低圍壓瀝青混合料抗剪性能試驗及影響因素分析

張玉秀 李萍 范鑫源

摘 要：針對瀝青路面由于抗剪性能不足而發(fā)生車轍病害的現(xiàn)象，對影響瀝青混合料抗剪強度的因素進行分析。通過三軸剪切試驗和單軸貫入試驗發(fā)現(xiàn)，試驗溫度、集料的最大粒徑、級配類型和瀝青類型對瀝青混合料抗剪強度的影響很大。結(jié)果表明：瀝青混合料的抗剪強度隨著溫度的上升而降低，溫度從20 °C上升到40 ℃時，抗剪強度下降幅度較大，溫度從40 ℃上升到60 ℃時，抗剪強度下降幅度較小；從集料粒徑對抗剪強度的影響來看，抗剪強度隨著集料最大公稱粒徑的增大而逐漸減小；就相同集料粒徑的混合料而言，骨架密實型混合料的抗剪強度大于懸浮密實型的抗剪強度；相同級配下，膠結(jié)料為改性瀝青的混合料抗剪強度大于以膠結(jié)料為基質(zhì)的瀝青混合料抗剪強度。通過2種試驗結(jié)果對比可知，2種試驗方法所得變化規(guī)律有良好的一致性。

關(guān)鍵詞：瀝青混合料；抗剪切性能；三軸剪切試驗；單軸貫入試驗

中圖分類號：U414.75 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.03.007

0 引言

瀝青路面在高溫、重載時，極易出現(xiàn)車轍、推擠、波浪、擁包等病害，其中車轍是主要破壞形式之一[1-3]。其原因主要是在車輛荷載作用下瀝青路面的抗剪性能不足，從而導(dǎo)致瀝青路面的路用性能下降，使用壽命也大大縮短。因此，為了進一步提高瀝青路面的使用性能和使用壽命[4-5]，研究瀝青混合料抗剪性能勢在必行。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對道路中的車轍病害[6-8]和瀝青混合料抗剪性能評價進行了較為系統(tǒng)、全面的試驗研究。張小元等[9]分析了不同溫度下，對2種級配混合料進行零圍壓和有圍壓的三軸剪切試驗，得到了抗剪強度參數(shù)值隨溫度的變化規(guī)律，并得出在2種級配類型的瀝青混合料中加入纖維或抗車轍劑時，抗剪強度參數(shù)值均有所提高。李強等[10]通過不同類型試驗，研究了4種瀝青混合料的抗剪性能，發(fā)現(xiàn)試驗方法的差異對所得抗剪強度參數(shù)的影響并不明顯，在工程實際中推薦采用單軸壓縮試驗和間接拉伸試驗組合測試所得的混合料抗剪強度參數(shù)，并分析出溫度、加載速率和混合料類型對抗剪強度參數(shù)的重要影響。劉貴應(yīng)等[11-12]利用單軸貫入試驗及其他一些相關(guān)試驗綜合分析了集料公稱粒徑大小、集料級配等多個參數(shù)對瀝青混合料的抗剪性能的影響。徐世法等[13-15]通過單軸貫入試驗分析了瀝青混合料抗剪強度的影響因素。

上述研究成果從不同試驗類型分析了瀝青混合料的抗剪性能及其影響因素，但是沒有對比分析瀝青路面在低圍壓條件下，不同試驗方法測定瀝青混合料剪切性能的差異性。瀝青路面在服役過程中多處于低圍壓狀態(tài)，而目前多數(shù)瀝青混合料抗剪切試驗是在圍壓較高的條件下進行試驗，與瀝青路面服役環(huán)境不符。故本研究采用單軸貫入試驗以及低圍壓條件下的三軸剪切試驗進行瀝青混合料抗剪性能的對比研究，為進一步完善瀝青混合料的抗剪強度理論提供技術(shù)參考。

1 原材料性能及配合比設(shè)計

1.1 原材料及性能

本文試驗采用SK-90基質(zhì)瀝青、KL-90基質(zhì)瀝青以及SBS改性瀝青，相關(guān)基本技術(shù)指標(biāo)檢測結(jié)果見表1、表2，各項指標(biāo)均滿足《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）[16]的要求。集料為輝綠巖，礦粉為石灰?guī)r礦粉，材料均符合《公路工程集料試驗規(guī)程》（JTG E42—2005）[17]各項技術(shù)要求。

