基于三軸剪切強度的澆注式瀝青混合料抗剪性能影響因素分析

王 民，汪 昊，肖 麗，楊心瑤，王 滔

(1. 重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074； 2. 重慶市智翔鋪道技術(shù)工程有限公司，重慶 401336)

0 引 言

澆注式瀝青混合料(GA)是一種懸浮密實型結(jié)構(gòu)的瀝青混合料，與其他普通或改性瀝青混合料相比，具有非常小的空隙率[1-3]。有著高密水性、高耐疲勞性以及高整體性等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用鋼橋面鋪裝。但由于瀝青含量較高，導(dǎo)致高溫抗變形能力不足，服役過程中易產(chǎn)生車轍病害[4-6]。SHRP研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在汽車荷載作用下，當瀝青混合料的剪應(yīng)力大于剪切強度時，路面容易形成流動性車轍[7-8]。為提高澆注式瀝青混合料高溫變形能力，減少車轍病害出現(xiàn)，對其抗剪強度的研究必不可少。

近年來，從事路面結(jié)構(gòu)及材料方面研究的學(xué)者對瀝青混合料的抗剪性能從不同方面進行了探索。張海州等[9]通過三軸剪切試驗，分析了溫度、圍壓、瀝青膠結(jié)料等級以及級配類型四個方面對SMA及Sup瀝青混合料抗剪切性能的影響；袁峻等[10]利用數(shù)字圖像處理技術(shù)和MATLAB軟件，對粗集料的形狀、棱角及表面紋理進行了二維形態(tài)描述，確定了與瀝青混合料高溫抗剪強度有關(guān)的指標；張小元等[11]通過三軸壓縮試驗，研究了AC瀝青混合料抗剪強度參數(shù)與級配、溫度和添加劑關(guān)系，并建立了混合料與圍壓、溫度相關(guān)的材料破壞面抗剪強度預(yù)測模型；王民[12]采用單軸貫入試驗，從油石比和溫度兩方面測試并計算GA-10的抗剪強度及參數(shù)，同時與SMA-10和AC-10兩種瀝青混合料做對比，對澆注式瀝青混合料抗剪強度機理進行了分析；楊軍等[13]對SMA-13、AC-13、Sup-13以及PA-13四種瀝青混合料進行三軸剪切試驗，同時結(jié)合離散元方法對其進行了模擬，并與試驗室結(jié)果進行分析驗證了模型的正確性。

綜上所述，目前對澆注式瀝青混合料抗剪強度的研究主要以普通改性瀝青混合料為對象，或者從模型角度和剪切試驗方法等方面進行探討，而且在影響因素分析方面主要考慮的是材料的結(jié)構(gòu)以及施工工藝，抗剪強度未引起足夠的重視。因此，筆者以澆注式瀝青混合料材料組成和試驗條件為出發(fā)點，分析各指標對其抗剪性能的影響規(guī)律，為后期澆注式瀝青混合料用于鋼橋面鋪裝并減少車轍病害的出現(xiàn)提供借鑒和指導(dǎo)。

1 試驗方案及測試方法

1.1 試驗方案

根據(jù)澆注式瀝青混合料結(jié)構(gòu)組成特點，JTG/T 3364-02—2019《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》的相關(guān)要求，從材料組成(瀝青類型、油石比、級配)和試驗條件(溫度、加載速率)兩個方面進行測試，表1列出了具體的試驗方案。

表1 試驗方案Table 1 Test program

1.2 測試方法

采用澳大利亞IPC公司生產(chǎn)的三軸室及UTM-100型動態(tài)伺服液壓瀝青混合料系統(tǒng)對剪切強度進行測試。首先利用土工試模成型成150 mm(直徑)×172 mm(高度)的筒體，再用鉆芯機鉆取芯樣，最后按照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中T0718—2011試驗方法切割最終試件尺寸為100 mm(直徑)×150 mm(高度)。

試驗過程中，除考慮加載速率因素外，其他影響因素下試驗時加載速率均為7.5 mm/min；圍壓取0、138、276、414 kPa四個水平；當監(jiān)測到軸向荷載到達峰值且數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，在軸向荷載回落速度變快的拐點處停止加載，得到最大破壞荷載和軸向變形。

根據(jù)庫倫-摩爾理論原理可知[14]，黏聚力和內(nèi)摩擦角材料是決定抗剪強度的兩個重要參數(shù)。根據(jù)試驗得到最大破壞荷載和軸向變形，利用JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中T0718—2011試驗的算法，計算得到瀝青混合料的抗剪強度參數(shù)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ，并基于式(1)確定抗剪強度。

τ=c+σtanφ

(1)

