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瀝青混合料抗剪性能研究綜述

  1  前言                       由于交通量和車輛超載現象激增, 車轍已經成 為目前瀝青路面主要病害之一。車轍不僅影響行車 舒適性 ,而且對交通安全造成威脅。相關研究表明 ,   瀝青混合料在高溫時的剪切強度不足以抵抗車輪荷 載的反復作用,使瀝青混凝土產生塑性剪切變形,并 逐漸被擠壓到兩側[ 1  4] ,形成側向流變而產生車轍。 在瀝青路面結構設計和瀝青混合料的設計過程中忽 略了對瀝青混合料抗剪強度的檢驗, 也是導致車轍 發生的重要原因。   2  瀝青混合料抗剪試驗方法               在國內外研究的基礎上,對現有各種瀝青混合料 抗剪性能的試驗方法和相關研究進行總結和評述。   2.1  三軸試驗   為了提高機場路面的抗剪切能力, 20 世紀   40年代, Smith等研究者開發了三軸試驗。三軸試 驗本質上是有側限的壓縮試驗, 軸向主應力是試件 破壞的主要因素。按照庫侖—摩爾理論可以測出瀝 青混合料的粘結力 C, 摩擦角 φ和抗剪強度。為了 評價瀝青混合料的抗剪性能 ,還可進行重復加載三 軸試驗、重復三軸蠕變試驗和靜三軸蠕變試驗等。 該試驗方法應力狀態明確,但操作方法復雜 ,如何確 定側向圍壓也是一個問題, 因此僅用于室內試驗研   究,在工程中較少應用。研究表明 ,瀝青混合料抗剪 強度指標 C和 φ與車轍動穩定值 DS具有較好的相 [ 5, 6] 。三軸試驗的不足還在于其材 關性 (大于 0.90)   料“各向同性”假設, 不能模擬移動輪載條件下主應 力軸的旋轉和剪切應力反向引起的 “各向異性”。 2.2  直剪試驗   直剪試驗的原理是依據庫倫—摩爾強度理論,在 試樣上施加一定的垂直壓力, 然后施加水平推力 ,使 試樣在上下盒之間的水平面上發生剪切直**破壞。 通過若干不同垂直壓力下的抗剪強度值,通過摩爾 圓,可得混合料的粘聚力和內摩擦角。直剪試驗上下   盒界面的混合料狀況會對試驗結果產生一定影響。 2.3  Superpave剪切試驗儀 Superpave剪切試驗儀由美國戰略公路計劃研 究提出(SHRP1994),可以進行多種形式的試驗, 主 要進行恒高度重復剪切試驗 (RSCH)和恒高度頻率 掃描試驗 (FSCH)。試件被膠結在兩鋼板之間 , 在 試件的頂面和底面施加外力。 RSCH試驗機理是在 保持試件高度不變的前提下, 采用半正弦剪切應力 對試件進行重復剪切。試驗得到瀝青混合料不同剪 切次數下的剪切變形, 按計算公式可得到瀝青混合料的**剪切應變等參數。 FSCH試驗是應變控制模式試驗,試驗可得復數剪切模量和相位角。 RSCH 和 FSCH是評價瀝青混合料高溫性能的較好方法[ 7, 8] 。但 Superpave剪切試驗儀價格昂貴, 不適于我國國情,更不適于在工地試驗室推廣應用。
 
2.4  旋轉剪切試驗儀
 
MuratGuler等通過研究, 在旋轉壓實儀上安裝了一套系統 ,用于測試瀝青混合料壓實過程中的剪切應力 ,并開發了旋轉剪切壓實儀 (GTM), 用于瀝青混合料設計[ 9] 。該方法在國內有應用 , 但因設備價格昂貴,目前沒有得到廣泛應用。
 
2.5  圓柱體扭轉剪切試驗
 
Sousa研發了中空圓柱體剪切試驗系統,主要用于評價瀝青混凝土在軸向和扭轉荷載作用下的動態性能[ 10] 。中空圓柱體剪切試驗系統可以獨立變化
 
σr, σθ , σz, σzθ。4個應力變量, 即可以獨立變化 3 個主應力的大小和在某一方向變化主應力方向,但試件壁較薄,粒徑大的骨料對試驗結果有較大影響。中空圓柱體剪切試驗系統較復雜,不適合用于常規試
 
