沥青路面高温稳定性影响因素分析
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第 2期
北方交通
27
沥青路面高温稳定性影响因素分析
张均辉
(沈阳新民市公路管理 处, 沈阳 110300)
摘 要: 对沥青路面的高温稳定性从内因和外因方 面进行 了定性 分析, 并采用 有限元 分析的方 法对几 种路面 结构变形进行了定量分 析, 找出车辙产生的原因, 为工程设计、施工、管理中如何减少车辙的发生提供必要的参考。
北工业大学, 1999. [ 9] 唐伯明. 刚性路面板脱空状况的评定与分析 [ J] . 中国公路学报,
般不会产生严重的变形。根据实验研究的结论, 高 温环境通常是指 25~ 35 的气温条件。 2. 2 高温稳定性的测试方法
国内外对于沥青混合料高温性能试验进行了很 多研究, 提出了很多试验方法, 有小型模拟试验设备 的车辙试验; 试验室圆柱试件的单轴静载、动载、重 复试验; 径向试验的静载、动载、重复试验; 三轴试验 的静载、动载、重复试验; 简单剪切的静载、重复加载 和动力试验; 中空圆柱试件的动力、剪切试验; 棱柱 形梁试件的弯曲蠕变试验; 室外试验有大型环道、直 道试验设备的足尺路面高温性能试验; 现场试验路 面的加速车辙试验等。这些试验从不同角度对沥青 混合料进行了评价。
A nalys is and Eva luation to the V o id under Road Surface in C em ent C oncrete Pavem ent of R uralH ighw ay
Abstract The causes and features of void under road surface in cem ent concrete pavem ent o f rura l h ighw ay are analyzed by investigating the dam age of cem ent concrete pavem ent of several rura l highw ays. R esponse m odu lus of base course top in m iddle part and side of the pavem ent are back ca lculated by theoret ical reg ression m ethod and vo id status o f cem en t concrete pavem ent is defined by com parison. Th is m ethod is verified at the field.
( 1) 沥青材料本身的影响 在沥青材料性质中, 与温度变化有关的指标如 针入度、针入度指数、粘度、软化点等对沥青混合料 高温稳定性有明显的影响。 针入度是表示沥青稠度的一个指标, 针入度小, 则沥青与骨料的黏结力大, 沥青混合料的抗高温变 形能力增强; 针入度指数反映了沥青粘度随温度变 化的幅度, 沥青的温度敏感性越低, 形成的沥青混合 料的高温稳定性能越好, 针入度指数 P I增加, 沥青 的弹性和触变性增加, 增加沥青针入度指数 P I值可 有效地提高抗变形能力; 软化点是高温稳定性的重 要指标, 在同样的针入度下, 软化点越高, 沥青的高 温性能就越好, 软化点高意味着沥青的等粘温度高, 混合料高温稳定性好, 有研究表明, 沥青软化点与车 辙试验的动稳定度之间存在较好的相关关系。软化 点每增加 5 , 车辙率减半; 沥青的粘度越大, 与石 料结合的粘附性越好, 在一定温度和荷载条件下, 沥 青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; 沥青的含蜡量对沥青 的性质的影响非常明显, 对于含蜡量高的沥青, 沥青 温度接近软化点温度时, 蜡的熔融会引起沥青粘度 的明显降低, 从而使混合料稳定性随之降低。 ( 2) 沥青用量的影响 合适的沥青含量能提高沥青混合料的高温稳定 性, 沥青在混合料中以结构沥青和自由沥青的方式 存在, 结构沥青膜连接矿物颗粒之间接触处, 会使沥 青具有更高的粘度和更大的扩散溶化膜接触面积,
