任 艷 伍尚 劉細(xì)軍

1 概述

隨著我國(guó)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(gè)月就發(fā)生了嚴(yán)重的車轍現(xiàn)象,不得不進(jìn)行養(yǎng)護(hù)維修。

車轍可以看作是剪應(yīng)力作用下瀝青混合料塑性流動(dòng)的結(jié)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(yīng)力,而瀝青混合料在設(shè)計(jì)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(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)近似的純剪切應(yīng)力狀態(tài),比較符合路面的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài),特別適用于考察瀝青混合料的抗剪切流動(dòng)變形。所以本文利用直接剪切試驗(yàn)結(jié)合無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)對(duì)瀝青混合料的抗剪性能進(jìn)行研究。

2 直接剪切儀器及抗剪參數(shù)C,φ值的計(jì)算方法

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

利用單軸壓縮試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)計(jì)算瀝青混合料的粘聚力C值和內(nèi)摩擦角φ值,試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理是十分重要的。本研究把單軸壓縮試驗(yàn)和直接拉伸試驗(yàn)看成是側(cè)向力為0的三軸試驗(yàn),根據(jù)這兩個(gè)試驗(yàn)的結(jié)果就可以畫出兩個(gè)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(yàn)比較難以實(shí)現(xiàn),在此采用間接拉伸試驗(yàn)——劈裂試驗(yàn)來(lái)代替直接拉伸試驗(yàn)。根據(jù)如圖2所示的莫爾圓受力圖示,利用簡(jiǎn)單的幾何關(guān)系,可以推導(dǎo)出基于無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的瀝青混合料抗剪參數(shù) C,φ值的計(jì)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(qiáng)度,可以通過無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)獲得其值;σl為瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度,可以通過劈裂試驗(yàn)獲得;φ為瀝青混合料的內(nèi)摩擦角。

3 原材料技術(shù)性能

3.1 集料

粗細(xì)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(cè)定集料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合規(guī)范JTJ 058-2000公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程要求。

3.2 瀝青

瀝青采用了埃索-70號(hào),按JTJ 052-2000公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行常規(guī)指標(biāo)測(cè)試,各項(xiàng)指標(biāo)結(jié)果見表1。

表1 埃索-70號(hào)瀝青性質(zhì)指標(biāo)

3.3 級(jí)配

級(jí)配采用AC-16F,為確定AC-16F瀝青混合料的最佳瀝青用量,進(jìn)行了馬歇爾試驗(yàn),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(duì)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(shí)制作馬歇爾試件,并進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn),通過式(1),式(2)計(jì)算得出混合料的 C,φ值,結(jié)果匯總見表2。

表2 不同油石比時(shí)抗剪試驗(yàn)強(qiáng)度及抗剪參數(shù)結(jié)果匯總

由表2可以看出,瀝青混合料的抗剪強(qiáng)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(gè)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(duì)φ值影響較大。

4.2 加載速率對(duì)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(jìn)行直接剪切試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn),并通過式(1),式(2)計(jì)算得出混合料的 C,φ值,結(jié)果匯總見表3。

表3 加載速率與抗剪強(qiáng)度參數(shù)匯總表

由表3可以看出,加載速率對(duì)瀝青混合料的強(qiáng)度有較大影響,隨著加載速率的增大,瀝青混合料強(qiáng)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(duì)瀝青混合料抗剪性能的影響

本試驗(yàn)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(yàn)溫度下進(jìn)行直接剪切試驗(yàn)、無(wú)側(cè)限抗壓試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn),通過式(1),式(2)計(jì)算得出混合料的 C,φ值,結(jié)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(shí),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?yàn)闇囟冉档?瀝青的粘度增大。瀝青的粘度就是瀝青內(nèi)部瀝青膠團(tuán)相互位移時(shí),其分散介質(zhì)抵抗剪切作用的抗力,所以瀝青混合料受到剪切作用時(shí),特別是受到短暫的瞬時(shí)荷載時(shí),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(qiáng)度。

表4 溫度與抗剪強(qiáng)度參數(shù)匯總表

5 結(jié)語(yǔ)

1)分析了直接剪切試驗(yàn)同國(guó)內(nèi)其他試驗(yàn)之間的異同;對(duì)不同油石比、不同加載速率和不同溫度對(duì)直接剪切試驗(yàn)的影響進(jìn)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(duì)于抗剪強(qiáng)度,瀝青混合料的抗剪性能最大處存在一個(gè)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(qiáng)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(duì)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(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)及其性能研究[J].山西建筑,2008,34(24):175-176.