基于摩爾庫倫理論的澆注式瀝青混合料材料強(qiáng)度分析＊

王 民

（重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司1） 招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司2） 重慶 401336）

0 引 言

澆注式瀝青混合料（guss asphalt，GA）具有流動(dòng)性，澆注式攤鋪一般不需要碾壓，只需要簡單的攤鋪整平即可完成施工，且具有礦粉含量高、瀝青含量高、拌和溫度高等“三高”特點(diǎn)，較多的瀝青及細(xì)集料含量使粗骨料處于懸浮狀態(tài)［1］，它與普通熱碾壓瀝青混合料的結(jié)構(gòu)組成不同.相對(duì)于普通瀝青混合料，具有空隙率小、密水性佳，協(xié)調(diào)變形能力強(qiáng)，疲勞壽命高，整體性強(qiáng)等特點(diǎn)［2］.

由于澆注式瀝青混合料高瀝青含量的特點(diǎn)，行業(yè)對(duì)其高溫強(qiáng)度一直存在擔(dān)憂.采用車轍動(dòng)穩(wěn)定度對(duì)澆注式瀝青混合料的高溫承載能力進(jìn)行測(cè)試，其結(jié)果僅為常規(guī)改性瀝青混合料的30%左右，SMA的20%左右；而采用貫入度及增量作為高溫承載能力的指標(biāo)，在相同溫度條件下，SMA與澆注式的貫入度及增量卻可以十分接近.同樣，在實(shí)橋應(yīng)用中，面對(duì)中國苛刻的交通條件，鋼橋面澆注式鋪裝體系也可表現(xiàn)出良好的使用效果［3］，這使得研究人員對(duì)其強(qiáng)度機(jī)理十分感興趣.

近年來，研究人員對(duì)澆注式瀝青混合料結(jié)構(gòu)特性，從不同角度進(jìn)行挖掘和探索.金磊等［4］通過動(dòng)態(tài)剪切流變?cè)囼?yàn)，分析了瀝青膠漿廣義剪切模量與澆注式瀝青混合料高溫變形之間的相關(guān)性，探討了該指標(biāo)作為澆注式膠漿高溫性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的適用性.楊宇明等［5］通過對(duì)澆注式瀝青混合料進(jìn)行了不同荷載水平下的三軸重復(fù)荷載試驗(yàn)，分析了混合料永久變形和黏彈性變形的發(fā)展特性.認(rèn)為在半正弦重復(fù)荷載作用下，澆注式瀝青混合料的變形規(guī)律與Burgers模型變形公式吻合較好.張順先等［6］采用改進(jìn)的Burgers模型推導(dǎo)出澆注式瀝青混凝土高溫變形性能的粘彈性本構(gòu)模型，在一定條件下可以預(yù)測(cè)GA高溫條件下永久變形的變化規(guī)律.Yangxu［7］通過使用非線性最小二乘回歸方法，建立動(dòng)態(tài)模量和相位角預(yù)測(cè)方程，對(duì)澆注式等多種混合料的模量進(jìn)行分析.

上述研究主要集中在分析理論模型與混合料強(qiáng)度指標(biāo)之間相關(guān)性，還有較多研究對(duì)澆注式瀝青混合料級(jí)配構(gòu)成、材料性能及評(píng)價(jià)體系等進(jìn)行了研究［8－11］，但未對(duì)其結(jié)構(gòu)特征與強(qiáng)度形成機(jī)理的關(guān)系以及與其他瀝青混合料的差異性開展分析.

基于此，本文將以摩爾－庫倫強(qiáng)度理論為基礎(chǔ)，采用單軸貫入試驗(yàn)，通過瀝青用量、溫度條件、混合料類型對(duì)澆注式瀝青混合料強(qiáng)度參數(shù)的影響分析，揭示了澆注式瀝青混合料的強(qiáng)度機(jī)理及與常規(guī)瀝青混合料的差異性，為鋼橋面澆注式瀝青混合料鋪裝體系設(shè)計(jì)及性能評(píng)價(jià)提供理論支撐.

