細集料對AC-13瀝青混合料抗剪切性能的影響分析

謝百慧

摘? 要：文章針對高速公路流動性車轍病害成因，將基于天然砂、石屑和機制砂三種不同細集料的瀝青混合料抗剪強度進行對比分析，研究細集料對瀝青混合料抗剪切性能的影響規律，并提出細集料優化配比方案，為瀝青路面抗車轍設計和工程實踐提供參考依據。

關鍵詞：細集料;AC-13瀝青混合料;抗剪切性能

中圖分類號：U415? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）36-0110-03

Abstract： Aiming at the cause of fluidity rutting disease of expressway， this paper makes a comparative analysis of the shear strength of asphalt mixture based on natural sand， stone chips and mechanism sand， and studies the effect of fine aggregate on the shear performance of asphalt mixture. The optimal proportioning scheme of fine aggregate is put forward to provide reference basis for rutting resistance design and engineering practice of asphalt pavement.

Keywords： fine aggregate; AC-13 asphalt mixture; shear resistance

1 概述

目前，由夏季高溫導致的瀝青路面車轍病害，成為我國高速公路所面對的嚴重問題之一。車轍病害不僅會降低路面的路用性能，影響到行駛過程中的舒適度，而且還會危及行車安全，增加安全事故的發生概率[1]。車轍按成因可分為“結構型”、“磨耗型”、“壓密型”和“失穩型”四類[2]。目前我國瀝青路面產生的車轍病害一般是因瀝青混合料累積剪切變形而造成的流動性車轍，屬于失穩型車轍，其橫斷面形態一般為W形，即車輛輪胎作用面下方表現為下凹，而兩側表現為上凸。根據國內外的相關研究，流動性車轍形成的根本原因是瀝青面層的結構剪應力，瀝青混合料在結構剪應力的反復作用下，發生剪切疲勞破壞，混合料將沿著剪切面移動，最終形成我們常見的轍槽[3]。細集料是瀝青混合料的重要組分，因其表面物理特性、力學特性與粒度組成的不同，對瀝青混合料的高溫穩定性與水穩定性影響顯著[4]。細集料主要包括天然砂、石屑和機制砂，本文對基于三種不同細集料的瀝青混合料抗剪強度進行分析，研究其對瀝青混合料抗剪切性能的影響規律，并提出細集料優化配比方案，為瀝青路面抗車轍設計和工程實踐提供參考依據。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料

本研究選擇常用的AC-13瀝青混合料為研究對象，所選用的玄武巖粗集料、石灰巖礦粉，以及石灰巖機制砂、玄武巖石屑、石英砂等細集料均符合國內規范技術要求。采用SBS改性瀝青，性能指標見表1，AC-13瀝青混合料級配見表2。

為了便于考察機制砂、石屑和天然砂三種細集料對于混合料抗剪切性能的影響，以石屑瀝青混合料作為基準，通過馬歇爾試驗確定出混合料的最佳油石比為4.3%。

2.2 試驗設備

試驗應用寧曦土壤儀器有限公司生產的TSZ全自動三軸儀，如圖1所示。試驗過程中的數據采集和控制通過TWJ數據采集處理系統來進行，使TSZ全自動三軸儀試驗系統真正實現了自動化。

2.3 試驗方法

本研究采用擊實法成型的馬歇爾試件，尺寸為φ101.6×63.5mm，試驗溫度為25℃，加載速率1.20mm/min，試驗圍壓分別為50kPa、100kPa和150kPa。將試件置于三軸壓力室底座上，然后將橡皮膜套在試件之上，再用數根橡皮筋箍緊已套上橡皮膜試件的兩端，以保證橡皮膜密封嚴實。然后密封好壓力室，即可進行試驗。

在三軸試驗中使試件處于三向受力狀態，沿試件徑向的是均勻分布的壓力，兩個主應力相等，近似反映了道路路面的實際受力情況[5]。三軸試驗假定瀝青混合料近似為各向同性均質體，采用摩爾理論來解釋混合料的抗剪性能，即認為材料的破壞是由于顆粒之間產生了剪切滑移。試驗結果可以獲得材料在極限平衡狀態時的一族應力圓，由該應力圓族構成的包絡線以表示材料符合材料庫侖方程的抗剪強度規律，進而求得材料的抗剪參數粘結力c和內摩擦角φ兩項指標，以此計算混合料抗剪強度τ[6]，見式（1）所示。

