善沥青　与矿料的物理一化学性质包括调整沥青的组分或　在沥青中掺加表面活性物质以及其他外掺剂以及　使用表面活性添加剂以活化矿料表面等方法。　目前验证沥青混合料高温性能的试验方法有　很多，包括单轴加载试验、三轴压缩试验、径向　混合料粘聚力方法的对比，结果见表３。　表３几种提高沥青混合料粘聚力方法的试验结果对比　试验中选取了五种材料分别与原始的７Ｏ号　沥青相对比，其中采用５Ｏ号、３０号以及ＳＢＳ改　性沥青的方法均为提高胶结料稠度，而７０号＋　ＰＲ抗车辙剂和７Ｏ号＋岩沥青的方法为外掺法改　善沥青的物理一化学性质，以上两种方法均达到　度，但由于在实际工程中所处的环境多样性，不　可能按照统一的模式进行材料选择和结构设计。　提高沥青混合料高温强度和稳定性的措施可以分　为材料性能的提升和结构的优化，具体的措施方　法要根据工程实际因地制宜，结合当地材料的性　质和当地的自然条件加以权衡确定。　了提高沥青混合料粘聚力的效果。从试验数据分　析，选取的几种材料的试验性能均比７０号沥青　的性能提高很多，由此作为基础可以在实际工程　应用中有针对性的进行胶结料的比选，达到工程　参考文献　所需的理想路用效果。　４结语　［１］　沥青及沥青混合料试验规程ＪＴＧ　Ｅ２Ｏ＿＿２ｏｌｌ　［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２０１１．　［２］　沈金安．沥青及沥青混合料路用性能．北京：人　沥青混合料内部复杂的组成成分以及空间网　状结构决定了其性质的复杂性和多变性。尽管目　前对沥青混合料结构的认识程度已经达到一定深　民交通出版社［Ｍ］，２００１．　第２期　李福普．沥青混合料高温强度影响因素及提高措施方法研究　５　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　Ｆａｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　Ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　Ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｉｎ　Ｈｉｇｈ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｆ　Ａｓｐｈａｌｔ　Ｍｉｘｔｕｒｅ　Ｌｉ　Ｆｕｐｕ　，＿．Ｌｉ　Ｊｉａｎ　・　（１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆＨｉｇｈｗａｙ　Ｍｉｎ￣ｔｒｙ　ｆｏ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８８；　２．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ舶　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｍｉｎｕｔｙｒ　ｆｏ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８８）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｉｓ　ａ　ｃｏｍｐｌｅｘ　ｍｕｌｔｉ—ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ　ｍａｔｅｒｉａｌ，ｔｈｅ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｄｅｐｅｎｄｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｓｐｈａｌｔ　ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｍｉｎｅｒａｌ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ａｎｄ　ｂｉｎｄｅｒ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ａｎａｌｙｓｅｄ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｓｔｎｒｃ—　ｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ，ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ　ｔｈｅ　ｔｗｏ　ｍａｊｏｒ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｔｈａｔ　ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ　ｔｅｒｎ—　ｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ，ｔｈｅｙ　ｗｅｒｅ　ｔｈｅ　ｆｉｒｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｍｉｎｅｒａｌ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｈｅｓｉｖｅ　ｆｏｒｃｅ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ａｓｐｈａｌｔ　ａｎｄ　ｍｉｎｅｒｌａ　ａｇｇｒｅｇａｔｅ．Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｓ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｈｉｇｈ—ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ，ａｎｄ　ｔｅｓｔ　ｓｅｖｅｒａｌ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｈｅｓｉｖｅ　ｆｏｒｃｅ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｉｎ　ｉｎｄｏｏｒ．Ａｔ　ｌａｓｔ　ｈｔｅ　ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｗｅｒｅ　ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｉｎ　ｈｉｇｈ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ；ａｆｆｅｃｔｉｎｇ　ｆａｃｔｏｒｓ；ｃｏｈｅｓｉｖｅ　ｆｏｒｃｅ；ｉｎｄｏｏｒ　ｔｅｓｔ　・短讯・　费２亿元，其他费用０．８２亿元）。　太茅路改造工程北起晋阳街，南至小店高速口，道　山西太原今年将改造　路全长５．２５　ｋｍ，宽５０　ｍ。建设内容包括征地、拆迁、　道路、排水、桥涵、电力、配套管网、交通及绿化工　６条道路、３个立交通道　程，总投资７．３８亿元（其中，工程费５．４９亿元，征地　费０．８８亿元，拆迁费０．２３亿元，其他费用０．７８亿元）。　２０１３年３月９日，从太原市城乡管委了解到，太原　许坦西街改造工程东起坞城路，西至体育路，长　２０１３年将改造包括长治路、并州路及太茅路等共６条道　１．４　ｋｍ，道路红线宽４０　ｍ。建设内容包括道路、排水、　路，并将改造滨河东路三个立交通道，改造所需投资为　电力、照明、交通、配套管网、绿化等。总投资约０．６１　４３．４２亿元。　亿元。　２０１３年属于城乡管委负责改造的道路共有６条，分　南中环街快速化改造工程东起东环高速，西至西环　别为长治路、并州路坞城路、太茅路、许坦西街、南中　高速，全长１４．２　ｋｍ，涉及太榆路与南中环全互通立交　环街和正阳街，同时，滨河东路与双塔西街、亲贤街、　工程等１０个节点分项工程，总投资２０．６亿元。　学府街交界处三个立交通道也将进行改造。　正阳街改造工程西起太茅路，东至大运路，全长　其中，长治路改造工程北起南内环街，南至中心　２．２　ｋｍ，宽４０　ｍ。建设内容包括道路、排水、电力、照　街，全长６．３４　ｋｍ，红线宽５０　ｉｎ。建设内容包括道路、　明、交通、配套管网、绿化等。总投资约１．７亿元。　排水、电力、照明、交通、绿化等。总投资５．５７亿元　在滨河东路与双塔西街、亲贤街、学府街平交节点　（其中，工程费２．７６亿元，拆迁费２．２亿元，其他费用　的立交通道进行立体化改造，增加左转出入交通功能，　０．６１亿元。拆迁面积按４　Ｘ１０　ｍ　估算）。　分散迎泽桥、南内环桥和长风桥的交通压力，从而改善　并州路坞城路改造工程北起迎泽南街，南至南中环　滨河东路的通行状况，总投资１．９６亿元。　街，全长７．４３　ｋｍ，道路红线宽５０　ｍ。建设内容包括拆　经统计，改造的６条道路及３处立交通道所需投资　迁、道路、排水、桥涵、电力、配套管网、交通及绿化　共为４３．４２亿元，所有改造工程将于今年完工。　工程，总投资５．６亿元（其中，工程费２．７４亿元，拆迁　（沥青情报站供稿）