細集料對AC-13瀝青混合料抗剪切性能的影響分析

（蘇交科集團檢測認證有限公司，江蘇 南京 211112）

1 概述

當前，瀝青路面在使用過程中會出現(xiàn)很多問題，其中最為主要的問題是由于夏季高溫作用，使路面出現(xiàn)車轍病害。車轍病害不但會威脅到車輛行車安全性，產(chǎn)生安全事故，還會降低路面性能，對車輛行駛舒適性造成影響。以其成因為依據(jù)，將車轍分為如下四種：“失穩(wěn)型”、“磨耗型”、“壓密型”以及“結構型”。當前我國瀝青路面最常見的一種車轍病害為“失穩(wěn)型”車轍，該種病害產(chǎn)生的主要原因是，瀝青混合料受到長年累月的剪切應力而變形，進而形成一種“W”形橫斷面的流動性車轍，也就是車輛輪胎兩側(cè)及下方路面會出現(xiàn)上凸和下凹兩種形態(tài)。對比分析國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)流動性車轍產(chǎn)生的根本原因為：在剪應力的不斷作用后，瀝青混合料出現(xiàn)了剪切疲勞破壞，這時混合料會沿著剪切面進行移動，最終形成路面車轍，影響行車安全和穩(wěn)定。在瀝青混合料中，最主要的組成部分為細集料，不同細集料的粒度組成、力學特性以及物理特性都各不相同，由于瀝青混合料中的細集料不同，因此其水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性也不盡相同。當前使用較為廣泛的細集料主要有機制砂、石屑以及天然砂，本文在這三種細集料的基礎上，對瀝青混合料（不同細集料組成）進行研究，分析其抗剪強度，并對細集料的影響規(guī)律進行研究，最終得出最佳的細集料配比方案。

2 試驗所需材料及方法

2.1 試驗材料

本研究中所選擇的瀝青混合料為AC-13，根據(jù)我國的相關規(guī)范對該混合料中所使用的玄武巖粗集料和石灰?guī)r礦粉，玄武巖石屑、石英砂及石灰?guī)r機制砂等細集料進行選擇。瀝青為SBS 改性瀝青，其指標如下：在25℃時，針入度為58（0.01mm）；軟化點為85℃；5℃時，延度為30cm。

為了對天然砂、石屑以及機制砂的影響特點進行分析，本文選擇石屑瀝青混合料作為依據(jù)，對其實施馬歇爾試驗，最終得出4.3%為混合料的最佳油石比。

2.2 試驗中使用設備

試驗中所采用的TSZ 全自動三軸儀生產(chǎn)廠家為寧曦土壤儀器有限公司，圖1為儀器圖。在對試驗中數(shù)據(jù)進行采集和控制時，主要借助TWJ 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)完成，使TSZ 全自動三軸儀試驗系統(tǒng)的自動化水平進一步提高。

圖1 TSZ 全自動三軸儀

2.3 主要試驗方法

采用擊實法成型對本實驗中的馬歇爾試件進行處理，試驗溫度為25℃，試件大小φ101.6×63.5mm，試驗圍壓分別為150kPa、100kPa 及50kPa，加載速率為1.20mm/min。在試驗過程中，試驗人員應先在三軸壓力室底座上放置試件，再在試件上套上橡皮膜，為了使橡皮膜的密封嚴實性得到保障，技術人員還應用數(shù)根橡皮筋對已套上的橡皮膜試件兩端進行箍緊處理，最后對壓力室進行密封處理，并開始試驗。

在僅從三軸試驗的過程中，試件受到三個方向的力，所受的兩個主應力相等，沿著試件徑向的壓力為均勻分布，對道路路面的實際受力情況加以模擬。三軸試驗是將瀝青混合料假設為各向同性均質(zhì)體，混凝土的抗剪性能研究主要依據(jù)為摩爾理論，也就是由于顆粒間剪切滑移的存在會使材料被破壞。