1.2 配合比設(shè)計

對3種瀝青混合料進行級配設(shè)計。以AC-13為例，進行油石比為4.2%、4.7%、5.2%、5.7%、6.2%的馬歇爾試驗以對其體積指標(biāo)進行測定，確定最佳油石比為5.2%，結(jié)果見表3。

AC-16、AC-20、SMA-13礦料級配設(shè)計和馬歇爾試驗的過程與上述AC-13相同，各級配礦料篩孔通過率見表4，各級配最佳油石比見表5。

2 瀝青混合料剪切性能試驗分析

2.1 瀝青混合料抗剪能力的評價指標(biāo)

瀝青混合料高溫抗剪強度由黏聚力（[c]）與內(nèi)摩擦角（[φ]）組成。三軸剪切試驗通過測定瀝青混合料的黏聚力和內(nèi)摩擦角這2項指標(biāo)，以此評價混合料的抗剪強度（[τ]），即：

[τ=c+σtanφ]. （1）

式中：[τ]為瀝青混合料的抗剪強度；[c]為黏聚力；[σ]為法向應(yīng)力，可根據(jù)路面的實際荷載情況確定；[φ]為內(nèi)摩擦角。

2.2 三軸剪切試驗方法和條件

三軸剪切試驗中，瀝青混合料試件在三軸儀壓力室中處于三維受力的狀態(tài)，此混合料的受力狀態(tài)與實際路面的三面受力狀態(tài)非常接近，因此可以測得混合料的抗剪強度參數(shù)。試驗采用LSZ-100B型微機瀝青混合料三軸壓縮試驗系統(tǒng)，所用試件是150 mm×Ф100 mm的圓柱體，采用旋轉(zhuǎn)壓實成型后，再用切割機和鉆芯機將試件切割而成。加載速率為0.05 mm/min，圍壓分別為0、12.5、25.0、50.0 kPa。研究溫度對瀝青混合料抗剪性能的影響時試驗溫度為20、40、60 ℃，研究其他因素對抗剪強度的影響時試驗溫度均為60 ℃。

2.3 單軸貫入試驗方法和條件

單軸貫入試驗的原理來自于CBR試驗，通過在試件上用鋼壓頭加載模擬路面在荷載作用下的實際受力狀況來反映瀝青混合料在高溫下的抗剪強度。但僅憑單軸貫入試驗無法直接測得混合料的抗剪強度，需將其試驗結(jié)果與無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果結(jié)合方能得出2個莫爾圓，再基于三軸剪切試驗求得抗剪強度參數(shù)的方法來求得[c]值和[φ]值。其應(yīng)力計算見式（2）：

[σ=FA]. （2）

式中：[σ]為豎向應(yīng)力值，F(xiàn)為貫入應(yīng)力峰值，A為鋼壓頭橫截面面積。

試驗采用SNAS萬能試驗機，試驗裝置如圖1所示。選用直徑為42 mm的鋼壓頭，所用試件是100 mm×Ф150 mm的圓柱體，采用旋轉(zhuǎn)壓實儀進行成型，加載速率為1 mm/min，每組試驗進行4組平行試驗，試驗溫度與三軸剪切試驗時的溫度相同。

3 瀝青混合料抗剪強度的影響因素分析

3.1 溫度對瀝青混合料抗剪強度的影響

瀝青混合料是一種黏彈塑性材料，其黏結(jié)力受溫度的影響很大。低溫狀態(tài)時瀝青混合料表現(xiàn)為黏彈性，高溫或長期重載的情況下則表現(xiàn)為黏彈塑性，此種情況下瀝青混合料的黏結(jié)力變小，抗剪強度降低，最容易出現(xiàn)塑性流動變形或形成車轍。為測試不同溫度與圍壓下瀝青混合料的抗剪強度參數(shù)變化，本試驗采用SMA-13瀝青混合料，試驗溫度選取20、40、60 ℃，膠結(jié)料采用SBS改性瀝青，試驗結(jié)果如表6所示，其中，σ1、σ3分別為莫爾圓中的最大、最小主應(yīng)力。由此得出的抗剪強度及其指標(biāo)變化趨勢圖如圖2、圖3所示。

