沥青混合料抗剪性能的影响因素分析

　　提要:沥青路面是以沥青材料和矿料而修建的面层与各类基层和垫层所组成的路面结构，它具有无接缝、平整度好、噪音低、振动小、施工期短、便于养护维修方面及外形美观等优点，在道路工程中得到了广泛的使用。但沥青路面在使用过程中容易出现各种病害，其中沥青混合料的剪切破坏主要是沥青混合料的高温稳定性不足，在荷载作用下产生变形和剪切推移，致使路面出现过大的车辙和拥包等现象。论文从沥青混合料的级配类型、油石比，压实度、温度、加载速率五个因素分析了对沥青混合料的剪切性能的影响。
　　关键词:沥青混合料、抗剪强度、剪切性能、影响因素分析
　　
　　1、 沥青路面产生破坏的主要原因
　　（1） 夏季高温时因抗剪强度不足或塑性变形过大而引起的高温破坏；
　　（2） 冬季低温时抗拉强度不足或应力松弛模量降低太慢而抵抗变形能力较差，引起的温度开裂；
　　（3） 沥青路面经受车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变交迭变化状态，致使疲劳损伤不断累积，当荷载重复作用超过一定的次数以后，在荷载作用下路面内产生的应力就会超过强度下降的结构抗力，使路面产生疲劳破坏。
　　2、沥青混合料的剪切破坏主要是沥青混合料的高温稳定性不足，在荷载作用下产生变形和剪切推移，致使路面出现过大的车辙和拥包等现象。因此，多年来，对于沥青混合料的抗剪性能的研究也主要着眼于材料的高温稳定性。
　　3、试验参数对剪切试验的影响分析
　　沥青混合料高温抗剪强度取决于沥青混合料的粘聚力c与内摩阻角Φ。沥青混合料的内摩阻角主要决定于沥青混合料的矿料级配、颗粒形状、表面特征及沥青膜厚度等,而粘聚力主要取决于沥青的性能及沥青与矿料的相互作用。同时影响沥青路面高温抗剪强度的因素主要包括矿质集料特性、级配、沥青胶结料性能、沥青与矿料之间的相互作用及路面结构与气候条件。为此,通过大量室内剪切试验,分析沥青混合料的级配类型、级配走向、油石比、压实度与沥青种类等因素对其抗剪强度指标c、Φ值的影响,找出其中的相关影响规律,为沥青混合料设计、施工控制提供技术依据。
　　(1)沥青混合料的级配类型对抗剪指标c、Φ值的影响
　　采用SBS改性沥青,对级配1~级配3这3种不同级配在最佳油石比下成型试件,进行剪切试验，试验结果表明,随着矿料粒径的增大,沥青混合料的粘聚力c值呈下降趋势,级配1的c值要大于级配2和级配3的。从胶浆理论出发,较细的集料胶浆能力较强,级配1的集料较级配2和级配3细,从而能提供较大的粘聚力。沥青混合料的摩擦角Φ随着矿料最大粒径的增大而减少,即级配1>级配2>级配3,级配1、级配2的摩擦角Φ差别不大,级配3的摩擦角Φ最小。其可能的原因是,在集料形成嵌挤结构的前提下,较细的集料颗粒之间的接触点增多,从而摩擦角也会相应的增大。
　　(2)沥青混合料的油石比对抗剪指标c、Φ值的影响
　　采用级配1和SBS改性沥青,在5%、5.5%、5.7%、6.0%与6.5%这5种油石比下成型试件,进行三轴剪切试验,从剪切试验结果可以看出,对于沥青混合料SMA—13,当油石比从5%增加到5.7%,其抗剪强度指标c值逐渐增大,当油石比为5.7%时,c值达到最大,之后c值随着油石比的增加迅速下降。这表明沥青混合料的粘结力在最佳油石比处达到最大,而沥青用量一旦超过最佳油石比,粘结力迅速减弱。对于改性沥青混合料SMA—13,随油石比的增大,其抗剪强度指标Φ值总体呈下降趋势。
