浅析试验参数对沥青混合料抗剪性能的影响

任 艳 伍尚 刘细军

1 概述

随着我国高速公路里程与日俱增,由于交通量、重载、超载的增加以及交通的渠化,许多高速公路在通车1年～2年甚至通车仅几个月就发生了严重的车辙现象,不得不进行养护维修。

车辙可以看作是剪应力作用下沥青混合料塑性流动的结果。在轮载作用下,其非均布荷载将在路面面层内产生较大的剪应力,而沥青混合料在设计过程中并未考虑其抗剪性能,这是路面出现车辙的根本原因所在。

直接剪切试验能够实现近似的纯剪切应力状态,比较符合路面的实际应力状态,特别适用于考察沥青混合料的抗剪切流动变形。所以本文利用直接剪切试验结合无侧限抗压试验和劈裂试验对沥青混合料的抗剪性能进行研究。

2 直接剪切仪器及抗剪参数C,φ值的计算方法

本研究开发了一种原理简单的直接剪切仪器(见图1),其试验参数可以改变,该设备可以在M TS上进行操作。

利用单轴压缩试验和劈裂试验的结果来计算沥青混合料的粘聚力C值和内摩擦角φ值,试验数据的处理是十分重要的。本研究把单轴压缩试验和直接拉伸试验看成是侧向力为0的三轴试验,根据这两个试验的结果就可以画出两个莫尔圆,通过莫尔圆理论求解出沥青混合料的C值和φ值。由于试件的直接拉伸试验比较难以实现,在此采用间接拉伸试验——劈裂试验来代替直接拉伸试验。根据如图2所示的莫尔圆受力图示,利用简单的几何关系,可以推导出基于无侧限抗压试验强度和抗拉强度的沥青混合料抗剪参数 C,φ值的计算式(1),式(2)。

其中,C为沥青混合料中的粘聚力;σu为沥青混合料的抗压强度,可以通过无侧限抗压试验获得其值;σl为沥青混合料的抗拉强度,可以通过劈裂试验获得;φ为沥青混合料的内摩擦角。

3 原材料技术性能

3.1 集料

粗细集料均采用河北鹿泉市石灰岩,矿粉为石灰岩磨制而成。经测定集料的各项性能指标均符合规范JTJ 058-2000公路工程集料试验规程要求。

3.2 沥青

沥青采用了埃索-70号,按JTJ 052-2000公路工程沥青及沥青混合料试验规程进行常规指标测试,各项指标结果见表1。

表1 埃索-70号沥青性质指标

3.3 级配

级配采用AC-16F,为确定AC-16F沥青混合料的最佳沥青用量,进行了马歇尔试验,通过分析确定AC-16F沥青混合料的最佳油石比为4.5%。

4 沥青混合料抗剪性能分析

4.1 沥青用量对混合料抗剪性能的影响

分别在油石比3.5%,4.0%,4.5%,5.0%,5.5%时制作马歇尔试件,并进行直接剪切试验、无侧限抗压试验和劈裂试验,通过式(1),式(2)计算得出混合料的 C,φ值,结果汇总见表2。

表2 不同油石比时抗剪试验强度及抗剪参数结果汇总

由表2可以看出,沥青混合料的抗剪强度存在峰值,该峰值低于最佳沥青用量。φ值随沥青用量的增加而减小;C值却存在一个峰值,其先随沥青用量的增加而增大,峰值过后随沥青用量的增加而减小。φ值在超过最佳用油量后,其值减小的速度增快。因此,沥青用量大小对φ值影响较大。

4.2 加载速率对沥青混合料抗剪性能的影响

在最佳油石比下成型一批马歇尔试件,分别采用5 mm/min,10 mm/min,20 mm/min,50 mm/min四种加载速率进行直接剪切试验、无侧限抗压试验和劈裂试验,并通过式(1),式(2)计算得出混合料的 C,φ值,结果汇总见表3。

表3 加载速率与抗剪强度参数汇总表

由表3可以看出,加载速率对沥青混合料的强度有较大影响,随着加载速率的增大,沥青混合料强度也随之增加。C值随着加载速率的增大而增大,而φ值随加载速率的增大变化较小。

4.3 温度对沥青混合料抗剪性能的影响

本试验中,在最佳油石比下成型一批马歇尔试件,分别在15℃,25℃,60℃三种试验温度下进行直接剪切试验、无侧限抗压试验和劈裂试验,通过式(1),式(2)计算得出混合料的 C,φ值,结果汇总见表4。

由表4可以看出,随着温度的升高,C值随之减小,同时,内摩擦角也略为减小。

沥青混合料的粘聚力C是随温度的降低而增加。因为温度降低,沥青的粘度增大。沥青的粘度就是沥青内部沥青胶团相互位移时,其分散介质抵抗剪切作用的抗力,所以沥青混合料受到剪切作用时,特别是受到短暂的瞬时荷载时,具有高粘度的沥青能赋予沥青混合料较大的粘滞阻力,因此具有较高的抗剪强度。

表4 温度与抗剪强度参数汇总表

5 结语

1)分析了直接剪切试验同国内其他试验之间的异同;对不同油石比、不同加载速率和不同温度对直接剪切试验的影响进行了分析;2)C值随沥青用量的增加而先增加后减小,φ值随沥青用量的增加而减小,对于抗剪强度,沥青混合料的抗剪性能最大处存在一个最佳沥青用量;3)随着加载速率的增大,沥青混合料的抗剪强度增加,C值随着加载速率的增加而增加,但是φ值基本上不变;4)分析了温度对抗剪性能的影响,随着温度的升高,混合料的抗剪性能降低,C值和φ值也随之减小。

[2] 孙立军.沥青路面结构行为理论[M].北京:人民交通出版社,2005.

[3] 蔡伟忠,卢卫槟.温拌沥青混合料配合比设计及其性能研究[J].山西建筑,2008,34(24):175-176.