1 瀝青混合料強(qiáng)度機(jī)理及測(cè)試方法

在常溫和高溫狀態(tài)下，由于瀝青混合料內(nèi)部抗剪強(qiáng)度不足，產(chǎn)生了各種破壞現(xiàn)象，如推移、車轍等.按照摩爾－庫倫強(qiáng)度理論，材料的抗剪強(qiáng)度主要來源于摩阻力和粘結(jié)力.瀝青混合料的材料強(qiáng)度按照摩爾－庫倫理論，可表示為

式中：τ為抗剪強(qiáng)度，MPa；c為材料粘聚力，MPa；σ為法向壓應(yīng)力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，（°）.

瀝青混合料抗剪強(qiáng)度參數(shù)的確定，一般借鑒巖土工程試驗(yàn)方法，采用三軸試驗(yàn)，通過繪制摩爾圓和相應(yīng)包絡(luò)線，按照式（1）線性關(guān)系近似確定c，φ值，見圖1.

圖1 摩爾庫倫強(qiáng)度理論莫爾圓包絡(luò)線

隨著研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)路面工程與巖土工程有較大差異.鑒于三軸試驗(yàn)中，應(yīng)力分布與圍壓的大小均與實(shí)際路面不相符，本研究借鑒同濟(jì)大學(xué)提出的單軸貫入試驗(yàn)，對(duì)澆注式瀝青混合料的強(qiáng)度機(jī)理進(jìn)行分析，單軸貫入試驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)在于受力接近于真實(shí)路面.通過有限元建立符合實(shí)際受力狀態(tài)的貫入模型，進(jìn)而求解出在壓頭為1MPa時(shí)模型中最大剪應(yīng)力處的主應(yīng)力值，以此作為基本的抗剪參數(shù)（見表1）.然后，利用這些基本參數(shù)乘以貫入強(qiáng)度值，也就求出了試件中的各主應(yīng)力值和剪應(yīng)力值.同時(shí)，為了求解出混合料的粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ，再進(jìn)行一組無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn).利用這兩組數(shù)據(jù)，繪制莫爾圓，通過幾何關(guān)系，推導(dǎo)出基于貫入試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ，即

表1 混合料抗剪強(qiáng)度基本參數(shù)

式中：σg1為單軸貫入強(qiáng)度乘以抗剪強(qiáng)度參數(shù)后的第一主應(yīng)力；σg3為單軸貫入強(qiáng)度乘以抗剪強(qiáng)度參數(shù)后的第三主應(yīng)力；σu為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度.

2 原材料及配合比

2.1 主要原材料及技術(shù)指標(biāo)

本研究采用以韓國SK瀝青為母體，自行生產(chǎn)加工的改性瀝青，澆注式瀝青混合料采用湖瀝青復(fù)合改性瀝青，SMA，AC采用高彈體改性瀝青，其主要性能指標(biāo)見表2.

表2 瀝青結(jié)合料主要性能指標(biāo)

粗集料采用玄武巖，細(xì)集料采用石灰?guī)r，礦粉采用石灰?guī)r礦粉，集料及礦粉性能指標(biāo)滿足現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范要求.

2.2 混合料配合比設(shè)計(jì)

澆注式瀝青混合料（GA10）、瀝青瑪蹄脂碎石混合料（SMA10）、密級(jí)配瀝青混合料（AC10）的礦料級(jí)配構(gòu)成見圖2.

從圖2可以看出，3種瀝青混合料的礦料級(jí)配差異非常大，GA10細(xì)集料較多，級(jí)配偏細(xì)；SMA10粗集料較多，級(jí)配偏粗；AC10級(jí)配居于兩者之間.

