集料特性對(duì)瀝青混合料抗剪性能的影響研究

許 萌 ，李志超 ，陳 杰

(1.山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250357；2.山東公路技師學(xué)院，山東濟(jì)南 250014)

集料特性對(duì)瀝青混合料抗剪性能的影響研究

許 萌1，李志超2，陳 杰1

(1.山東交通學(xué)院交通土建工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250357；2.山東公路技師學(xué)院，山東濟(jì)南 250014)

從集料特性入手，通過(guò)單軸貫入試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)，研究分析不同集料類(lèi)型和特性對(duì)AC-13瀝青混合料抗剪性能的影響規(guī)律。研究表明，玄武巖瀝青混合料的抗剪性能優(yōu)于石灰?guī)r，同時(shí)，減小集料的針片狀顆粒含量、壓碎值、磨耗值，提高其棱角性，能夠增大瀝青混合料的粘聚力和內(nèi)磨擦角，從而提高瀝青混合料的抗剪性能。

瀝青混合料；抗剪性能；單軸貫入試驗(yàn)；三軸壓縮試驗(yàn)

近年來(lái)，我國(guó)道路建設(shè)飛速發(fā)展，交通量激增，人們對(duì)道路的行車(chē)安全性、舒適性及行車(chē)速度等要求越來(lái)越高，多軸次、重軸載、高輪壓在交通軸載組成中的比例越來(lái)越大，道路路面的車(chē)轍現(xiàn)象也越來(lái)越普遍。路面車(chē)轍主要是瀝青層內(nèi)過(guò)大剪應(yīng)力導(dǎo)致的剪切變形[1]。因此在瀝青混合料路面設(shè)計(jì)和瀝青混合料組成設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)瀝青混合料抗剪強(qiáng)度給予足夠的重視。瀝青層中產(chǎn)生的剪切應(yīng)力，主要由荷載、外界環(huán)境和路面結(jié)構(gòu)引起，與材料本身無(wú)關(guān)；而瀝青混合料抗剪強(qiáng)度則是材料的本身屬性。瀝青混合料是瀝青結(jié)合料和集料膠結(jié)在一起組成的路面材料，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性是由瀝青的膠結(jié)作用和集料的骨架作用共同提供的，瀝青和集料各自的特性以及它們的組合特性(比如級(jí)配)決定了瀝青混合料的路用性能。

本文從影響抗剪強(qiáng)度的幾個(gè)主要因素入手，進(jìn)行試驗(yàn)研究，通過(guò)單軸貫入試驗(yàn)，結(jié)合三軸壓縮試驗(yàn)，對(duì)瀝青混合料抗剪特性進(jìn)行評(píng)價(jià)，研究分析在相同瀝青結(jié)合料情況下，不同集料類(lèi)型和特性對(duì)AC-13 瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的影響規(guī)律[2-6]。

1 集料的性質(zhì)

為了比較不同集料對(duì)瀝青混合料抗剪性能的影響，本文根據(jù)實(shí)際條件，選擇了3 種不同來(lái)源和產(chǎn)地的集料，其中2 種為石灰?guī)r石料，1 種為玄武巖。在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)這3 種集料性質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)[7]。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 集料物理力學(xué)指標(biāo)

2 不同集料瀝青混合料的抗剪性能

圖1 AC-13 級(jí)配曲線

為了更加直觀的比較不同集料組成的瀝青混合料抗剪性能的差異[8-10]，對(duì)3 種集料均采用AC-13 級(jí)配(見(jiàn)圖1)[11-13]。

制備瀝青混合料試件(空隙率控制在4.0%左右)，瀝青均采用殼牌70#(技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2)，每種集料成型4 個(gè)試件：2 個(gè)做單軸貫入試驗(yàn)，2 個(gè)做三軸壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3 、4。

由表3 可知，玄武巖瀝青混合料的平均最大抗剪強(qiáng)度為3.340 MPa，遠(yuǎn)大于石灰?guī)r瀝青混合料。來(lái)源地不同的石灰?guī)r瀝青混合料平均最大抗剪強(qiáng)度相差0.370 MPa，對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響不大。因此，在考慮瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度時(shí)集料類(lèi)型的選擇不容忽視[14]。

表2 瀝青的技術(shù)指標(biāo)

表3不同集料瀝青混合料單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果

集料類(lèi)型 最大抗剪強(qiáng)度/MPa 試驗(yàn)1試驗(yàn)2平均石灰?guī)r12．0981．9632．030石灰?guī)r22．3942．4082．400玄武巖3．1663．5173．340

表4不同瀝青混合料三軸壓縮試驗(yàn)結(jié)果

集料類(lèi)型C/MPaφ/(°)τ/MPa石灰?guī)r10．19640．7730．902石灰?guī)r20．21840．5490．937玄武巖0．27141．8321．151