驗 ,但可用于科學研究。 Goodman利用中空圓柱體剪切試驗研究了瀝青混合料的抗剪性能 ,研究結果表明與瀝青混合料車轍性能相關性較好[ 11] 。 Goodman經過研究,設計了可進行工程現場測試的扭轉剪切試
驗 [ 12] 。現場測試表明 ,瀝青混合料剪切性能與車轍性能有較好的相關性[ 13] 。該方法目前應用較少。
 
2.6 單軸壓縮試驗和劈裂試驗 (或馬歇爾試驗 ) 組合
 
趙戰利等利用單軸壓縮試驗和劈裂試驗測定瀝青混合料抗剪強度[ 14] 。通過單軸壓縮試驗和劈裂試驗測得無側限抗壓強度和抗拉強度, 進而通過摩爾圓可確定瀝青混合料抗剪強度。
 
前蘇聯伊凡諾夫教授提出用單軸壓縮試驗和馬歇爾試驗組合來獲得不同配比的瀝青混凝土的剪切指標[ 15] 。該方法假定瀝青混凝土的極限狀態由**大剪應力決定,通過理論和試驗研究 ,建立了瀝青混凝土抗剪穩定指標與其單軸受壓和馬歇爾試驗的關系式。該方法在國內未見有應用研究報道。通過組合試驗確定瀝青混合料抗剪強度在理論上是可行的 ,但也可能帶來較大的試驗誤差。
 
2.7  斜剪試驗
 
斜剪試驗源于《公路工程石料試驗規程》石料剪切強度試驗。同濟大學在 MTS(材料試驗系統 ) 試驗機上設計了斜剪試驗[ 16] ,其目的是為了測定橋面鋪裝層、路面基層和面層層間的粘結力和抗剪強度。斜剪試驗是在正應力和剪應力同時變化的情況下對瀝青混合料進行剪切試驗 , 以模擬車輛荷載通過時對路面剪切破壞的實際應力狀態。斜剪試驗的原理是:當在上面的試模頂面施加正壓力時 ,正壓力會沿平行于和垂直于剪切面分解 ,當正應力超過臨界值時,試件就會產生剪切破壞。該試驗操作簡單,物理意義比較明確 ,但是在試件與試模接觸受力部分會出現應力集中現象。另外 , 剪切刃間距也需要根據經驗來進行設置。
 
蘇凱等為了測定山區高等級路面基層和面層層間抗剪強度,也利用斜剪試驗進行了研究,并設計了斜剪試驗儀[ 17] ,原理同上。**瑞林等利用斜剪試驗進一步研究了瀝青混合料的抗剪切性能[ 18] 。
2.8 同軸剪切試驗
 
同軸剪切試驗方法由馮俊嶺等研究并提出[ 19] 。同軸剪切試驗的試件是把外徑 150 mm, 內徑 55 mm, 高 50 mm的中空圓柱體試件用環氧樹脂粘貼在鋼筒和鋼柱之間, 軸向荷載通過鋼柱作用于中空圓柱體試件內壁,同時試件的外側面受限,使試件產生剪切破壞,通過三維有限元建模 ,計算確定同軸剪切試驗剪切強度系數, 從而可以直接確定瀝青混合料抗剪強度。與三軸試驗的結果對比表明 , 同軸剪切試驗測定瀝青混合料的抗剪強度精度較好 , 但粒徑大的骨料會對試驗結果有較大影響。該方法目前應用較少。
2.9 單軸貫入試驗
 
單軸貫入試驗方法由畢玉峰等通過研究提出[ 20] 。單軸貫入試驗方法采用的壓頭尺寸為
28.5 mm,試件為 100 mm×100 mm的圓柱形試件 ,
 
采用三維有限元計算抗剪強度系數。相關研究表明,單軸貫入試驗指標和瀝青混合料的高溫性能有較好的對應關系,試驗參數易確定 ,具有較好的工程應用前景。在瀝青混合料粒徑較大時 ,粒徑的大小會對試驗數據產生較大的影響。研究表明, 對于瀝青混合料公稱**大粒徑大于或等于 20 mm時, 采用 150 mm×100 mm試件和 42 mm壓頭 ,精度可滿足工程要求[ 21] 。單軸貫入試驗方法目前已經有較多應用報道。
選擇瀝青混合料抗剪試驗方法應考慮如下幾個
原則[ 2, 22] :
 
