基于抗剪性能的城市道路瀝青路面材料研究

張超

摘要：對于城市道路瀝青路面建設的質量要求包括：壓實度表面堅實、平整、嵌縫料不得浮于表面或聚積形成一層;經壓路機碾壓后，城市道路輪跡深度不能超過5mm。由于城市道路瀝青路面施工技術應用范圍的拓寬，尤其是應用在城市道路瀝青路面實踐中瀝青材料抗剪性能的優越性已經逐漸顯現出來，影響瀝青材料抗剪性能的關鍵因素包括：瀝青類型、配比、油石比、粗集料針片狀含量以及細集料棱角性。抗剪性能作為衡量瀝青路面材料的重要指標，一直是國內外重點研究的問題。

關鍵詞：抗剪性能;瀝青路面材料;材料配比

引言

裂縫是瀝青路面最普遍的一種損壞現象，也是造成瀝青路面早期病害的主要原因之一。路面一旦出現裂縫，隨著行車荷載的反復作用和自然因素的不斷影響，尤其是地表水的浸入會導致路面強度迅速降低，路面很快就會產生龜裂、坑槽等病害，嚴重影響路面的使用性能。由于瀝青路面結構始終處在交通荷載的循環作用下，其破壞主要表現為疲勞破壞特征，利用疲勞斷裂力學方法分析瀝青路面疲勞開裂，可獲得有價值的結論。

1、高速公路路面材料中存在的主要問題

（1）路面材料自身存在問題。在高速公路的路面施工中應用的礦料非常多，雖然礦料顆粒之間具備一定的黏結性，但是在受到外界壓力時，顆粒之間的凝結度會比較差，而且也會出現顆粒的位移，大幅度降低了高速公路路面施工的穩定性和可靠性，進而造成高速公路路基結構的穩定性和承載力下降，也就是說礦料主要應用在交通量比較低的公路中。塊料與礦料有很大不同，塊料的堅固性比較好，但是需要用人工進行鋪筑，施工成本也比較高，不利于應用在高速公路施工中。天然沙礫基層是以砂礫為主要的施工原材料，在當前的高速公路路面施工中比較常見，也是應用范圍最廣的原材料，為了有效保障材料質量和材料性能，需要工作人員加大對天然沙礫基層的顆粒控制。（2）瀝青路面問題。通常情況下，高速公路施工中是采用瀝青材料，而施工人員需要結合施工單位提供的各項參數，準確配置路面施工中的瀝青混合料，而且需要選取性能優越的礦料。在進行瀝青材料選擇時，需要根據施工地的交通條件，氣候特點等合理分析，確保選擇的瀝青種類和標號符合施工標準，并能夠在施工完成之后發揮瀝青材料的價值與作用。避免在高速公路路面施工中出現大面積的車轍，降低路面可能出現的裂縫和凹陷，提升高速公路路面施工穩定性，強化施工安全。

2、設計瀝青路面材料配比

城市道路瀝青路面工程建設時主要采用瀝青砼進行分路幅攤鋪，致力于將接縫位置襯砌更加緊密，防止出現裂縫問題。瀝青路面材料配比作為影響瀝青路面材料抗剪性能的內在因素，應該根據我國城市道路圍巖地質條件以及施工條件的使用要求，對瀝青原材料進行配比調試。在城市道路瀝青路面工程施工試拌、試鋪的階段做好調整配置工作。依據馬歇爾穩定度、孔隙率、試件密度以及電流值，繪制馬歇爾試驗指標曲線圖。馬歇爾試驗指標曲線圖的具體繪制步驟包括：首先，確定城市道路瀝青路面的設計級配范圍;再對瀝青路面材料進行選擇與準備;通過設計瀝青路面材料的配比，進而確定瀝青最佳使用量。

3、工藝試驗

（1）拌和試驗。首先針對三種級配進行粘稠度調整，調整方法為外加水，結果顯示編號1級配外加水量達2.0%～2.5%后具有以上表現;編號2級配外加水量達1.5%～1.8%后具有以上表現;編號3級配外加水量達1.5%左右后具有以上表現。由此可知，編號3級配用水量更小，控制難度較低，有利于質量管理。（2）滲水試驗。首先將冷補材料制成固定結構，后將其放在滲水環境當中，依照《公路路基路面現場測試規程》（JTGE60-2008）中T0971-2008進行試驗，結果顯示以上三種冷補材料的滲水值均為0，說明三者都具有良好的防水性能，修復后可以避免水體對質量的影響。