沥青路面的使用质量与诸多因素有关, 在设计 施工时, 受材料设计和施工试验指标控制的影响, 在 使用过程中, 受各种自然气候环境和车辆条件的影 响。车辙产生的原因归结起来体现在两个方面, 一 是设计施工方面, 主要因素材料上, 如沥青类型、沥 青用量、集料的性质、混合料类型、空隙率等; 二是气 候和交通条件方面。此外, 路面基层和路面结构组 成及施工质量对路面车辙也有较大的影响。 3. 1 设计施工方面的影响
第 2期
张均辉: 沥青路面高温稳定性影响因素分析
29
粒式沥青混合料仍具有较高的动稳定度, 级配不好 但增大了集料粒径并没有改善混合料高温稳定性, 在我国被广泛使用的级配碎石混合料, 集料均是大 粒径的, 但动稳定度并不高。
( 5) 空隙率的影响 空隙率的大小对沥青混合料的路用性能有很大 的影响, 空隙率大的沥青混合料, 其稳定性主要来源 于矿料的内摩阻力, 而内摩阻力不受温度变化的影 响, 因而空隙率大的沥青混合料高温稳定性较好; 相 反, 空隙率小的沥青混合 料, 由于内 部沥青含量较 多, 温度升高会引起沥青体积膨胀, 减小了矿料间的 内摩阻力, 从而减小了混合料的抗剪能力, 动稳定度 也随之降低。密实级 配的沥青混合 料的空隙率在 2% ~ 4% , 小于这个数值, 则沥青含量过大, 混合料 流动, 混合料抗变形能力明显减小, 如果由于现场压 实不足而造成空隙率过大, 则混合料更容易变形。 ( 6) 路面厚度的影响 国外为提高沥青路面的寿命采用全厚式结构, 其沥青层厚度达到 30 ~ 40cm, 但车辙并不明显, 我 国半刚性沥青路面厚度在 6 ~ 18cm, 却仍产生严重 的车辙现象, 可见, 一般情况下认为的沥青层厚度越 大产生的车辙越大的观点是不全面的, 还要结合其 他方面进行综合分析。 永久变形与混合料结构层内平均应力及沥青的 粘滞度有关, 当沥青层厚度达到 25cm 以上时, 车辙 深度就不再随结构层的厚度增加, 对于较厚的沥青 路面, 车辙主要发生在沥青层上部的 10 ~ 20cm 范 围内。 3. 2 影响沥青路面高温稳定性的外因 ( 1) 环境温度的影响 沥青路面的高温稳定性受温度的影响很大, 在 20 以下的中低温状态下, 沥青路面处于硬塑状态, 温度变化对混合料的高温稳定性几 乎没有什么影 响, 温度提高, 沥青混合料的模量降低, 抗车辙能力 迅速减弱。在 40~ 60 范围内, 沥青混合料在温度 上升 5 时, 其变形量增加近 2倍。可见, 环境温度 是影响沥青混合料高温稳定性最大的因素。 ( 2) 交通条件的影响 车辆行驶对路面高温稳定性的影响可以归结为 荷载大小、行车速度两个方面。行车速度大小对路 面水平力影响较大, 对变形方面的影响则表现为冲 击力。荷载大小对路面车辙有比较直接的影响。在 路表温度 60 的条件下, 荷载应力从 0. 7 M P a增加 到 0. 8 M Pa时, 造成动稳定度减小约 40% ; 而当荷
目前我国规范高温稳定性试验指标采用的是车 辙试验指标。该试验的方法是, 制备沥青混合料板 块状试件, 在试验室采用一个小型车轮在上面进行 往复行走, 模拟车辆在路面上行驶产生车辙的情况, 从而使试验沥青混合料试件上形成像实际沥青路面 那样的辙槽, 在试验车轮的一定作用次数下, 试验板
1992, 5 ( 1) : 40- 44. [ 10] JTGD 40- 2002, 路水泥混凝土路面设计规范 [ S] .