1)與路面結構的受力具有相似性 ,試件的受力狀態與路面結構的受力狀態相似。2)試件的破損過程能夠反映該類材料強度產生的本質特點,能夠反映其損壞的機理。
3)除能夠測得瀝青混合料的抗剪性能外 ,**好能夠評價瀝青和集料的性能。
 
4)試驗過程簡單, 試驗參數容易確定 。
 
按照以上原則,結合我國國情,單軸貫入試驗方法具有較好的工程應用前景。
 
3 瀝青混合料抗剪性能機理研究
 
利用上述試驗方法,研究瀝青混合料抗剪性能 ,
主要結論如下[ 8, 9, 12, 23 ~33] :
 
1)瀝青混合料抗剪性能受混合料 C值 (粘聚力 )和 φ值(內摩擦角 )影響顯著。
2)粘聚力 C主要受瀝青性質和用量、粉油比 、細集料用量、溫度、纖維外摻劑等因素的影響 ,對抗剪強度的貢獻約占 20 %。采用高粘度瀝青和摻加纖維, 能顯著增加粘聚力 C值。
 
3)內摩擦角 φ受集料的棱角特性 、級配的公稱**大粒徑、級配類型等因素影響 ,對抗剪強度的貢獻約占 80 %。采用棱角性大的粗、細集料和嵌擠級配 ,能顯著提高內摩擦角 φ值。
 
4)提高瀝青混合料抗剪性能 ,要關注微觀組成結構指標的平衡。瀝青混合料微觀結構不同 ,將引起其宏觀力學性能的差異。顆粒主軸就位方向趨向隨機, 顆粒間的交互作用更趨顯著,相應其抗剪性能也將提高。
 
解釋瀝青混合料抗剪性能機理理論主要有兩種 :傳統的表面理論和近代膠漿理論。
 
傳統的表面理論認為:瀝青混合料是粗、細集料和填料組成的礦質骨架和分布在其表面并起粘結作用的結合料構成的具有一定強度的整體。混合料強度由礦料骨架特征決定的內摩擦角和結合料及其與礦料之間的粘附特性相關的粘聚力 C值決定。根據庫倫定律,瀝青混合料在外力作用下不發生剪切滑動應具備以下條件:
 
 =σtgφ+C (1)
 
瀝青混合料的抗剪性能同時依賴礦料骨架所提供的 φ值和瀝青結合料所提供的 C值。瀝青混合料理想的級配應是既可以為形成顆粒之間相互嵌擠的骨架結構提供足夠的 φ值, 同時包括相當數量的細料成分來改善分散介質的特性以提高 C值。在集料未能形成嵌擠時, 瀝青混合料的剪切強度是由瀝青膠泥及瀝青 —集料界面的剪切強度合成的。如果集料形成嵌擠 ,集料粒子的嵌擠產生的內摩擦力
將增大瀝青混合料的剪切強度。
 
近代膠漿理論認為:瀝青混合料是一種具有空間網狀結構的三級分散體系, 它是以粗集料為分散相分散在瀝青砂漿的介質中的粗分散體系, 瀝青砂漿是以細集料為分散相而分散在瀝青膠漿中的一種細分散系 ,而膠漿又是以礦粉為分散相而分散在瀝青介質中的一種微分散系。瀝青混合料的強度主要來自分散介質的特性, 瀝青膠漿組成結構直接決定瀝青混合料的特性。
 
根據復合材料的混合率原理 ,瀝青混合料的剪
 
切強度 h可表示為[ 34] : (S/V)+FS ()
  = Υs +  
h s jm j  jj j 2
 
式(2)中, s為瀝青膠泥的剪切強度;Υs為瀝青膠泥的體積分數 ;jm為集料 —瀝青的界面剪切強度 ; Sj/Vj為單位體積內集料的表面積與體積之比 ;Fj 為集料—集料嵌擠產生的摩擦力(Fj =σtgθ, σ為混合料受到的正應力, θ為摩擦角);Sj為單位體積內集料—集料的嵌擠面積。
 