由圖2可知，黏聚力以及內(nèi)摩擦角都隨著溫度的升高而降低。在溫度由20 ℃升高到40 ℃時，黏聚力下降了39%，內(nèi)摩擦角下降了2%；當(dāng)溫度由40 ℃升高到60 ℃時，黏聚力下降了24%，內(nèi)摩擦角下降了7%。由此可得到：黏聚力和內(nèi)摩擦角都隨著溫度的升高而降低，黏聚力變化顯著，而內(nèi)摩擦角變化較小，說明溫度對黏聚力的影響較大，而對內(nèi)摩擦角影響較小。對抗剪強度而言（圖3），20 ℃條件下SMA-13瀝青混合料的抗剪強度高于40 ℃、60 ℃下的抗剪強度。隨著溫度的升高，SMA-13瀝青混合料的抗剪強度降低。原因是瀝青混合料作為一種復(fù)雜的黏彈塑性材料，會隨著溫度的變化而表現(xiàn)出不同的特性，溫度升高時，瀝青混合料會出現(xiàn)軟化的現(xiàn)象，其膠結(jié)料也會隨著溫度的上升表現(xiàn)出流體的性質(zhì)，導(dǎo)致瀝青混合料原本的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)破壞，致使內(nèi)摩擦角降低，從宏觀角度表現(xiàn)為瀝青混合料抗剪強度下降。

3.2 級配對瀝青混合料抗剪強度的影響

3.2.1 集料粒徑對瀝青混合料抗剪強度的影響

為研究集料最大公稱粒徑對瀝青混合料抗剪強度以及抗剪參數(shù)的影響，試驗采用AC-13、AC-16、AC-20瀝青混合料，試驗溫度選取60 ℃，膠結(jié)料采用KL-90基質(zhì)瀝青，試驗結(jié)果得出3種瀝青混合料的抗剪強度及其指標(biāo)的變化趨勢，如圖4、圖5所示。

由圖4可知，隨著集料顆粒粒徑的增大，瀝青混合料的黏聚力[c]值呈下降趨勢，級配AC-13的[c]值要大于級配AC-16和級配AC-20，研究表明：粒徑較小的集料顆粒比表面積大，與瀝青的接觸面積大，而自由瀝青比例較少，在相同的溫度以及荷載條件下，自由瀝青較少的瀝青混合料的黏聚力越大，反之，黏聚力越小；內(nèi)摩擦角隨著集料顆粒粒徑的增大而增大，即AC-20>AC-16>AC-13，原因是粒徑大的集料占比較大，粗集料的接觸較好，礦料能形成穩(wěn)定的骨架結(jié)構(gòu)。由圖5可知，當(dāng)瀝青混合料的結(jié)構(gòu)同為懸浮密實型結(jié)構(gòu)時，混合料的抗剪強度由大到小依次為AC-16>AC-13>AC-20。

3.2.2 不同級配對瀝青混合料抗剪強度的影響

為了研究級配類型對瀝青混合料抗剪強度的影響，試驗采用懸浮密實型瀝青混合料AC-13和骨架密實型瀝青瑪蹄脂碎石SMA-13，膠結(jié)料均采用SBS改性瀝青，采用旋轉(zhuǎn)壓實法使試件成型，試驗溫度選取60 ℃，試驗結(jié)果如表7所示。

由表7得知，對于黏聚力而言，懸浮密實型瀝青混合料AC-13大于骨架密實型結(jié)構(gòu)的瀝青混合料SMA-13，原因是懸浮密實型結(jié)構(gòu)中含有較多的細(xì)集料和礦粉，它們和膠結(jié)料形成的瀝青膠漿能夠為混合料提供較大的黏聚力。就內(nèi)摩擦角和抗剪強度而言，卻是骨架密實結(jié)構(gòu)大于懸浮密實結(jié)構(gòu)瀝青混合料，這是由于懸浮密實型結(jié)構(gòu)中的瀝青膠漿在高溫的作用下會軟化，這些瀝青膠漿在混合料中同時又起到潤滑作用，使集料與瀝青膠漿之間的黏附性減弱，從而導(dǎo)致內(nèi)摩擦角下降，抗剪強度降低。