注：C為粘聚力；φ為內(nèi)摩擦角；τ為抗剪強(qiáng)度。

由表4 可知：1)2 種不同產(chǎn)地的石灰?guī)r瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度相差不大；但玄武巖瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度明顯比石灰?guī)r瀝青混合料高得多。2)2 種不同產(chǎn)地的石灰?guī)r瀝青混合料的內(nèi)摩擦角有一定的差別，但是差別不大；玄武巖瀝青混合料的內(nèi)摩擦角明顯比石灰?guī)r瀝青混合料大，玄武巖瀝青混合料的內(nèi)摩擦角優(yōu)于石灰?guī)r瀝青混合料。3)不同來(lái)源的2種石灰?guī)r瀝青混合料相差不大；玄武巖瀝青混合料的粘聚力明顯比石灰?guī)r瀝青混合料大得多，說(shuō)明玄武巖瀝青混合料的粘聚力優(yōu)于石灰?guī)r瀝青混合料。

將不同集料的針片狀顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、壓碎值、磨耗值、棱角性分別與它組成的混合料的抗剪參數(shù)(c、φ、τ)繪成曲線，如圖2～4 所示[15]。

由圖2可以看出，隨著3種集料(石灰?guī)r1、石灰?guī)r2、玄武巖)針片狀顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的遞減，C呈增大趨勢(shì)；壓碎值和磨耗值的減小，也使得C呈增大趨勢(shì)；而隨著棱角性的增大，C增大。由此，玄武巖瀝青混合料具有最大粘聚力。

由圖3可以看出，3種集料(石灰?guī)r1、石灰?guī)r2、玄武巖)針片狀顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、壓碎值和磨耗值呈遞減趨勢(shì)，但2種石灰?guī)r瀝青混合料內(nèi)摩擦角相差不大，而玄武巖瀝青混合料內(nèi)摩擦角要大得多；同時(shí)3種集料的棱角性責(zé)呈遞增趨勢(shì)，但其對(duì)2種石灰?guī)r瀝青混合料內(nèi)摩擦角影響不大，而對(duì)玄武巖瀝青混合料內(nèi)摩擦角的影響則要大得多。

圖2 不同集料性質(zhì)對(duì)C 的影響

圖3 不同集料性質(zhì)對(duì)φ 的影響

圖4 不同集料性質(zhì)對(duì)τ 的影響

由圖4可以看出，隨著3種集料(石灰?guī)r1、石灰?guī)r2、玄武巖)針片狀顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、壓碎值、磨耗值的遞減，τ呈增大趨勢(shì)；而隨著3種集料棱角性的增大，τ也增大。由此，玄武巖瀝青混合料具有最大抗剪強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1)玄武巖瀝青混合料的最大抗剪強(qiáng)度大于石灰?guī)r。這是因?yàn)樾鋷r的壓碎值、磨耗值、棱角性等各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)均優(yōu)于石灰?guī)r，靜壓后能相互嵌擠鎖結(jié)而具有較大的內(nèi)摩擦角；而石灰?guī)r在靜壓過(guò)程中容易壓碎，集料本身的級(jí)配在成型過(guò)程中可能已經(jīng)發(fā)生了變化；且石灰?guī)r表面相對(duì)玄武巖較光滑，玄武巖的表面粗糙度優(yōu)于石灰?guī)r，壓實(shí)后的嵌鎖作用強(qiáng)，故玄武巖瀝青混合料最大抗剪強(qiáng)度比較大。2)隨著集料針片狀顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減少，C大致呈增加的趨勢(shì)，也就是說(shuō)，集料針片狀顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)混合料的抗剪性能有一定的影響，針片狀顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的減小在一定程度上對(duì)增加瀝青混合料的粘聚力和抗剪強(qiáng)度有利。3)對(duì)于同一種集料，壓碎值的減小可以增加瀝青混合料的粘聚力和抗剪強(qiáng)度，但也會(huì)降低內(nèi)摩擦角。4)隨著磨耗值的減少，抗剪強(qiáng)度大致呈增大趨勢(shì)；但對(duì)于同一種集料，磨耗值的減少會(huì)或增大瀝青混合料的內(nèi)摩擦角。5)棱角性越強(qiáng)，粘聚力和抗剪強(qiáng)度越大，內(nèi)摩擦角也越大，瀝青混合料抗剪性能越好。

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TheEffectofAggregatePropertyonShearPerformanceofAsphaltMixture

XUMeng1,LIZhi-chao2,CHENJie1

(1.SchoolofTransportationandCivilEngineering，ShandongJiaotongUniversity，Jinan250357,China;2.ShangdongTechnicianInstitute,Jinan250014,China)

Beginning with the aggregate characteristics, this article analyzes the effect of different types and characteristics of aggregate on the shear performance of AC-13 asphalt mixture through the uniaxial penetration test and triaxial compression test. The research shows that the shear properties of basalt asphalt mixture is better than those of limestone and meanwhile the basalt asphalt mixture reduces the acicular content, crushing value as well as abrasion value, and also increases the angularity. Furthermore, the basalt asphalt mixture can improve the cohesion and internal friction angle of asphalt mixture and the shear performance of asphalt mixture as well.

asphalt mixture;aggregate characteristics;uniaxial penetration test;triaxial compression test

郎偉鋒)

2014-05-12

許 萌(1988—)，女，濟(jì)南人，山東交通學(xué)院碩士研究生，主要研究方向?yàn)楦酆铰窐蚺c隧道工程.

10.3969/j.issn.1672-0032.2014.03.013

U414

A

1672-0032(2014)03-0062-04