4、計算瀝青路面材料容許剪應力

考慮到瀝青路面材料抗剪性能的強弱，是引起城市道路瀝青路面在短期內出現裂縫的根本原因。因此，本文以瀝青路面材料配比為控制瀝青路面材料抗剪性能的內在因素，對控制瀝青路面材料抗剪性能的外在因素容許剪應力進行計算。容許剪應力主要是由于城市道路瀝青路面承受行車荷載重復作用條件下，所能夠承受的最大疲勞應力。設瀝青路面材料容許剪應力為rR，則其計算公式，如公式（1）所示。rR=rspKsKs=0.011Aa?N0.316f/Ac（1）在公式（1）中，rsp指的是通過單軸貫入試驗確定的瀝青路面材料結構層的剪切強度;Ks指的是瀝青路面材料抗剪強度的結構系數;Aa指的是瀝青路面材料配比系數，在城市道路瀝青路面的適用范圍下，本文采用配比為1：1;Nf指的是累計軸載作用次數，為實數;Ac指的是城市道路等級系數，其中，一級城市道路系數為1.0;二級城市道路系數為1.1;三級城市道路系數為1.2，四級城市道路系數與三級相同。本文設計的瀝青路面材料要求其計算出的容許剪應力必須小于瀝青路面材料結構層內最大剪應力，也就是必須滿足瀝青路面材料的抗剪要求。

5、基于垂向載荷的層間抗剪強韌度

每一次實驗，先施加垂向載荷P于試樣的上方，之后逐級加施水平推力T，直至Tmax最大推力出現損壞。沿續實驗至發生相對較大的切剪移位為止，以利于獲取切剪損壞后的殘存強韌度特性。考慮車輪在標準載荷作用下的垂向載荷0.7MPa和100%超載時約在1.4MPa，實驗決定取為0.7MPa和14MPa的垂向載荷，分別實施60℃、40℃、25℃的層間切剪實驗。

6、隨荷載次數的增加勁度模量的變化規律

從試驗結果可知，半柔性路面的初始勁度隨著溫度的增加而有所降低。當溫度為5°C以及15°C時，半柔性路面的初始勁度受應力水平的影響較小，但當溫度在40°C時，半柔性路面的初始勁度受應力水平的影響較大，隨著不斷增大的應力水平，其初始勁度不斷降低。綜上對勁度模量的分析可知，半柔性路面材料在溫度增加時其性能應出現了一定的變化，在較高溫度條件下，半柔性路面材料具有較為顯著的柔性特征。半柔性材料在40°C的溫度條件下，隨著不斷增加的荷載，當材料出現裂縫時，其勁度模量的降低速度趨于平緩，具有較為平滑的線形變化，表現出漸變的過程。

7、確定瀝青路面材料結構層內最大剪應力

基于瀝青路面材料的抗剪要求，本文采用BIS?GDFLEWBV5.0計算程序確定瀝青路面材料結構層內最大剪應力。首先，在BISGDFLEWBV5.0中輸入計算得到的瀝青路面材料容許剪應力以及測得的水平力和垂直力;再設計垂直荷載、rR、軸載以及當量圓直徑等參數。瀝青路面材料各結構層具體參數，如表1所示。

結束語

（1）半柔性水泥瀝青混合料可以達到路面設計標準，各項試驗性能均展現了較好的結果，并且對路面車轍的病害方面有著比較明顯的改善。（2）半柔性水泥瀝青混合料的骨料級配十分重要。設計孔隙率的改變對路面整體性能會帶來十分顯著的影響，隨著設計孔隙率的增加，半柔性路面材料力學性能得到提升，質地變得更脆。（3）對于實際工程中應用的半柔性路面材料，通過嚴格控制骨料級配、水灰比、施工順序，可以明顯改善其力學性能，同時改善路面病害。

參考文獻

[1]田源.土工合成材料對瀝青路面抗裂性能的影響[J].中國科技論文，2019，14（12）：1305-1310.

[2]鄭小渝.瀝青路面維修和病害處治中再生材料使用的探討[J].綠色環保建材，2019（12）：13+16.

[3]銀廷俊.瀝青路面坑槽冷態修補材料設計及修補工藝[J].中國公路，2019（14）：106-107.