任 艷 伍尚 劉細軍

1 概述

隨著我國高速公路里程與日俱增,由于交通量、重載、超載的增加以及交通的渠化,許多高速公路在通車1年～2年甚至通車僅幾個月就發(fā)生了嚴重的車轍現(xiàn)象,不得不進行養(yǎng)護維修。

車轍可以看作是剪應力作用下瀝青混合料塑性流動的結果。在輪載作用下,其非均布荷載將在路面面層內(nèi)產(chǎn)生較大的剪應力,而瀝青混合料在設計過程中并未考慮其抗剪性能,這是路面出現(xiàn)車轍的根本原因所在。

直接剪切試驗能夠實現(xiàn)近似的純剪切應力狀態(tài),比較符合路面的實際應力狀態(tài),特別適用于考察瀝青混合料的抗剪切流動變形。所以本文利用直接剪切試驗結合無側限抗壓試驗和劈裂試驗對瀝青混合料的抗剪性能進行研究。

2 直接剪切儀器及抗剪參數(shù)C,φ值的計算方法

本研究開發(fā)了一種原理簡單的直接剪切儀器(見圖1),其試驗參數(shù)可以改變,該設備可以在M TS上進行操作。

利用單軸壓縮試驗和劈裂試驗的結果來計算瀝青混合料的粘聚力C值和內(nèi)摩擦角φ值,試驗數(shù)據(jù)的處理是十分重要的。本研究把單軸壓縮試驗和直接拉伸試驗看成是側向力為0的三軸試驗,根據(jù)這兩個試驗的結果就可以畫出兩個莫爾圓,通過莫爾圓理論求解出瀝青混合料的C值和φ值。由于試件的直接拉伸試驗比較難以實現(xiàn),在此采用間接拉伸試驗——劈裂試驗來代替直接拉伸試驗。根據(jù)如圖2所示的莫爾圓受力圖示,利用簡單的幾何關系,可以推導出基于無側限抗壓試驗強度和抗拉強度的瀝青混合料抗剪參數(shù) C,φ值的計算式(1),式(2)。

其中,C為瀝青混合料中的粘聚力;σu為瀝青混合料的抗壓強度,可以通過無側限抗壓試驗獲得其值;σl為瀝青混合料的抗拉強度,可以通過劈裂試驗獲得;φ為瀝青混合料的內(nèi)摩擦角。

3 原材料技術性能

3.1 集料

粗細集料均采用河北鹿泉市石灰?guī)r,礦粉為石灰?guī)r磨制而成。經(jīng)測定集料的各項性能指標均符合規(guī)范JTJ 058-2000公路工程集料試驗規(guī)程要求。

3.2 瀝青

瀝青采用了埃索-70號,按JTJ 052-2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程進行常規(guī)指標測試,各項指標結果見表1。

表1 埃索-70號瀝青性質指標

3.3 級配

級配采用AC-16F,為確定AC-16F瀝青混合料的最佳瀝青用量,進行了馬歇爾試驗,通過分析確定AC-16F瀝青混合料的最佳油石比為4.5%。

4 瀝青混合料抗剪性能分析

4.1 瀝青用量對混合料抗剪性能的影響

分別在油石比3.5%,4.0%,4.5%,5.0%,5.5%時制作馬歇爾試件,并進行直接剪切試驗、無側限抗壓試驗和劈裂試驗,通過式(1),式(2)計算得出混合料的 C,φ值,結果匯總見表2。

表2 不同油石比時抗剪試驗強度及抗剪參數(shù)結果匯總

由表2可以看出,瀝青混合料的抗剪強度存在峰值,該峰值低于最佳瀝青用量。φ值隨瀝青用量的增加而減小;C值卻存在一個峰值,其先隨瀝青用量的增加而增大,峰值過后隨瀝青用量的增加而減小。φ值在超過最佳用油量后,其值減小的速度增快。因此,瀝青用量大小對φ值影響較大。

4.2 加載速率對瀝青混合料抗剪性能的影響

在最佳油石比下成型一批馬歇爾試件,分別采用5 mm/min,10 mm/min,20 mm/min,50 mm/min四種加載速率進行直接剪切試驗、無側限抗壓試驗和劈裂試驗,并通過式(1),式(2)計算得出混合料的 C,φ值,結果匯總見表3。

表3 加載速率與抗剪強度參數(shù)匯總表

由表3可以看出,加載速率對瀝青混合料的強度有較大影響,隨著加載速率的增大,瀝青混合料強度也隨之增加。C值隨著加載速率的增大而增大,而φ值隨加載速率的增大變化較小。

4.3 溫度對瀝青混合料抗剪性能的影響

本試驗中,在最佳油石比下成型一批馬歇爾試件,分別在15℃,25℃,60℃三種試驗溫度下進行直接剪切試驗、無側限抗壓試驗和劈裂試驗,通過式(1),式(2)計算得出混合料的 C,φ值,結果匯總見表4。

由表4可以看出,隨著溫度的升高,C值隨之減小,同時,內(nèi)摩擦角也略為減小。

瀝青混合料的粘聚力C是隨溫度的降低而增加。因為溫度降低,瀝青的粘度增大。瀝青的粘度就是瀝青內(nèi)部瀝青膠團相互位移時,其分散介質抵抗剪切作用的抗力,所以瀝青混合料受到剪切作用時,特別是受到短暫的瞬時荷載時,具有高粘度的瀝青能賦予瀝青混合料較大的粘滯阻力,因此具有較高的抗剪強度。

表4 溫度與抗剪強度參數(shù)匯總表

5 結語

1)分析了直接剪切試驗同國內(nèi)其他試驗之間的異同;對不同油石比、不同加載速率和不同溫度對直接剪切試驗的影響進行了分析;2)C值隨瀝青用量的增加而先增加后減小,φ值隨瀝青用量的增加而減小,對于抗剪強度,瀝青混合料的抗剪性能最大處存在一個最佳瀝青用量;3)隨著加載速率的增大,瀝青混合料的抗剪強度增加,C值隨著加載速率的增加而增加,但是φ值基本上不變;4)分析了溫度對抗剪性能的影響,隨著溫度的升高,混合料的抗剪性能降低,C值和φ值也隨之減小。

[2] 孫立軍.瀝青路面結構行為理論[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3] 蔡偉忠,盧衛(wèi)檳.溫拌瀝青混合料配合比設計及其性能研究[J].山西建筑,2008,34(24):175-176.