热拌沥青混合料高温强度影响因素浅析

沥青混合料是一种复合粘弹性材料，它是由沥青、粗骨料、细骨料和矿粉以及外加剂所组成。夏季高温条件下沥青路面结构破坏主要是指沥青混合料在高温时由于其抗剪强度不足或塑性变形过大而产生路面车辙、推移等现象。目前沥青混合料高温强度和稳定性理论，主要是要求沥青混合料在高温时必须具有一定的抗剪强度和抵抗变形的能力。
    沥青混合料的抗剪强度τ主要取决于沥青混合料的粘聚力c和内摩擦角φ两个参数。通过三轴试验方法应用莫尔——库仑包络线方程：τ=С+σtgφ
    τ——沥青混合料的抗剪强度（MPa）；
    σ——正应力（MPa）；
    С——沥青混合料的粘聚力（MPa）；
    φ——沥青混合料的内摩擦角（rad）。
    通过公式，我们看出沥青混合料的粘聚力c和内摩擦角φ决定了混合料的抗剪强度，而影响热拌沥青混合料抗剪强度的原因主要有以下方面：

1  沥青粘度的影响

沥青混合料是一个具有多级空间网络结构的分散体系，从最细一级网络的结构来看，它是各种矿质集料分散在沥青中的分散系，因此它的抗剪强度与分散相的浓度和分散介质粘度有着密切的关系。在其它条件不变的条件下，沥青混合料的粘聚力c是随着沥青粘度的提高而增加的。因为沥青的粘度间接反映出沥青内部的沥青胶团相互位移，是其分散介质抵抗剪切作用的抗力，所以沥青混合料受到剪切作用时，特别是受到短暂的瞬时荷载时，具有高粘度的沥青能赋予沥青混合料较大的粘滞阻力，因而具有较高抗剪强度。

2  沥青与矿料化学性质的影响

在沥青混合料中，沥青与矿料交互作用是物理化学过程。沥青与矿料交互作用后，沥青在矿粉表面产生化学组分的重新排列，在矿粉表面形成一层一定厚度的扩散剂化膜。在此膜厚度以内的沥青称为“结构沥青”。在此膜以外的沥青称为“自由沥青”。
    如果沥青颗粒之间接触处是由结构沥青膜所连结，这样促成沥青具有更高的粘度和更大的扩散融化膜的接触面积，因而可以获得更大的粘聚力。如果颗粒之间接触处是自由沥青所联结，则只具有较小的粘聚力。
    沥青与矿料相互作用与矿粉的性质有关，在不同性质矿粉表面形成不同组成结构和厚度的吸附溶化膜，在石灰石粉表面形成较为发育的吸附溶化膜，具有较高的粘聚力。经过大量相关实验证明，在石英石粉表面则形成发育较差的吸附溶化膜。所以，矿粉必须是由碱性石灰岩矿料加工而成，也可用水泥或石灰粉代替。

3  矿料比表面的影响

结构沥青的形成主要是由于矿料与沥青的交互作用，而引起沥青化学组分在矿料表面的重新分布。如在相同的沥青用量条件下，与沥青产生交互作用的矿料表面积愈大，则形成的沥青膜愈薄，则在沥青中结构沥青所占的比率愈大，因而沥青混合料的粘聚力愈高。
    在普通沥青混合料中(例如:AC-16I)矿粉用量占7%左右，其表面积却占矿质混合料的总表面积的80%以上，所以矿粉的性质和用量对沥青混合料的抗剪强度影响很大。矿粉用量改变，沥青混合料马歇尔试验各项技术指标也将随着发生变化：沥青混合料的密度随矿粉用量的增加而增加；稳定度和饱和度随矿粉用量的增加而提高；空隙率随矿粉用量的增加而减少；沥青混合料的软化点指标随矿粉用量的增加而提高。但是，矿粉用量不宜过多，一般矿粉用量与沥青用量之比1～1.6较为适宜。若矿粉用量过多，对沥青混合料起到相反的作用，致使沥青混合料在碾压过程中不易稳定，甚至产生推移裂纹，给沥青混合料摊铺及碾压带来困难。

4  沥青用量的影响

在固定质量的沥青和矿料的条件下，沥青和矿料的比例是影响沥青混合料抗剪强度的重要因素。在沥青用量很小时，沥青不足以形成结构沥青的薄膜来粘结矿料颗粒，随着沥青用量的增加，结构沥青逐渐形成，沥青包裹在矿料表面，使沥青与矿料间的粘附力随着沥青的用量增加而增加。当沥青用量足以形成薄膜并充分粘附矿粉颗粒表面时，这时的沥青混合料具有最大的粘聚力。如果沥青用量继续增加，逐渐将矿料颗粒推开，在颗粒间形成未与矿粉交互作用的“自由沥青”，则沥青的粘聚力随着自由沥青的增加而降低。当沥青用量达到一定量时，沥青混合料的抗剪强度几乎不变，自由沥青起着润滑剂的作用，降低了粗集料的相互密排作用，降低了沥青混合料的内摩擦角。如果沥青含量过多时，内摩擦角可降低到采用不同矿料也不会产生任何区别的程度，通过普通沥青混合料(AC-16I)的室内试验测试得出沥青含量与内摩擦角、粘聚力的关系见表1（对于普通90号沥青而言）。