圖2 3種混合料礦料級(jí)配曲線圖

按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程（JTG E20—2011）》，采用高彈體改性瀝青，確定SMA10和AC10混合料最佳油石比.按照《公路鋼箱梁橋面鋪裝設(shè)計(jì)與施工技術(shù)指南》的規(guī)定，采用湖瀝青復(fù)合改性瀝青，確定GA10混合料最佳油石比.采用最佳油石比，測(cè)試3種混合料的基本性能，結(jié)果見表3.

表3 不同類型瀝青混合料的物理性能

由表3和圖2可見，GA10與常規(guī)類型瀝青混合料SMA10，AC10的材料組成、基本性能及其評(píng)價(jià)方法等都存在較大差異，其中高溫穩(wěn)定性的3個(gè)指標(biāo)（穩(wěn)定度、貫入度及增量、動(dòng)穩(wěn)定度）評(píng)價(jià)結(jié)論不相一致.可見，選用此3種類型混合料，可以驗(yàn)證三者之間的差異，并揭示澆注式瀝青材料的特性.

3 實(shí)驗(yàn)方案及數(shù)據(jù)分析

根據(jù)澆注式瀝青混合料結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，從瀝青用量、溫度2個(gè)方面測(cè)試、并計(jì)算澆注式瀝青混合料的強(qiáng)度參數(shù).同時(shí)，測(cè)試并計(jì)算瀝青瑪蹄脂碎石混合料、密級(jí)配瀝青混合料的剪切強(qiáng)度參數(shù)，并將其與澆注式瀝青混合料剪切強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析.在此基礎(chǔ)上，探討澆注式瀝青混合料強(qiáng)度形成機(jī)理.

3.1 瀝青用量對(duì)澆注式瀝青混合料強(qiáng)度的影響

采用湖瀝青復(fù)合改性瀝青，按照設(shè)計(jì)配合比，采用最佳油石比和±0.5%的油石比，測(cè)試在60℃溫度下的單軸貫入強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，計(jì)算相應(yīng)強(qiáng)度參數(shù)，見表4.

表4 不同油石比澆注式瀝青混合料強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果及計(jì)算參數(shù)（60℃）

由表4可見，隨著瀝青用量增加，澆注式瀝青混合料內(nèi)部的富余瀝青含量逐漸增多，瀝青膜變厚，集料之間摩阻力降低，內(nèi)摩擦角減小.同時(shí)，瀝青瑪蹄脂內(nèi)部的粘結(jié)力由于瀝青相對(duì)用量的增加，即粉膠比減小，混合料表現(xiàn)出的粘聚力略有降低.因此，對(duì)于澆注式瀝青混凝土而言，隨著瀝青用量的增加，混合料的抗剪強(qiáng)度大幅度下降.而當(dāng)瀝青膜達(dá)到最佳厚度、并在小范圍波動(dòng)時(shí)，粘聚力主要取決于瀝青粘度，不會(huì)由于瀝青含量增加而增大.

3.2 溫度條件對(duì)澆注式瀝青混合料強(qiáng)度的影響

采用湖瀝青復(fù)合改性瀝青，在最佳油石比情況下，測(cè)試澆注式瀝青混合料在不同溫度下單軸貫入強(qiáng)度和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，計(jì)算相應(yīng)強(qiáng)度參數(shù)，見圖3～5.

圖3 不同溫度時(shí)剪切強(qiáng)度趨勢(shì)圖

圖4 不同溫度時(shí)粘聚力c趨勢(shì)圖

圖從圖3～4可以看出，溫度對(duì)澆注式瀝青混合料的強(qiáng)度及參數(shù)影響非常大.當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，瀝青結(jié)合料的粘度大幅度下降，瀝青混合料由彈塑性體向粘塑性體變化，抵抗外界荷載的能力降低，抗剪性能和粘聚力隨著溫度的升高迅速降低.