可見混合料剪切強度由瀝青膠泥的性質、集料和瀝青界面的剪切強度和集料之間的嵌擠情況共同決定。
4 瀝青混合料抗剪性能設計研究
 
為預防車轍,在設計階段考慮瀝青混合料的抗剪性能,我國《公路瀝青路面設計規范》(JTGD50 -2006) 規定,瀝青路面“中、下面層應具有高溫抗車轍、抗剪切、密實、基本不透水的性能 ”、“剛性基層瀝青路面應采取措施加強瀝青層與剛性基層間的結合,并提高瀝青混合料的抗剪強度”。但是“抗剪強度測定、容許剪應力等問題均需進一步研究, 目前尚不能納入規范”。瀝青混合料抗剪性能設計主要方法有兩種。
4.1 容許剪應力法
 
為保證瀝青路面不發生剪切破壞, 需滿足[ 35] :
 
m ≤ d/K (3)
式(3)中, m為**大允許剪應力; d為混合料抗剪強度 ;K為路面結構安全系數。
 
林繡賢通過研究指出 , 對于坡道、彎道多的道路:高溫時 m =0.53 MPa, K值可選用 1.2;對于平原區道路 , m =0.25 MPa, K值可選用 3.0,只有高溫偶然緊急制動時 , m =0.5 MPa, K值可選用 1.2。抗剪強度 d可用單軸貫入方法測定, 一般等于貫入強度的 1/3[ 36] 。
 
葉國錚等通過研究提出, 通過剪切疲勞試驗 ,確定剪切強度安全系數與疲勞次數關系式, 進而根據

設計交通量 ,確定抗剪安全系數[ 37] 。
 
GTM設計法要求瀝青混合料抗剪強度系數 (安全系數 )GSF即試件壓實結束時的抗剪強度與所要求的**大剪應力之比值大于或等于 1.0。 GTM設計法在我國已經有一定應用[ 38, 39] , 吳瑞祥通過研究提出 GSF≥1.3比較適合我國目前的交通狀況[ 40] 。
 
4.2  預估方法
 
包含瀝青混合料抗剪性能因子的車轍預估模型尚處于研究階段 ,尤其是如何使室內剪切試驗結果與現場軸載作用相聯系。 Sousa等通過研究發現 , 預測車轍深度與室內恒高度重復剪切試驗結果具有較好相關性 ,并提出了確定瀝青混凝土路面潛在永
 
久變形的方法[ 41] 。  
RD=11 ×mpss (4)
式 (4)中 , mps為路面臨界溫度下 RSCH試驗觀測到的**大**剪應變。
 
Fwa等人基于瀝青混凝土的剪切流動變形原理 ,采用 C-φ模型進行瀝青混凝土路面的車轍預估 ,模型如下[ 42] :
 
n
RD =C∑[ (Ni)a· (Li)b· (Ti)c· (ti)d] (5)
i=1
 
式 (5)中 , RD為車轍深度 ;C為輪跡分布影響系數 ;
 
Ni為輪載作用次數;Li為實際受力與路面能承受的**大抗力的比值;Ti為路面溫度;ti為輪載作用時間 ;a, b, c, d為根據試驗或觀測結果回歸分析得到的模型常數。
蘇凱等通過研究,確立了包含溫度、作用次數、剪應力、材料抗剪強度、行車速度等因子的車轍預估模型[ 43] :
n
RD=0.357 2· (1 +Lp)· ∑10-5.881 ·
 
i=1
 
2.512 0.58 0.743· i 0.472  
[  ] i 6
i          
V · NV      
T ·       ()
式 (6)中 , RD為瀝青層總變形 , mm;Lp為隆起系數 , 取 0.46;Ti為瀝青路面溫度 , ℃;i為瀝青路面在行車荷載作用下產生的**大剪應力 , MPa;[  ]i為瀝青路面材料抗剪強度 , MPa;NV為軸載作用次數;V為行車速度 , km/h。
 
這些模型的建立僅限于室內試驗, 還需要現場數據的進一步修正。
 
5 結語
 
1)對國內外瀝青混合料剪切試驗方法機理和特點進行了分析、評價 ,有助于國內道路工程設計、施工和科研人員借鑒和采用這些試驗方法。

2)瀝青混合料抗剪機理和影響因素研究表明 , 通過選擇嵌擠級配、合適的瀝青用量、高黏度瀝青、高棱角性集料、摻加纖維、確保壓實等措施, 提高瀝青混合料抗剪性能。
 
3)瀝青混合料抗剪設計尚需進一步研究, 包括試驗方法的可靠性、容許剪應力問題,室內試驗如何與現場軸載相匹配問題等。基于抗剪性能的車轍預估模型在用于抗剪設計前,尚需深入研究。
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