式中：τ為抗剪強度， MPa；c為黏聚力， MPa；φ為內(nèi)摩擦角(°)；σ為法向壓應(yīng)力， MPa。

2 原材料性能及配合比設(shè)計

選用SK-70# 基質(zhì)瀝青，復(fù)配熱塑性彈性體、增塑劑、降黏劑等外加劑，自行生產(chǎn)加工得到聚合物復(fù)合改性瀝青。同時，為了比較其對瀝青性能的影響，另選湖瀝青復(fù)合改性瀝青與硬質(zhì)瀝青復(fù)合改性瀝青為研究對象，主要技術(shù)指標如表2。

表2 瀝青膠結(jié)料主要性能指標Table 2 Main performance indexes of asphalt binder

澆注式瀝青混合料(GA-10)用集料為玄武巖，礦粉為磨細石灰石粉，材料與混合料性能指標均符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》與JTG/T3364-02—2019《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》要求，如表3。

表3 不同瀝青類型澆注式瀝青混合料主要性能指標Table 3 Main performance indexes of gussasphalt mixture with different asphalt types

制備澆注式瀝青混合料(GA-10)的礦料級配曲線如圖1。

圖1 澆注式瀝青混合料礦料級配曲線Fig. 1 Aggregate gradation curve of gussasphalt mixture

3 影響因素敏感性分析

3.1 材料組成對瀝青混合料抗剪性能影響

3.1.1 瀝青類型

采用聚合物復(fù)合改性瀝青、湖瀝青復(fù)合改性瀝青以及硬質(zhì)復(fù)合改性瀝青三種瀝青，制備澆注式瀝青混合料，在60 ℃條件下進行三軸剪切試驗，計算得到抗剪強度及參數(shù)，結(jié)果如表4。

表4 不同瀝青類型澆注式瀝青混合料抗剪強度及參數(shù)Table 4 Shear strength and parameters of the gussasphalt mixture with different asphalt types

由表4可見，三種改性瀝青制備的澆注式瀝青混合料抗剪強度及參數(shù)差別不是很大。其中，黏聚力和抗剪強度的變化趨勢一致，均為聚合物復(fù)合改性瀝青混合料>湖瀝青復(fù)合改性瀝青混合料>硬質(zhì)瀝青復(fù)合改性瀝青混合料。采用聚合物復(fù)合改性瀝青制備的澆注式瀝青混合料具有最大的內(nèi)摩擦角(18.87°)和黏聚力(0.82 MPa)，抗剪強度最高(1.06 MPa)，綜合抗剪性能最好。采用湖瀝青復(fù)合改性瀝青制備的澆注式瀝青混合料內(nèi)摩擦角最小，主要是因為混合料在220～240 ℃溫度拌合下，改性劑對瀝青的老化作用明顯減弱，幾乎喪失。采用硬質(zhì)復(fù)合瀝青制備的澆注式瀝青混合料的黏聚力最小、內(nèi)摩擦角相對較大，相對其他兩組材料，骨料提供的嵌擠作用對混合料的抗剪性能影響更明顯。

3.1.2 油石比

采用聚合物復(fù)合改性瀝青，選用7.6%、7.8%、8.0%、8.2%、8.4%五個油石比制備澆注式瀝青混合料，進行60 ℃三軸剪切試驗，計算得到抗剪強度及參數(shù)，結(jié)果如表5。

表5 不同油石比澆注式瀝青混合料抗剪強度及參數(shù)Table 5 Shear strength and parameters of the gussasphalt mixture with different asphalt aggregate ratios

從表5可以看出，油石比為7.8%時，混合料的抗剪強度達到最大值(1.15 MPa)。對于內(nèi)摩擦角，隨著油石比的不斷增大，澆注式瀝青混合料內(nèi)部含有較多的自由瀝青，導(dǎo)致瀝青膜變厚，從而降低了集料之間的摩擦阻力，使得內(nèi)摩擦角減小，且兩者間線性相關(guān)性較明顯。對于黏聚力而言，相對低瀝青用量時，混合料內(nèi)部瀝青與礦粉形成的膠漿使黏聚力增大，當油石比為7.8%時達到最大值(0.875 MPa)；隨著瀝青用量逐漸增加，瀝青與礦粉組成的膠漿粉膠比減小，導(dǎo)致混合料黏聚力也開始下降；因此，黏聚力隨油石比的增加呈現(xiàn)先增加后減小得趨勢。

3.1.3 級 配

采用聚合物復(fù)合改性瀝青，利用粗、中、細三種級配制備澆注式瀝青混合料，在60 ℃條件下進行三軸剪切試驗，計算得到抗剪強度及參數(shù)，如表6。

表6 不同級配下澆注式瀝青混合料抗剪強度及參數(shù)Table 6 Shear strength and parameters of the gussasphalt mixture with different gradations

