材料及環境參數對瀝青路面結構剪應力的影響

尹湃

摘 要：路面結構的剪應力除了受結構層厚度和材料模量影響外，還與材料組成參數、原材料性質以及環境因素關系密切。利用瀝青混合料動態模量將材料及環境參數與路面結構相聯系，應用雙圓荷載層狀彈性體系理論分析各層位瀝青混合料油石比、級配、空隙率、瀝青軟化點、瀝青針入度等材料參數變化及氣溫變化對瀝青路面結構各層位剪應力的影響，得到以下結論：瀝青混合料材料參數變化對中面層剪應力的影響最大；材料參數中，瀝青軟化點對瀝青路面剪應力影響最為顯著，其次為級配；氣溫對路面結構上、中面層剪應力的影響不顯著，對于下面層，隨著氣溫升高，下面層剪應力降低。

關鍵詞：道路工程；材料參數；層狀彈性體系；剪應力

一、瀝青混合料動態模量

瀝青混合料為粘彈性材料，它的性質不僅與本身的材料參數有關，也與外界參數，包括荷載、環境參數等密切相關，對于這一力學特性，國外多采用動態模量進行表征。瀝青混合料的動態模量與瀝青粘度、針入度、混合料的級配、油石比、空隙率、溫度、加載頻率等有直接關系，其目前常用的預估公式如下所示：

其中：為動態模量；為瀝青粘度；為加載頻率；為空隙率；為19mm篩孔累計篩余；為9.5mm篩孔累計篩余；為4.75mm篩孔的累計篩余；為0.075mm篩孔的質量通過百分率；為有效瀝青含量，體積百分比；

二、計算參數

為了分析材料參數及環境參數對路面結構剪應力的影響，選取固定的路面結構形式：4cm AC-13+6cm AC-20+10cm ATB-25，通過變換原材料性質（瀝青軟化點、針入度）、混合料材料組成參數（油石比、空隙率、級配）以及外部環境溫度，分析路面結構各層位的剪應力變化情況。氣溫作為瀝青路面最重要的一個環境參數，選取20℃、25℃、30℃、35℃、40℃等5個氣溫水平進行分析。同時，不同氣溫下路面各結構層溫度有將有所差異，采用LTTP瀝青路面高溫預估模型計算得到對應不同氣溫的瀝青路面上、中、下面層溫度分別如表1所示。

三、剪應力計算結果與分析

（一）各層位瀝青混合料不同油石比

應用雙圓均布荷載彈性層狀體系理論，分別變化上面層（AC-13）、中面層（AC-20）、下面層（ATB-25）油石比分析各層位瀝青混合料采用不同油石比對瀝青路面結構各層位剪應力的影響，結果如圖1所示。

（二）各層位瀝青混合料采用不同軟化點瀝青

分別變化上面層（AC-13）、中面層（AC-20）、下面層（ATB-25）瀝青軟化點分析各層位瀝青混合料采用不同軟化點瀝青對瀝青路面結構各層位剪應力的影響，結果如圖2所示。

（三）各層位瀝青混合料采用不同級配

分別變化上面層（AC-13）、中面層（AC-20）、下面層（ATB-25）級配分析各層位瀝青混合料采用不同級配對瀝青路面結構各層位剪應力的影響。

分析表2、表3、表4，可看出，各層位瀝青混合料級配變化對上面層剪應力的影響較小；對中面層及下面層剪應力有所影響，其中，隨著上面層（AC-13）級配由細變粗，中面層剪應力減小，下面層剪應力增大；隨著中面層（AC-20）級配由細變粗，中、下面層剪應力均減小；隨下面層（ATB-25）級配由細變粗，中面層剪應力增大，下面層剪應力減小。

四、結語

從以上研究可得到以下結論：

1、隨著上面層油石比減小、軟化點升高、針入度減小、級配變細、空隙率減小，上、中面層剪應力增大，下面層剪應力減小；隨著中面層油石比增大、軟化點降低、針入度增大、級配變粗、空隙率增大，上面層剪應力增大，中、下面層剪應力減小；隨著下面層油石比增大、軟化點降低、針入度增大、級配變粗、空隙率增大，上、中面層剪應力增大，下面層剪應力減小；

2、瀝青混合料油石比、軟化點、針入度、級配、空隙率等材料參數變化對中面層剪應力的影響最大，說明中面層瀝青混合料材料設計不僅影響抗剪強度，而且關系到路面結構剪應力分布，應尤為重視。

3、材料參數中，瀝青軟化點對瀝青路面剪應力影響最為顯著，其次為級配，說明在以高溫穩定性為主的路面設計中，瀝青選擇與級配設計是最為重要的兩個因素。

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