以試驗結果為依據(jù)，對極限平衡狀態(tài)下的材料進行分析，可得到一個應力圓，與此同時，將該應力圓作為依據(jù)可以構成相應的包絡線，便于對材料庫倫方程抗剪強度規(guī)律進行表示，并對材料的抗剪參數(shù)進行計算，最終得出混合料的抗剪強度τ，計算公式如式（1）：

3 試驗結果及結果分析

3.1 不同細集料對AC-13 瀝青混凝土抗剪切性能的主要影響

對不同細集料所構成的AC-13 瀝青混合料進行擊實成型，形成相應的試件，并對試件進行三軸試驗，最后對試驗結果進行觀察和分析，得出不同細集料對瀝青混合料抗剪切性能的主要影響。經(jīng)過試驗可知機制砂、天然砂及石屑三種不同類型細集料對瀝青混合料試件有效瀝青飽和度、礦料間隙率以及空隙率等相關參數(shù)的影響。

通過不同細集料條件下的瀝青混合料進行試驗可知，剪力峰值所對應的軸向應變，對機制砂、天然砂及石屑瀝青混合料進行處理后，可得到如表1的抗剪強度參數(shù)。

表1 不同細集料條件下 AC-13 三軸試驗的抗剪強度參數(shù)

對表1進行分析可知，在常溫條件下，石屑、天然砂以及機制砂所制成的混合料內(nèi)摩擦角為從小到大分布，這與三者的棱角性排序一致，由此可知，為了使瀝青混合料的內(nèi)摩擦角增加，技術人員可以適當提高細集料的棱角性；三種細集料中粘結力最小的為機制砂瀝青混合料，其次為天然砂瀝青混合料，而石屑瀝青混合料粘結力最大。

3.2 基于AC-13 瀝青混凝土抗剪切性能的細集料的優(yōu)化

為了使AC-13 瀝青混凝土的抗剪切性能進一步提高，技術人員可以對細集料進行優(yōu)化，按照2：1、1：1 以及1：2 的機制砂和天然砂比例進行摻配，并對擊實成型的瀝青混凝土試件的抗剪強度進行測試，對最優(yōu)的細集料組成配合比進行確定。

通過試驗可以得到三種比例條件下的各瀝青混凝土試件的相關指標，也可知三種瀝青混凝土剪力峰值所對應的軸向應變，對其進行處理后，表2為瀝青混合料的抗剪強度參數(shù)，其中，表中的 I、II、III 代表天然砂摻量與機制砂摻量的比值為2：1、1：1 以及1：2。

表2 不同細集料摻量比例下AC-13 瀝青混合料的抗剪強度參數(shù)

根據(jù)試驗可知，與只摻加一種材料的結論相似，當機制砂含量增加時，瀝青混合料的內(nèi)摩擦角會隨之增加，以細集料和粗集料、瀝青之間復雜的相互作用關系為依據(jù)，為了使配合比達到最優(yōu)，應該選擇粘結力以及內(nèi)摩擦角都較大的配比，通過分析，當天然砂和機制砂之間的摻量比例為1：1 時，此時的AC-13 瀝青混凝土配比最佳。

4 結束語

本實驗以庫倫強度準則作為主要的理論技術，對常溫條件下的瀝青混合料進行三軸試驗，得到瀝青混合料的抗剪強度指標，并分析不同細集料對指標的影響，得到如下結論：

（1）對常溫下三種細集料所制成的瀝青混合料進行試驗可知，石屑、天然砂以及機制砂三種細集料所制成的瀝青混合料的內(nèi)摩擦角依次增大，這與三者的棱角性大小一致，因此可知為了提高瀝青混合料的內(nèi)摩擦角可以適當提高細集料的棱角性；粘結力從大到小的排序為：石屑瀝青混合料、天然砂瀝青混合料、機制砂瀝青混合料。

（2）對不同摻量比例的機制砂和天然砂進行試驗可知，當機制砂的摻量越大時，瀝青混合料的內(nèi)摩擦角就會越大，但是綜合考慮粘結力和內(nèi)摩擦角，當天然砂和機制砂摻量比例為1：1 時，AC-13 瀝青混合料性能最佳。