圖5 不同溫度時(shí)內(nèi)摩擦角φ趨勢(shì)

內(nèi)摩擦角主要與瀝青混合料內(nèi)部礦料的分布狀態(tài)（礦料級(jí)配）相關(guān)，溫度升高雖改變了集料之間的滑移狀態(tài)，但作為富瀝青含量的懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)類型GA10，集料之間的摩阻力受此影響非常小，因而累計(jì)變化幅度僅0.5°.由于瀝青的粘度受溫度干擾較大，混合料的粘聚力隨著溫度升高而大幅度降低.

3.3 混合料類型對(duì)其強(qiáng)度的影響

根據(jù)初步確定GA10，SMA10，AC10礦料配合比及最佳油石比，測(cè)試60℃溫度下3種混合料強(qiáng)度，計(jì)算相應(yīng)強(qiáng)度參數(shù)，見表5.

表5 不同類型瀝青混合料強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果及計(jì)算參數(shù)（60℃）

從3種混合料類型的測(cè)試結(jié)果來看，各項(xiàng)強(qiáng)度參數(shù)變化趨勢(shì)與瀝青用量、溫度對(duì)其影響的變化趨勢(shì)有較大差異，澆注式瀝青混合料GA10的抗剪強(qiáng)度τmax在3種混合料最優(yōu).這主要源于以下2點(diǎn).

1）澆注式瀝青混合料粉膠比范圍為2.8～3.5，瀝青瑪蹄脂碎石混合料SMA10則是1.5～2.0，密級(jí)配瀝青混凝土 AC10是0.2～0.5.澆注式瀝青混合料的粉膠比越高，礦粉對(duì)瀝青的吸附作用越強(qiáng)，自由瀝青含量就越少，作為連續(xù)相的瀝青膠泥則表現(xiàn)出最好的穩(wěn)定性，即粘聚力明顯增大.

2）3種混合料中，SMA10的骨架結(jié)構(gòu)最為明顯，表現(xiàn)出內(nèi)摩擦角在三者中最大.GA10和AC10均為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，但卻存在本質(zhì)區(qū)別.在瀝青混合料的3級(jí)空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分散系中，AC10以細(xì)集料和瀝青膠泥作為連續(xù)相，粗集料為分散相；而GA10以瀝青膠泥為連續(xù)相，粗、細(xì)集料為分散相.也就是說，AC10中集料之間更加緊密，集料之間嵌擠效果明顯，內(nèi)摩擦角會(huì)更大些.

4 結(jié) 論

通過澆注式瀝青混合料結(jié)構(gòu)特性和不同條件下的澆注式瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)分析，形成以下主要結(jié)論.

1）澆注式瀝青混合料在材料組成方面與常規(guī)瀝青混合料不同，因此其性能特點(diǎn)及評(píng)價(jià)指標(biāo)也存在差異.

2）瀝青用量及溫度是澆注式瀝青混合料剪切強(qiáng)度的重要影響因素，油石比及溫度增加，剪切強(qiáng)度大幅度降低，內(nèi)摩擦角及粘聚力也發(fā)生變化.相對(duì)而言，溫度對(duì)混合料性能影響更為顯著.

3）從3種瀝青混合料剪切強(qiáng)度對(duì)比分析結(jié)果可以看出，澆注式瀝青混合料具有較好的抗剪性能，主要源于瀝青結(jié)合料粘度大，且混合料空隙率小、整體性強(qiáng)（微缺陷少）.

4）3種混合料剪切強(qiáng)度與貫入度及增量的變化規(guī)律一致，可見采用貫入度及增量對(duì)澆注式瀝青混合料的承載能力（強(qiáng)度）進(jìn)行評(píng)價(jià)是合理的.這也進(jìn)一步解答了實(shí)橋橋面鋪裝下層采用動(dòng)穩(wěn)定度極小的澆注式瀝青混合料，卻并未出現(xiàn)車轍類熱穩(wěn)性病害的原因.

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