细集料对AC-13沥青混合料抗剪切性能的影响分析

谢百慧

摘  要：文章针对高速公路流动性车辙病害成因，将基于天然砂、石屑和机制砂三种不同细集料的沥青混合料抗剪强度进行对比分析，研究细集料对沥青混合料抗剪切性能的影响规律，并提出细集料优化配比方案，为沥青路面抗车辙设计和工程实践提供参考依据。

关键词：细集料;AC-13沥青混合料;抗剪切性能

中图分类号：U415         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）36-0110-03

Abstract： Aiming at the cause of fluidity rutting disease of expressway， this paper makes a comparative analysis of the shear strength of asphalt mixture based on natural sand， stone chips and mechanism sand， and studies the effect of fine aggregate on the shear performance of asphalt mixture. The optimal proportioning scheme of fine aggregate is put forward to provide reference basis for rutting resistance design and engineering practice of asphalt pavement.

Keywords： fine aggregate; AC-13 asphalt mixture; shear resistance

1 概述

目前，由夏季高温导致的沥青路面车辙病害，成为我国高速公路所面对的严重问题之一。车辙病害不仅会降低路面的路用性能，影响到行驶过程中的舒适度，而且还会危及行車安全，增加安全事故的发生概率[1]。车辙按成因可分为“结构型”、“磨耗型”、“压密型”和“失稳型”四类[2]。目前我国沥青路面产生的车辙病害一般是因沥青混合料累积剪切变形而造成的流动性车辙，属于失稳型车辙，其横断面形态一般为W形，即车辆轮胎作用面下方表现为下凹，而两侧表现为上凸。根据国内外的相关研究，流动性车辙形成的根本原因是沥青面层的结构剪应力，沥青混合料在结构剪应力的反复作用下，发生剪切疲劳破坏，混合料将沿着剪切面移动，最终形成我们常见的辙槽[3]。细集料是沥青混合料的重要组分，因其表面物理特性、力学特性与粒度组成的不同，对沥青混合料的高温稳定性与水稳定性影响显著[4]。细集料主要包括天然砂、石屑和机制砂，本文对基于三种不同细集料的沥青混合料抗剪强度进行分析，研究其对沥青混合料抗剪切性能的影响规律，并提出细集料优化配比方案，为沥青路面抗车辙设计和工程实践提供参考依据。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料

本研究选择常用的AC-13沥青混合料为研究对象，所选用的玄武岩粗集料、石灰岩矿粉，以及石灰岩机制砂、玄武岩石屑、石英砂等细集料均符合国内规范技术要求。采用SBS改性沥青，性能指标见表1，AC-13沥青混合料级配见表2。

为了便于考察机制砂、石屑和天然砂三种细集料对于混合料抗剪切性能的影响，以石屑沥青混合料作为基准，通过马歇尔试验确定出混合料的最佳油石比为4.3%。

2.2 试验设备

试验应用宁曦土壤仪器有限公司生产的TSZ全自动三轴仪，如图1所示。试验过程中的数据采集和控制通过TWJ数据采集处理系统来进行，使TSZ全自动三轴仪试验系统真正实现了自动化。

2.3 试验方法

本研究采用击实法成型的马歇尔试件，尺寸为φ101.6×63.5mm，试验温度为25℃，加载速率1.20mm/min，试验围压分别为50kPa、100kPa和150kPa。将试件置于三轴压力室底座上，然后将橡皮膜套在试件之上，再用数根橡皮筋箍紧已套上橡皮膜试件的两端，以保证橡皮膜密封严实。然后密封好压力室，即可进行试验。

在三轴试验中使试件处于三向受力状态，沿试件径向的是均匀分布的压力，两个主应力相等，近似反映了道路路面的实际受力情况[5]。三轴试验假定沥青混合料近似为各向同性均质体，采用摩尔理论来解释混合料的抗剪性能，即认为材料的破坏是由于颗粒之间产生了剪切滑移。试验结果可以获得材料在极限平衡状态时的一族应力圆，由该应力圆族构成的包络线以表示材料符合材料库仑方程的抗剪强度规律，进而求得材料的抗剪参数粘结力c和内摩擦角φ两项指标，以此计算混合料抗剪强度τ[6]，见式（1）所示。

