淺析試驗參數(shù)對瀝青混合料抗剪性能的影響

任 艷 伍尚 劉細軍

1 概述

隨著我國高速公路里程與日俱增,由于交通量、重載、超載的增加以及交通的渠化,許多高速公路在通車1年～2年甚至通車僅幾個月就發(fā)生了嚴重的車轍現(xiàn)象,不得不進行養(yǎng)護維修。

車轍可以看作是剪應(yīng)力作用下瀝青混合料塑性流動的結(jié)果。在輪載作用下,其非均布荷載將在路面面層內(nèi)產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力,而瀝青混合料在設(shè)計過程中并未考慮其抗剪性能,這是路面出現(xiàn)車轍的根本原因所在。

直接剪切試驗?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)近似的純剪切應(yīng)力狀態(tài),比較符合路面的實際應(yīng)力狀態(tài),特別適用于考察瀝青混合料的抗剪切流動變形。所以本文利用直接剪切試驗結(jié)合無側(cè)限抗壓試驗和劈裂試驗對瀝青混合料的抗剪性能進行研究。

2 直接剪切儀器及抗剪參數(shù)C,φ值的計算方法

本研究開發(fā)了一種原理簡單的直接剪切儀器(見圖1),其試驗參數(shù)可以改變,該設(shè)備可以在M TS上進行操作。

利用單軸壓縮試驗和劈裂試驗的結(jié)果來計算瀝青混合料的粘聚力C值和內(nèi)摩擦角φ值,試驗數(shù)據(jù)的處理是十分重要的。本研究把單軸壓縮試驗和直接拉伸試驗看成是側(cè)向力為0的三軸試驗,根據(jù)這兩個試驗的結(jié)果就可以畫出兩個莫爾圓,通過莫爾圓理論求解出瀝青混合料的C值和φ值。由于試件的直接拉伸試驗比較難以實現(xiàn),在此采用間接拉伸試驗——劈裂試驗來代替直接拉伸試驗。根據(jù)如圖2所示的莫爾圓受力圖示,利用簡單的幾何關(guān)系,可以推導(dǎo)出基于無側(cè)限抗壓試驗強度和抗拉強度的瀝青混合料抗剪參數(shù) C,φ值的計算式(1),式(2)。

其中,C為瀝青混合料中的粘聚力;σu為瀝青混合料的抗壓強度,可以通過無側(cè)限抗壓試驗獲得其值;σl為瀝青混合料的抗拉強度,可以通過劈裂試驗獲得;φ為瀝青混合料的內(nèi)摩擦角。

3 原材料技術(shù)性能

3.1 集料

粗細集料均采用河北鹿泉市石灰?guī)r,礦粉為石灰?guī)r磨制而成。經(jīng)測定集料的各項性能指標均符合規(guī)范JTJ 058-2000公路工程集料試驗規(guī)程要求。

3.2 瀝青

瀝青采用了埃索-70號,按JTJ 052-2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程進行常規(guī)指標測試,各項指標結(jié)果見表1。

表1 埃索-70號瀝青性質(zhì)指標

3.3 級配

級配采用AC-16F,為確定AC-16F瀝青混合料的最佳瀝青用量,進行了馬歇爾試驗,通過分析確定AC-16F瀝青混合料的最佳油石比為4.5%。

4 瀝青混合料抗剪性能分析

4.1 瀝青用量對混合料抗剪性能的影響

分別在油石比3.5%,4.0%,4.5%,5.0%,5.5%時制作馬歇爾試件,并進行直接剪切試驗、無側(cè)限抗壓試驗和劈裂試驗,通過式(1),式(2)計算得出混合料的 C,φ值,結(jié)果匯總見表2。

表2 不同油石比時抗剪試驗強度及抗剪參數(shù)結(jié)果匯總

由表2可以看出,瀝青混合料的抗剪強度存在峰值,該峰值低于最佳瀝青用量。φ值隨瀝青用量的增加而減小;C值卻存在一個峰值,其先隨瀝青用量的增加而增大,峰值過后隨瀝青用量的增加而減小。φ值在超過最佳用油量后,其值減小的速度增快。因此,瀝青用量大小對φ值影響較大。

4.2 加載速率對瀝青混合料抗剪性能的影響

在最佳油石比下成型一批馬歇爾試件,分別采用5 mm/min,10 mm/min,20 mm/min,50 mm/min四種加載速率進行直接剪切試驗、無側(cè)限抗壓試驗和劈裂試驗,并通過式(1),式(2)計算得出混合料的 C,φ值,結(jié)果匯總見表3。

表3 加載速率與抗剪強度參數(shù)匯總表

由表3可以看出,加載速率對瀝青混合料的強度有較大影響,隨著加載速率的增大,瀝青混合料強度也隨之增加。C值隨著加載速率的增大而增大,而φ值隨加載速率的增大變化較小。

4.3 溫度對瀝青混合料抗剪性能的影響

本試驗中,在最佳油石比下成型一批馬歇爾試件,分別在15℃,25℃,60℃三種試驗溫度下進行直接剪切試驗、無側(cè)限抗壓試驗和劈裂試驗,通過式(1),式(2)計算得出混合料的 C,φ值,結(jié)果匯總見表4。

由表4可以看出,隨著溫度的升高,C值隨之減小,同時,內(nèi)摩擦角也略為減小。

瀝青混合料的粘聚力C是隨溫度的降低而增加。因為溫度降低,瀝青的粘度增大。瀝青的粘度就是瀝青內(nèi)部瀝青膠團相互位移時,其分散介質(zhì)抵抗剪切作用的抗力,所以瀝青混合料受到剪切作用時,特別是受到短暫的瞬時荷載時,具有高粘度的瀝青能賦予瀝青混合料較大的粘滯阻力,因此具有較高的抗剪強度。

表4 溫度與抗剪強度參數(shù)匯總表

5 結(jié)語

1)分析了直接剪切試驗同國內(nèi)其他試驗之間的異同;對不同油石比、不同加載速率和不同溫度對直接剪切試驗的影響進行了分析;2)C值隨瀝青用量的增加而先增加后減小,φ值隨瀝青用量的增加而減小,對于抗剪強度,瀝青混合料的抗剪性能最大處存在一個最佳瀝青用量;3)隨著加載速率的增大,瀝青混合料的抗剪強度增加,C值隨著加載速率的增加而增加,但是φ值基本上不變;4)分析了溫度對抗剪性能的影響,隨著溫度的升高,混合料的抗剪性能降低,C值和φ值也隨之減小。

[2] 孫立軍.瀝青路面結(jié)構(gòu)行為理論[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3] 蔡偉忠,盧衛(wèi)檳.溫拌瀝青混合料配合比設(shè)計及其性能研究[J].山西建筑,2008,34(24):175-176.