　　因此,严格控制沥青混合料的油石比是确保沥青混合料的抗剪切强度的重要措施。沥青混合料的抗剪强度参数c、Φ值在最佳油石比时都达到最大,当油石比小于最佳油石比时,c、Φ值下降不大,当油石比大于最佳油石比时,c、Φ值下降很快。
　　(3)沥青混合料的压实度对抗剪指标c、Φ值的影响
　　采用级配1和SBS改性沥青,在最佳油石比5.7%下按设计空隙率为4%,7%,10%(换算成压实度分别为99.7%、96.5%、94.4%)分别成型试件,进行剪切试验,从试验结果可以看出,对于改性沥青混合料SMA—13,其抗剪指标c、Φ值都随着压实度的增大而增大,压实度减小1%,抗剪指标c值减小15.5kPa,Φ值减少1.74°。这表明压实度的大小对抗剪指标c、Φ值的影响十分显著。
　　(4)沥青混合料的温度对抗剪性能的影响
　　沥青混合料是一种粘弹塑性材料，其粘结力受温度的影响很大。夏天高温天气，高速公路连续重载渠化交通或易急刹车转弯路口路段，使得沥青混合料的粘结力变小，抗剪强度降低。这种情况是对沥青混合料剪切作用最不利的温度荷载组合方式，沥青混合料也最容易出现塑性流动变形或形成车辙。
　　Superpave规定采用有效温度Teff(PD)进行试验，Teff(PD)定义为这样的一个温度。在这个温度所产生的永久变形损坏的量，与对于一个整年内分别考虑各个季节所产生的永久变形损坏相当。在计算有效温度Teff(PD)时，需要确定考虑的沥青路面层临界深度Zcr、设计的年平均气温MAAT设计、平均的年平均气温
　　MAAT平均、年平均气温的标准差σ标准差以及由设计者根据项目重要性选定的可靠度水平Kα等参数。
　　用于永久变形试验的温度则由式（1.3）确定：
　　Teff(PD)=30.8-0.12Zcr+0.92MAA设计（1.3）
　　式中：Teff(PD)——永久变形试验有效温度（℃）；
　　Zcr——计算的沥青混合料层的临界深度（mm）；
　　MAAT设计——MAAT平均+Kασ标准差；
　　MAAT平均——根据历史资料计算的年平均气温的平均值；
　　σ标准差——年平均气温的标准差；
　　Kα——保证率系数。
　　在通常的汽车荷载条件下，永久变形主要在夏季气温高于25℃～30℃左右，即沥青路面的路表温度达到40℃～50℃以上，已经达到或超过道路沥青软化点温度的情况下容易产生，且随着温度升高和荷载的加重，变形愈大。另外，某些地区在夏季气温可达到40℃～45℃，此时路面温度达到65℃～70℃，虽然持续时间不长但对路面造成的危害不可忽视，同时根据沥青材料的温度时间换算法则，长时间承受荷载与高温条件是等效的，而且时间是累积的。沥青混合料的温度对沥青混合料的剪切应变有着显著的影响，温度的升高，沥青混合料高温性能下降。
　　(5)加载速率对沥青混合料抗剪性能的影响
　　本试验中，分别采用5mm/min、10mm/min、20mm/min、50mm/min四中加载速率进行剪切试验，从实验结果可以看出，加载速率对沥青混合料的强度有较大的影响，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。沥青混合料作为一种粘-弹性材料，利用剪切试验，能够反映其内在的规律。
　　5、结论
　　在对试验参数对剪切试验的影响分析中，论文分别进行了主要沥青混合料的五个方面研究：级配类型、油石比、压实度、温度、加载速率。这五种因素对于沥青混合料的抗剪性能都有较大的影响。但由于受时间、人力和物力等限制，室内的沥青混合料剪切试验与路上实际现场还存在差异，有待进一步研究两者之间的差别和联系。
　　
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