3 试验结果与分析

3.1 三种细集料对AC-13抗剪切性能的影响

利用上述的AC-13沥青混合料，击实成型，通过三轴试验，对试验结果进行处理，分析细集料差异对沥青混合料力学性能的影响。试件的基本指标见表3，表中J、S、T分别代表机制砂、石屑、天然砂三种不同类型的混合料，VV、VMA、VFA分别代表沥青混合料试件的空隙率、矿料间隙率、有效沥青饱和度。

三种沥青混合料试验过程中剪力峰值及其对应轴向应变如表4所示，处理之后机制砂、石屑与天然砂沥青混合料的抗剪强度参数见表5。

由表5可以看出，常温下三种混合料的内摩擦角，从大到小依次为机制砂、天然砂、石屑，与三者棱角性排序相同，表明提高细集料棱角性有助于加大混合料的内摩擦角;粘结力最大的是石屑沥青混合料，其次是天然砂沥青混合料，最小的是机制砂沥青混合料。

3.2 基于AC抗剪切性能的细集料优化

为优化AC中细集料的组成，以机制砂与天然砂按照1：2、1：1和2：1三种比例掺配，测试击实成型下沥青混合料的抗剪强度，从而提出较优的细集料组成配合比。

三种掺配比例下细集料沥青混合料试件的基本指标如表6所示，试验测得三种沥青混合料的剪力峰值及其对应轴向应变如表7所示，处理之后沥青混合料的抗剪强度参数如表8所示，表中I、II、III分别代表机制砂与天然砂掺配比例为1：2、1：1和2：1。

试验结果表明，同三种单质材料的结论相同，机制砂含量越高，混合料的内摩擦角越大，但由于细集料与沥青、粗集料相互作用的复杂性，粘结力存在最优配比。因此针对AC-13，机制砂与天然砂1：1的比例掺配较为合适。

4 结束语

本研究选用常温下的三轴试验方法，以库伦强度准则为理论基础，测试沥青混合料的抗剪切指标c、φ值，分析不同细集料对于c、φ值的影响，获得机制砂、石屑与天然砂对沥青混合料抗剪切性能的影响规律，从而为细集料比选提供理论依据。主要结论如下：

（1）常温下三种细集料混合料的内摩擦角，从大到小依次为机制砂、天然砂、石屑，与三者棱角性排序一致，表明提高细集料棱角性有助于加大混合料的内摩擦角;粘结力最大的是石屑沥青混合料，其次是天然砂沥青混合料，最小的是机制砂沥青混合料。

（2）以机制砂与天然砂掺配的细集料混合料，机制砂比例越大，混合料的内摩擦角越大，但比例为1：1时粘结力最优。因此针对AC-13，机制砂与天然砂1：1的比例掺配性能较优。

参考文献：

[1]姜利民.三轴重复荷载作用下沥青混合料永久变形研究[D].长安大学，2017.

[2]牛克柱，王平，杨修志.公路沥青路面车辙病害成因与防治措施[J].华东公路，2018（6）：63-65.

[3]邓欢.沥青混凝土细观力学数值模拟与试验研究[D].武汉理工大学，2013.

[4]魏文鼎，冯德成，赵银，等.细集料性质对沥青混合料体积特性影响分析[J].中外公路，2011，31（6）：241-244.

[5]赵文美，王锐.细集料对SMA-13抗剪切性能影响与优化[J].低温建筑技术，2016（5）：145-146.

[6]邵腊庚，何桥敏.沥青混合料剪切试验方法研究[J].2009，23（2）：19-22.

[7]蒲磊.GAC-16沥青混合料高溫抗剪性能试验研究[D].重庆交通大学，2018.