3.3 瀝青類型對瀝青混合料抗剪強度的影響

為了研究瀝青性質(zhì)對混合料性能的影響，針對AC-13瀝青混合料，集料性質(zhì)不變，選用KL-90基質(zhì)瀝青、SK-90基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青3種瀝青，試驗溫度選用60 ℃。AC-13瀝青混合料在不同瀝青類型下的黏聚力等指標(biāo)的變化趨勢如圖6、圖7所示。

由圖6可知，SBS改性瀝青混合料的黏聚力和內(nèi)摩擦角都遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青混合料，故而抗剪強度也是如此（圖7）。其原因是：在高溫條件下，黏度越大的瀝青，其瀝青混合料的抗剪強度越高。由于改性瀝青與集料的黏附力優(yōu)于普通瀝青，因此擁有更大的抗剪強度。

4 瀝青混合料剪切試驗對比分析

三軸剪切試驗和單軸貫入試驗都能夠很好地體現(xiàn)路面在高溫和重載復(fù)合應(yīng)力狀態(tài)下的受力特征，但為了進一步表征二者的差別，進行了與三軸剪切試驗工況相同的單軸貫入試驗，并將試驗結(jié)果進行比較。

4.1 不同溫度下單軸貫入試驗與三軸剪切試驗結(jié)果對比分析

將SMA-13在20 ℃、40 ℃以及60 ℃時的單軸貫入試驗與三軸剪切試驗進行對比分析，作出2種試驗所得黏聚力等指標(biāo)的對比圖，如圖8—圖10所示。

由圖8—圖9可知，隨著溫度的升高，黏聚力和內(nèi)摩擦角都有所降低，黏聚力的下降幅度大于內(nèi)摩擦角下降幅度，說明溫度對黏聚力的影響大于對內(nèi)摩擦角的影響，2種試驗方法所得抗剪強度的變化規(guī)律一致，單軸貫入試驗所得結(jié)果都大于三軸剪切試驗所得結(jié)果（圖10）。

4.2 不同級配單軸貫入試驗結(jié)果與三軸剪切試驗結(jié)果對比分析

4.2.1 集料粒徑對瀝青混合料抗剪強度的影響

將AC-13、AC-16、AC-20瀝青混合料在60 ℃下進行單軸貫入試驗與三軸剪切試驗，將試驗結(jié)果進行對比分析，如圖11—圖13所示。

當(dāng)瀝青混合料的結(jié)構(gòu)同為懸浮密實型結(jié)構(gòu)時，黏聚力隨著集料最大粒徑的增大而減小（圖11）；而內(nèi)摩擦角隨著集料的最大粒徑的增大而增大（圖12）；根據(jù)式（1）計算，抗剪強度隨著集料的最大公稱粒徑的增大而逐漸減小（圖13）。但就2種試驗方法所得結(jié)果來看，單軸貫入試驗所得試驗結(jié)果大于三軸剪切試驗所得結(jié)果，2種試驗方法所得的黏聚力差別較大，內(nèi)摩擦角差別較小。

4.2.2 級配類型對瀝青混合料抗剪強度的影響

將懸浮密實型混合料AC-13和骨架密實型混合料SMA-13于60 ℃下進行單軸貫入試驗與三軸剪切試驗，將試驗結(jié)果進行對比分析，得出2種試驗在不同級配類型下瀝青混合料的內(nèi)摩擦角、黏聚力、抗剪強度變化趨勢，如圖14—圖16所示。

懸浮密實結(jié)構(gòu)混合料的黏聚力大于骨架密實型混合料的黏聚力（圖14）；而就內(nèi)摩擦角來說，SMA-13瀝青混合料的內(nèi)摩擦角大于AC-13瀝青混合料的內(nèi)摩擦角（圖15）。通過計算，SMA-13瀝青混合料的抗剪強度大于AC-13瀝青混合料（圖16），這與三軸剪切試驗所得規(guī)律一致。綜合來看，單軸貫入試驗所得試驗結(jié)果大于三軸剪切試驗所得結(jié)果。