因而可以获得更大的粘聚力, 是混合料稳定度产生 的主要因素。当沥青含量较少时, 沥青在集料表面 形成的沥青膜过薄, 混合料呈干枯状态而缺乏足够 的粘结力, 不能形成高的强度, 高温稳定性差。增加 沥青用量, 混合料 黏结力增强, 高温稳定性 随之提 高。当超过最佳沥青用量以后, 沥青在集料表面形 成的沥青膜增厚, 自由沥青增多, 润滑能力增强, 集 料颗粒在荷载作用下易于滑动移位, 高温稳定性降 低。
沥青路面工作期间, 经受不同的温度和湿度环 境, 沥青混凝土是一种粘弹性材料, 它的物理力学性 能与温度密切相关, 也与荷载作用时间有关。在夏 季气温 25 以上, 这时沥青路面表面温度达到 40 以上, 已经达到或超过道路沥青的软化点温度, 在汽 车荷载作用下, 永久性变形容易产生, 并且随着温度 提高和荷载加重, 变形将加大。在低于 25 时, 一
关键词: 沥青路面; 高温稳定 性; 材料因素; 环境条件; 路面结构组成 中图分类号: U 414 文献标识码: B 文章编号: 1673- 6052( 2011) 02- 0027- 04
1 前言 沥青路面因为高温引起的破坏有车辙、拥包、推
挤、泛油、搓板等形式。车辙是在高温条件下沥青路 面受荷载作用, 混合料发生竖向压密或混合料侧移 产生的不能恢复的永久变形。车辙的危害体现在两 个方面, 一是影响行车舒适性, 二是对交通安全构成 威胁。影响沥青混合料高温稳定性的因素是多方面 的, 包括测试方法、材料因素、环境因素等, 要控制好 车辙的发生, 需要多方面因素综合考虑, 抓住主要矛 盾, 使车辙得到控制。 2 沥青混合料高温稳定性的测试 2. 1 高温环境的范围确定
( 3)集料性质的影响 针片状含量小, 颗粒接近立方体的坚硬、洁净集 料, 拌和的沥青混合料高温性能比较好。矿粉对沥 青混合料耐热性影响很大, 是矿质混合料中影响最 大的, 因为矿粉比表面积大, 与沥青混合后能够减少 沥青的流动性, 特别是活性矿粉, 影响更为明显。从 提高高温稳定性角度, 必须要控制好混合料中矿粉 的含量。石灰岩质矿粉配制的沥青混合料耐热性较 高, 而石英岩质矿粉的沥青混合料耐热性较低。 集料的化学性质体现在它与 沥青的相互作用 上, 与沥青吸附作用强的石料, 形成的沥青混合料具 有较好的抗变形能力, 因而混合料的动稳定度也相 应提高。 ( 4)级配类型的影响 沥青混合料的结构类型分为三类, 即密实骨架 型结构、密实悬浮型结构、骨架空隙型结构, 沥青混 合料的强度形成来源于两个方面, 即集料间的嵌挤 作用和沥青结合料粘结作用。试验研究分析表明, 对沥青混合料的高温稳定性的贡献, 有 60% 来自于 集料的嵌挤作用, 有 40% 来自于沥青结合料的粘结 作用。 矿料级配和沥青含量决定了沥青混合料的结构 类型, 不同的结构类型混合料密实程度不同, 矿料颗 粒间嵌挤力大小差别很大, 直接影响路面的抗剪强 度。 据美国洲际公路研究计划的研究, 在一般情况 下, 级配合理的密实混合料的高温稳定性要优于间 断级配混合料。形成骨架结构的级配受温度变化影 响较小, 有较好的抗车辙能力, 而悬浮型结构抗车辙 能力较差, 因而密实骨架型结构的抗车辙能力好于 骨架空隙型结构、骨架空隙型结构好于密实悬浮型 结构。 集料的粒径对沥青混合料的高温稳定性有多大 的影响, 人们想当然地认为, 集料的粒径大, 混合料 的高温稳定性越好, 但多数试验表明, 级配良好的细
Key wo rds C em ent concrete pavem en;t Vo id; D eflect ion; F oundation resp11
块达到预定的变形数量, 此时的作用次数称为动稳 定度, 作为沥青混合料抗永久变形的评价指标, 试验 方法的名称为动稳定度试验或车辙试验。动稳定度 试验方法简单, 模拟车辙直观, 便于在工程上推广利 用。但试验结果尚不是路面的设计指标, 它与沥青 混合料浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试 验一起作为使用性能检验指标。 3 影响沥青混合料高温稳定性的因素分析