3 試驗結果與分析

3.1 三種細集料對AC-13抗剪切性能的影響

利用上述的AC-13瀝青混合料，擊實成型，通過三軸試驗，對試驗結果進行處理，分析細集料差異對瀝青混合料力學性能的影響。試件的基本指標見表3，表中J、S、T分別代表機制砂、石屑、天然砂三種不同類型的混合料，VV、VMA、VFA分別代表瀝青混合料試件的空隙率、礦料間隙率、有效瀝青飽和度。

三種瀝青混合料試驗過程中剪力峰值及其對應軸向應變如表4所示，處理之后機制砂、石屑與天然砂瀝青混合料的抗剪強度參數見表5。

由表5可以看出，常溫下三種混合料的內摩擦角，從大到小依次為機制砂、天然砂、石屑，與三者棱角性排序相同，表明提高細集料棱角性有助于加大混合料的內摩擦角;粘結力最大的是石屑瀝青混合料，其次是天然砂瀝青混合料，最小的是機制砂瀝青混合料。

3.2 基于AC抗剪切性能的細集料優化

為優化AC中細集料的組成，以機制砂與天然砂按照1：2、1：1和2：1三種比例摻配，測試擊實成型下瀝青混合料的抗剪強度，從而提出較優的細集料組成配合比。

三種摻配比例下細集料瀝青混合料試件的基本指標如表6所示，試驗測得三種瀝青混合料的剪力峰值及其對應軸向應變如表7所示，處理之后瀝青混合料的抗剪強度參數如表8所示，表中I、II、III分別代表機制砂與天然砂摻配比例為1：2、1：1和2：1。

試驗結果表明，同三種單質材料的結論相同，機制砂含量越高，混合料的內摩擦角越大，但由于細集料與瀝青、粗集料相互作用的復雜性，粘結力存在最優配比。因此針對AC-13，機制砂與天然砂1：1的比例摻配較為合適。

4 結束語

本研究選用常溫下的三軸試驗方法，以庫倫強度準則為理論基礎，測試瀝青混合料的抗剪切指標c、φ值，分析不同細集料對于c、φ值的影響，獲得機制砂、石屑與天然砂對瀝青混合料抗剪切性能的影響規律，從而為細集料比選提供理論依據。主要結論如下：

（1）常溫下三種細集料混合料的內摩擦角，從大到小依次為機制砂、天然砂、石屑，與三者棱角性排序一致，表明提高細集料棱角性有助于加大混合料的內摩擦角;粘結力最大的是石屑瀝青混合料，其次是天然砂瀝青混合料，最小的是機制砂瀝青混合料。

（2）以機制砂與天然砂摻配的細集料混合料，機制砂比例越大，混合料的內摩擦角越大，但比例為1：1時粘結力最優。因此針對AC-13，機制砂與天然砂1：1的比例摻配性能較優。

參考文獻：

[1]姜利民.三軸重復荷載作用下瀝青混合料永久變形研究[D].長安大學，2017.

[2]牛克柱，王平，楊修志.公路瀝青路面車轍病害成因與防治措施[J].華東公路，2018（6）：63-65.

[3]鄧歡.瀝青混凝土細觀力學數值模擬與試驗研究[D].武漢理工大學，2013.

[4]魏文鼎，馮德成，趙銀，等.細集料性質對瀝青混合料體積特性影響分析[J].中外公路，2011，31（6）：241-244.

[5]趙文美，王銳.細集料對SMA-13抗剪切性能影響與優化[J].低溫建筑技術，2016（5）：145-146.

[6]邵臘庚，何橋敏.瀝青混合料剪切試驗方法研究[J].2009，23（2）：19-22.

[7]蒲磊.GAC-16瀝青混合料高溫抗剪性能試驗研究[D].重慶交通大學，2018.