從表6可以看出，三種礦料級配下澆注式瀝青混合料抗剪強度大小為：中級配>細級配>粗級配。礦料由細變粗的過程中，內(nèi)摩擦角呈現(xiàn)增大趨勢，說明此過程中混合料的嵌擠作用變大。黏聚力和抗剪強度變化趨勢一致，先增大后減小，懸浮密實結(jié)構(gòu)的澆注式瀝青混合料抗剪性能更依賴于黏結(jié)作用。

3.2 試驗條件對瀝青混合料抗剪性能影響

3.2.1 溫 度

采用聚合物復(fù)合改性瀝青制備澆注式瀝青混合料，在25、40、60 ℃三種溫度下進行三軸剪切試驗，計算得到抗剪強度及參數(shù)，結(jié)果如表7。

表7 不同溫度下澆注式瀝青混合料抗剪強度及參數(shù)Table 7 Shear strength and parameters of the gussasphalt mixture at different temperatures

由表7能夠看出，隨著溫度的升高，由于瀝青膠結(jié)料的黏度大幅度下降，混合料變成黏塑性，降低了抵抗荷載作用的能力，導(dǎo)致抗剪強度和黏聚力不斷減小，當溫度從25 ℃升到60 ℃時，抗剪強度和黏聚力分別降低了原來的33%和37%，可見溫度對澆注式瀝青混合料的影響較大。對于內(nèi)摩擦角而言，其大小主要取決于混合料內(nèi)部的瀝青含量和礦料分布，雖然溫度的升高使集料滑移導(dǎo)致內(nèi)摩擦角有所減小，但澆注式瀝青混合料作為一種懸浮密實型結(jié)構(gòu)，集料滑移造成的影響較小。而且細集料大部分是填充間隙的作用，相對粗集料棱角性不足，因此沒有較高的內(nèi)摩擦角。

3.2.2 加載速率

采用聚合物復(fù)合改性瀝青制備澆注式瀝青混合料，在60 ℃下進行6.00、6.75、7.50、8.25、9.00 mm/min 五種加載速率的三軸剪切試驗，計算得到抗剪強度及參數(shù)，結(jié)果如表8。

表8 不同加載速率下澆注式瀝青混合料抗剪強度及參數(shù)Table 8 Shear strength and parameters of the gussasphalt mixture at different loading rates

從表8能夠看出，抗剪強度、黏聚力以及內(nèi)摩擦角都隨加載速率的增大而逐漸增大，但趨勢較緩慢。其中內(nèi)摩擦角對加載速率幾乎沒有影響，最大差值僅為1.52°。當加載速度小于8.0 mm/min時，黏聚力增加速率緩慢。和其他影響因素對比發(fā)現(xiàn)，加載速率對混合料抗剪性能影響并不顯著。

4 結(jié) 論

筆者基于三軸剪切強度試驗，對不同材料組成和試驗條件下澆注式瀝青混合料抗剪強度進行研究，分析了各因素對其抗剪性能的影響規(guī)律，為減少橋面鋪裝澆注式瀝青混合料車轍病害，提供了理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐，形成了以下主要結(jié)論：

1)三種復(fù)合改性瀝青下，混合料抗剪強度大小為：聚合物復(fù)合改性>湖瀝青復(fù)合改性瀝青>硬質(zhì)瀝青復(fù)合改性，聚合物復(fù)合改性瀝青混合料抗剪強度最大，綜合抗剪性能最優(yōu)。

2)隨油石比的增加，混合料抗剪強度和黏聚力先增大后減小，內(nèi)摩擦角保持逐漸減小的趨勢，油石化為7.8%時分別達到最大值，τ=1.15 MPa、c=0.82 MPa，兩者之間相關(guān)性明顯。

3)中級配下混合料抗剪性能最好，級配由細變粗時，黏聚力與抗剪強度變化趨勢一致，影響更為顯著，可見懸浮密實結(jié)構(gòu)的澆注式瀝青混合料抗剪性能更依賴于黏結(jié)作用。

4)溫度對澆注式瀝青混合料抗剪性能影響較大，抗剪強度和黏聚力隨溫度的升高而不斷減小，當溫度從25 ℃升到60 ℃時，抗剪強度和黏聚力分別降低了原來的33%和37%。內(nèi)摩擦角雖也有減小，但變化趨勢不大。

5)隨著加載速率的增大，抗剪強度指標均逐漸變大，但趨勢十分緩慢，其中內(nèi)摩擦角對加載速率影響很小。當加載速度小于8.0 mm/min時，黏聚力增加速度變緩，和其他影響因素對比發(fā)現(xiàn)，加載速率對混合料的抗剪性能影響并不顯著。