载应力从 0. 7 M Pa减小到 0. 6 MP a时, 动稳定度增
加约 68% 。 4 沥青路面高温稳定性分析
采用有限元理论对几种路面结构进行分析。选
取以下四种代表结构, 结构一是常用的半刚性路面
北方交通
27
沥青路面高温稳定性影响因素分析
张均辉
(沈阳新民市公路管理 处, 沈阳 110300)
摘 要: 对沥青路面的高温稳定性从内因和外因方 面进行 了定性 分析, 并采用 有限元 分析的方 法对几 种路面 结构变形进行了定量分 析, 找出车辙产生的原因, 为工程设计、施工、管理中如何减少车辙的发生提供必要的参考。
北工业大学, 1999. [ 9] 唐伯明. 刚性路面板脱空状况的评定与分析 [ J] . 中国公路学报,
般不会产生严重的变形。根据实验研究的结论, 高 温环境通常是指 25~ 35 的气温条件。 2. 2 高温稳定性的测试方法
国内外对于沥青混合料高温性能试验进行了很 多研究, 提出了很多试验方法, 有小型模拟试验设备 的车辙试验; 试验室圆柱试件的单轴静载、动载、重 复试验; 径向试验的静载、动载、重复试验; 三轴试验 的静载、动载、重复试验; 简单剪切的静载、重复加载 和动力试验; 中空圆柱试件的动力、剪切试验; 棱柱 形梁试件的弯曲蠕变试验; 室外试验有大型环道、直 道试验设备的足尺路面高温性能试验; 现场试验路 面的加速车辙试验等。这些试验从不同角度对沥青 混合料进行了评价。
A nalys is and Eva luation to the V o id under Road Surface in C em ent C oncrete Pavem ent of R uralH ighw ay
Abstract The causes and features of void under road surface in cem ent concrete pavem ent o f rura l h ighw ay are analyzed by investigating the dam age of cem ent concrete pavem ent of several rura l highw ays. R esponse m odu lus of base course top in m iddle part and side of the pavem ent are back ca lculated by theoret ical reg ression m ethod and vo id status o f cem en t concrete pavem ent is defined by com parison. Th is m ethod is verified at the field.
( 1) 沥青材料本身的影响 在沥青材料性质中, 与温度变化有关的指标如 针入度、针入度指数、粘度、软化点等对沥青混合料 高温稳定性有明显的影响。 针入度是表示沥青稠度的一个指标, 针入度小, 则沥青与骨料的黏结力大, 沥青混合料的抗高温变 形能力增强; 针入度指数反映了沥青粘度随温度变 化的幅度, 沥青的温度敏感性越低, 形成的沥青混合 料的高温稳定性能越好, 针入度指数 P I增加, 沥青 的弹性和触变性增加, 增加沥青针入度指数 P I值可 有效地提高抗变形能力; 软化点是高温稳定性的重 要指标, 在同样的针入度下, 软化点越高, 沥青的高 温性能就越好, 软化点高意味着沥青的等粘温度高, 混合料高温稳定性好, 有研究表明, 沥青软化点与车 辙试验的动稳定度之间存在较好的相关关系。软化 点每增加 5 , 车辙率减半; 沥青的粘度越大, 与石 料结合的粘附性越好, 在一定温度和荷载条件下, 沥 青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; 沥青的含蜡量对沥青 的性质的影响非常明显, 对于含蜡量高的沥青, 沥青 温度接近软化点温度时, 蜡的熔融会引起沥青粘度 的明显降低, 从而使混合料稳定性随之降低。 ( 2) 沥青用量的影响 合适的沥青含量能提高沥青混合料的高温稳定 性, 沥青在混合料中以结构沥青和自由沥青的方式 存在, 结构沥青膜连接矿物颗粒之间接触处, 会使沥 青具有更高的粘度和更大的扩散溶化膜接触面积,