表1  沥青含量与内摩擦角、粘聚力的关系表

所以，我们在进行沥青配合比设计时，必须找到沥青薄膜达到最佳厚度时的油石比。根据多年的沥青砼路面的施工经验，并参考相关科技文献后可以得出以下结论:当沥青碎石空隙率为10～15%时，推荐油膜厚度9～11μm；沥青混合料Ⅱ型级配空隙率为4～10%时，推荐油膜厚度为7～9μm；沥青混合料Ⅰ型级配空隙率为3～6%时，推荐油膜厚度6～8μm。

我们可以根据矿料的比表面积，选择相应的油膜厚度来计算油石比，用计算油石比校核试验求出的油石比。计算油石比等于每个筛孔上的矿料比表面积乘以油膜厚度，矿料比表面积计算公式：                 

S=∑Si=∑6Pi/(△iD)

S——矿料的总比表面积（cm²）；

Si——每一筛孔上合成级配筛余矿料的比表面积 （cm²）；

Pi——每一筛孔上合成级配筛余含量（%）；

I——每一筛孔上合成级配筛余矿料的混合密度（g/cm³）；

D——相应的筛孔尺寸（cm）。

5  矿质集料的级配内型的影响

当采用连续型密级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时，按粒子干涉理论：为避免次级配集料对前级配集料的干涉，前级集料之间必须留出比次级集料粒径稍大的空隙供次级集料排部，采用连续级配组成的沥青混合料，经过多级密垛虽然可以获得很大的密实度，但是各级集料均为次级集料所隔开，不能直接靠拢而形成骨架，有如悬浮于次级集料及沥青胶浆之间，这种结构的沥青混合料，通过三轴试验，具有较高的粘聚力，摩阻角较小，高温稳定性差，这种结构称为悬浮——密实结构。
    当采用连续型开级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时，由于矿质混合料递减系数较大（指泰波公式中的n较大，泰波公式p=100(d/D)n次方），粗集料所占的比例较高，细集料则很少，甚至没有。这种混合料集料可以互相靠拢形成骨架，由于细集料很少，粗料间的空隙不能填满，这种机构称之为骨架——空隙结构。这种结构具有较大的内摩阻角，粘聚力较低。
    当采用间断型密级配矿质混合料与沥青组成的沥青混合料时，由于矿质混合料断去了中间尺寸粒径的集料，有较多数量的粗集料可形成空间骨架，也有相当数量的细集料可填密骨架的空隙。这种结构形成密实——骨架。这种结构具有较高的粘聚力和较大的内摩阻角。

6  矿质集料的粒度、表面性质对抗剪强度的影响

矿料颗粒形状及其粗糙度，在很大程度上将决定混合料压实后颗粒间相互位置的特性和颗粒接触有效面积的大小。一般具有显著的面和棱角，各方向尺寸相差不大，近似正立方体，具有明显细微凸出的粗糙表面的矿质集料，在碾压后相互嵌挤锁而具有很大的内摩檫角，这种矿料所组成的沥青混合料比圆形而表面光滑的颗粒具有较高的抗剪强度。使用石灰岩碎石可以提高沥青混凝土的温度稳定性和高温下的抗变形能力。使用粗大、均匀颗粒的矿料配制的沥青混合料具有较大的内摩檫角。相同粒经组成的集料，卵石的内摩檫角比碎石的小。

7  温度的影响

沥青混合料是一种热塑性材料，它的抗剪强度随着温度的升高而降低。粘聚力随着温度升高而显著降低，内摩檫角受温度变化的影响较小。

8  变形速度的影响

沥青混合料是一种粘弹性材料，它的抗剪强度与变形速率有着密切的关系。在其它条件相同的条件下，变形速度对沥青混合料的摩檫角影响较小，而对沥青混合料的粘聚力影响较为显着。

总之，沥青砼的粘结力主要取决于所用沥青的性质和稠度，沥青矿粉比和沥青与矿料相互作用的性质。沥青的稠度愈大，粘结力愈大，沥青砼的强度也愈高。沥青数量超过最佳值，粘结力降低。矿料的级配组成、矿料颗粒的形状和表面性质都影响沥青砼的内摩檫角。颗粒尺寸增加，内摩檫角也增加。针片状颗粒增加，内摩檫角减小。这些都属于影响沥青混合料抗剪强度的内因。温度和变形速率是影响沥青混合料抗剪强度的外因。