基于三軸剪切強(qiáng)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(shí)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(diǎn)，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(dāng)瀝青混合料的剪應(yīng)力大于剪切強(qiáng)度時(shí)，路面容易形成流動(dòng)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(qiáng)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(jìn)行了探索。張海州等[9]通過三軸剪切試驗(yàn)，分析了溫度、圍壓、瀝青膠結(jié)料等級以及級配類型四個(gè)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(jìn)行了二維形態(tài)描述，確定了與瀝青混合料高溫抗剪強(qiáng)度有關(guān)的指標(biāo)；張小元等[11]通過三軸壓縮試驗(yàn)，研究了AC瀝青混合料抗剪強(qiáng)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(qiáng)度預(yù)測模型；王民[12]采用單軸貫入試驗(yàn)，從油石比和溫度兩方面測試并計(jì)算GA-10的抗剪強(qiáng)度及參數(shù)，同時(shí)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(qiáng)度機(jī)理進(jìn)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(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合離散元方法對其進(jìn)行了模擬，并與試驗(yàn)室結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)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(qiáng)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(yàn)方法等方面進(jìn)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(qiáng)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(yàn)條件為出發(fā)點(diǎn)，分析各指標(biāo)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(yàn)方案及測試方法

1.1 試驗(yàn)方案

根據(jù)澆注式瀝青混合料結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，JTG/T 3364-02—2019《公路鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)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(yàn)條件(溫度、加載速率)兩個(gè)方面進(jìn)行測試，表1列出了具體的試驗(yàn)方案。

表1 試驗(yàn)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(dòng)態(tài)伺服液壓瀝青混合料系統(tǒng)對剪切強(qiáng)度進(jìn)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(jī)鉆取芯樣，最后按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》中T0718—2011試驗(yàn)方法切割最終試件尺寸為100 mm(直徑)×150 mm(高度)。

試驗(yàn)過程中，除考慮加載速率因素外，其他影響因素下試驗(yàn)時(shí)加載速率均為7.5 mm/min；圍壓取0、138、276、414 kPa四個(gè)水平；當(dāng)監(jiān)測到軸向荷載到達(dá)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(diǎn)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(qiáng)度的兩個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)試驗(yàn)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(yàn)規(guī)程》中T0718—2011試驗(yàn)的算法，計(jì)算得到瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ，并基于式(1)確定抗剪強(qiáng)度。

τ=c+σtanφ

(1)

式中：τ為抗剪強(qiáng)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(jì)

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(shí)，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(biāo)如表2。

表2 瀝青膠結(jié)料主要性能指標(biāo)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(xì)石灰石粉，材料與混合料性能指標(biāo)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(jì)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(biāo)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(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，計(jì)算得到抗剪強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度及參數(shù)差別不是很大。其中，黏聚力和抗剪強(qiáng)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(qiáng)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?yàn)榛旌狭显?20～240 ℃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(gè)油石比制備澆注式瀝青混合料，進(jìn)行60 ℃三軸剪切試驗(yàn)，計(jì)算得到抗剪強(qiáng)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(qiáng)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(shí)，混合料的抗剪強(qiáng)度達(dá)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(shí)，混合料內(nèi)部瀝青與礦粉形成的膠漿使黏聚力增大，當(dāng)油石比為7.8%時(shí)達(dá)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(xì)三種級配制備澆注式瀝青混合料，在60 ℃條件下進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，計(jì)算得到抗剪強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度大小為：中級配>細(xì)級配>粗級配。礦料由細(xì)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(qiáng)度變化趨勢一致，先增大后減小，懸浮密實(shí)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(yàn)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(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，計(jì)算得到抗剪強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度和黏聚力不斷減小，當(dāng)溫度從25 ℃升到60 ℃時(shí)，抗剪強(qiáng)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(shí)型結(jié)構(gòu)，集料滑移造成的影響較小。而且細(xì)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(jìn)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(yàn)，計(jì)算得到抗剪強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(dāng)加載速度小于8.0 mm/min時(shí)，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(qiáng)度試驗(yàn)，對不同材料組成和試驗(yàn)條件下澆注式瀝青混合料抗剪強(qiáng)度進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)分別達(dá)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(xì)變粗時(shí)，黏聚力與抗剪強(qiáng)度變化趨勢一致，影響更為顯著，可見懸浮密實(shí)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(qiáng)度和黏聚力隨溫度的升高而不斷減小，當(dāng)溫度從25 ℃升到60 ℃時(shí)，抗剪強(qiáng)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(qiáng)度指標(biāo)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(dāng)加載速度小于8.0 mm/min時(shí)，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。