沥青路面的使用质量与诸多因素有关, 在设计 施工时, 受材料设计和施工试验指标控制的影响, 在 使用过程中, 受各种自然气候环境和车辆条件的影 响。车辙产生的原因归结起来体现在两个方面, 一 是设计施工方面, 主要因素材料上, 如沥青类型、沥 青用量、集料的性质、混合料类型、空隙率等; 二是气 候和交通条件方面。此外, 路面基层和路面结构组 成及施工质量对路面车辙也有较大的影响。 3. 1 设计施工方面的影响
第 2期
张均辉: 沥青路面高温稳定性影响因素分析
29
粒式沥青混合料仍具有较高的动稳定度, 级配不好 但增大了集料粒径并没有改善混合料高温稳定性, 在我国被广泛使用的级配碎石混合料, 集料均是大 粒径的, 但动稳定度并不高。
( 5) 空隙率的影响 空隙率的大小对沥青混合料的路用性能有很大 的影响, 空隙率大的沥青混合料, 其稳定性主要来源 于矿料的内摩阻力, 而内摩阻力不受温度变化的影 响, 因而空隙率大的沥青混合料高温稳定性较好; 相 反, 空隙率小的沥青混合 料, 由于内 部沥青含量较 多, 温度升高会引起沥青体积膨胀, 减小了矿料间的 内摩阻力, 从而减小了混合料的抗剪能力, 动稳定度 也随之降低。密实级 配的沥青混合 料的空隙率在 2% ~ 4% , 小于这个数值, 则沥青含量过大, 混合料 流动, 混合料抗变形能力明显减小, 如果由于现场压 实不足而造成空隙率过大, 则混合料更容易变形。 ( 6) 路面厚度的影响 国外为提高沥青路面的寿命采用全厚式结构, 其沥青层厚度达到 30 ~ 40cm, 但车辙并不明显, 我 国半刚性沥青路面厚度在 6 ~ 18cm, 却仍产生严重 的车辙现象, 可见, 一般情况下认为的沥青层厚度越 大产生的车辙越大的观点是不全面的, 还要结合其 他方面进行综合分析。 永久变形与混合料结构层内平均应力及沥青的 粘滞度有关, 当沥青层厚度达到 25cm 以上时, 车辙 深度就不再随结构层的厚度增加, 对于较厚的沥青 路面, 车辙主要发生在沥青层上部的 10 ~ 20cm 范 围内。 3. 2 影响沥青路面高温稳定性的外因 ( 1) 环境温度的影响 沥青路面的高温稳定性受温度的影响很大, 在 20 以下的中低温状态下, 沥青路面处于硬塑状态, 温度变化对混合料的高温稳定性几 乎没有什么影 响, 温度提高, 沥青混合料的模量降低, 抗车辙能力 迅速减弱。在 40~ 60 范围内, 沥青混合料在温度 上升 5 时, 其变形量增加近 2倍。可见, 环境温度 是影响沥青混合料高温稳定性最大的因素。 ( 2) 交通条件的影响 车辆行驶对路面高温稳定性的影响可以归结为 荷载大小、行车速度两个方面。行车速度大小对路 面水平力影响较大, 对变形方面的影响则表现为冲 击力。荷载大小对路面车辙有比较直接的影响。在 路表温度 60 的条件下, 荷载应力从 0. 7 M P a增加 到 0. 8 M Pa时, 造成动稳定度减小约 40% ; 而当荷
目前我国规范高温稳定性试验指标采用的是车 辙试验指标。该试验的方法是, 制备沥青混合料板 块状试件, 在试验室采用一个小型车轮在上面进行 往复行走, 模拟车辆在路面上行驶产生车辙的情况, 从而使试验沥青混合料试件上形成像实际沥青路面 那样的辙槽, 在试验车轮的一定作用次数下, 试验板
1992, 5 ( 1) : 40- 44. [ 10] JTGD 40- 2002, 路水泥混凝土路面设计规范 [ S] .