4.3 不同瀝青類型單軸貫入試驗與三軸剪切試驗對比分析

將SK-90、KL-90瀝青以及SBS改性瀝青作為膠結(jié)料成型AC-13瀝青混合料試件，對比分析在60 ℃下的單軸貫入試驗與三軸剪切試驗結(jié)果，作出2種試驗所得抗剪強度及其變化趨勢，如圖17—圖19所示。

由圖17—圖19可知，三軸剪切試驗和單軸貫入試驗所得的結(jié)果規(guī)律一致。在黏聚力方面，改性瀝青混合料的黏聚力大于基質(zhì)瀝青混合料。在內(nèi)摩擦角方面，三軸剪切試驗中，SK-90瀝青混合料的內(nèi)摩擦角略小于KL-90瀝青混合料的內(nèi)摩擦角，而單軸貫入試驗中的結(jié)果卻是與之相反，SK-90瀝青混合料的黏聚力小于KL-90瀝青混合料的黏聚力，而內(nèi)摩擦角卻略大于KL-90瀝青混合料的內(nèi)摩擦角，但兩者內(nèi)摩擦角的差異十分微小。綜合來看，單軸貫入試驗的結(jié)果仍大于三軸剪切試驗的結(jié)果。

5 結(jié)論

通過對比分析瀝青混合料的三軸剪切試驗和單軸貫入試驗結(jié)果，得到以下主要結(jié)論：

1）黏聚力和內(nèi)摩擦角都隨著溫度的升高而降低，溫度對黏聚力的影響程度大于其對內(nèi)摩擦角的影響程度。2種試驗方法所得到的結(jié)果都符合瀝青混合料抗剪性能指標(biāo)的變化規(guī)律。但從數(shù)值上來說，單軸貫入試驗所得抗剪強度都大于三軸剪切試驗所得抗剪強度。

2）混合料的黏聚力隨著集料顆粒粒徑的增大而減小，而內(nèi)摩擦角隨著集料顆粒粒徑的增大而增大。就相同集料粒徑的混合料而言，骨架密實型的抗剪強度大于懸浮密實型。

3）相同級配下，改性瀝青混合料的黏聚力和內(nèi)摩擦角均大于基質(zhì)瀝青。為提高瀝青混合料的高溫抗剪強度，優(yōu)先選用改性瀝青。

4）三軸剪切試驗與單軸貫入試驗均能較好地反映混合料抗剪強度指標(biāo)的變化規(guī)律。2種試驗測得的黏聚力差別較大，而內(nèi)摩擦角變化不大，說明三軸剪切試驗中圍壓的變化對黏聚力的影響大于對內(nèi)摩擦角的影響。

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Test on shear performance of asphalt mixture with low confining

pressure and analysis of its effect factors

ZHANG Yuxiu1， LI Ping2， FAN Xinyuan2

（1. School of Civil Engineering， Jiuquan Vocational and Technical College， Jiuquan 735000， China;

2. School of Civil Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China）

Abstract： In view of the rutting disease of asphalt pavement due to insufficient shear performance， the factors affecting the shear strength of asphalt mixture are analyzed. Through triaxial shear test and uniaxial penetration test， it is found that the shear strength of asphalt mixture is affected by test temperature， aggregate maximum particle size， gradation type and asphalt type. The results show that the shear strength of asphalt mixture decreases with the increase of temperature， when the temperature increases from 20 ℃to 40 ℃， the decrease of shear strength is larger， while when the temperature increases from 40 ℃ to 60 ℃， the decrease of shear strength is smaller; From the effect of aggregate particle size on shear strength， the shear strength decreases with the increase of aggregate maximum nominal particle size; For the mixtures with the same aggregate size， the shear strength of the skeleton dense mixture is greater than that of the suspension dense mixture; and the shear strength of the mixture with modified asphalt as binder is greater than that of the mixture with base asphalt as binder under the same gradation. Through the comparison of the two test results， it can be seen that the variation laws obtained by the two test methods are consistent.

Key words： asphalt mixture; shear performance; triaxial shear test; uniaxial penetration test

（責(zé)任編輯：羅小芬）