因而可以获得更大的粘聚力, 是混合料稳定度产生 的主要因素。当沥青含量较少时, 沥青在集料表面 形成的沥青膜过薄, 混合料呈干枯状态而缺乏足够 的粘结力, 不能形成高的强度, 高温稳定性差。增加 沥青用量, 混合料 黏结力增强, 高温稳定性 随之提 高。当超过最佳沥青用量以后, 沥青在集料表面形 成的沥青膜增厚, 自由沥青增多, 润滑能力增强, 集 料颗粒在荷载作用下易于滑动移位, 高温稳定性降 低。
沥青路面工作期间, 经受不同的温度和湿度环 境, 沥青混凝土是一种粘弹性材料, 它的物理力学性 能与温度密切相关, 也与荷载作用时间有关。在夏 季气温 25 以上, 这时沥青路面表面温度达到 40 以上, 已经达到或超过道路沥青的软化点温度, 在汽 车荷载作用下, 永久性变形容易产生, 并且随着温度 提高和荷载加重, 变形将加大。在低于 25 时, 一
关键词: 沥青路面; 高温稳定 性; 材料因素; 环境条件; 路面结构组成 中图分类号: U 414 文献标识码: B 文章编号: 1673- 6052( 2011) 02- 0027- 04
1 前言 沥青路面因为高温引起的破坏有车辙、拥包、推
挤、泛油、搓板等形式。车辙是在高温条件下沥青路 面受荷载作用, 混合料发生竖向压密或混合料侧移 产生的不能恢复的永久变形。车辙的危害体现在两 个方面, 一是影响行车舒适性, 二是对交通安全构成 威胁。影响沥青混合料高温稳定性的因素是多方面 的, 包括测试方法、材料因素、环境因素等, 要控制好 车辙的发生, 需要多方面因素综合考虑, 抓住主要矛 盾, 使车辙得到控制。 2 沥青混合料高温稳定性的测试 2. 1 高温环境的范围确定
( 3)集料性质的影响 针片状含量小, 颗粒接近立方体的坚硬、洁净集 料, 拌和的沥青混合料高温性能比较好。矿粉对沥 青混合料耐热性影响很大, 是矿质混合料中影响最 大的, 因为矿粉比表面积大, 与沥青混合后能够减少 沥青的流动性, 特别是活性矿粉, 影响更为明显。从 提高高温稳定性角度, 必须要控制好混合料中矿粉 的含量。石灰岩质矿粉配制的沥青混合料耐热性较 高, 而石英岩质矿粉的沥青混合料耐热性较低。 集料的化学性质体现在它与 沥青的相互作用 上, 与沥青吸附作用强的石料, 形成的沥青混合料具 有较好的抗变形能力, 因而混合料的动稳定度也相 应提高。 ( 4)级配类型的影响 沥青混合料的结构类型分为三类, 即密实骨架 型结构、密实悬浮型结构、骨架空隙型结构, 沥青混 合料的强度形成来源于两个方面, 即集料间的嵌挤 作用和沥青结合料粘结作用。试验研究分析表明, 对沥青混合料的高温稳定性的贡献, 有 60% 来自于 集料的嵌挤作用, 有 40% 来自于沥青结合料的粘结 作用。 矿料级配和沥青含量决定了沥青混合料的结构 类型, 不同的结构类型混合料密实程度不同, 矿料颗 粒间嵌挤力大小差别很大, 直接影响路面的抗剪强 度。 据美国洲际公路研究计划的研究, 在一般情况 下, 级配合理的密实混合料的高温稳定性要优于间 断级配混合料。形成骨架结构的级配受温度变化影 响较小, 有较好的抗车辙能力, 而悬浮型结构抗车辙 能力较差, 因而密实骨架型结构的抗车辙能力好于 骨架空隙型结构、骨架空隙型结构好于密实悬浮型 结构。 集料的粒径对沥青混合料的高温稳定性有多大 的影响, 人们想当然地认为, 集料的粒径大, 混合料 的高温稳定性越好, 但多数试验表明, 级配良好的细
Key wo rds C em ent concrete pavem en;t Vo id; D eflect ion; F oundation resp11
块达到预定的变形数量, 此时的作用次数称为动稳 定度, 作为沥青混合料抗永久变形的评价指标, 试验 方法的名称为动稳定度试验或车辙试验。动稳定度 试验方法简单, 模拟车辙直观, 便于在工程上推广利 用。但试验结果尚不是路面的设计指标, 它与沥青 混合料浸水马歇尔试验、冻融劈裂试验、低温弯曲试 验一起作为使用性能检验指标。 3 影响沥青混合料高温稳定性的因素分析
载应力从 0. 7 M Pa减小到 0. 6 MP a时, 动稳定度增
加约 68% 。 4 沥青路面高温稳定性分析
采用有限元理论对几种路面结构进行分析。选
取以下四种代表结构, 结构一是常用的半刚性路面