錢振東, 金 磊, 鄭 彧

(東南大學 智能運輸系統(tǒng)研究中心, 江蘇 南京 210096)

澆注式瀝青混合料抗剪強度及標準研究*

錢振東?, 金 磊, 鄭 彧

(東南大學 智能運輸系統(tǒng)研究中心, 江蘇 南京 210096)

采用單軸貫入試驗和無側限抗壓強度試驗分析了加載速率、油石比、溫度、級配類型及瀝青種類對澆注式瀝青混合料的抗剪強度的影響．通過有限元數(shù)值計算獲得鋼橋面鋪裝結構中澆注式瀝青混合料的抗剪強度參數(shù)，繪制出不同荷載作用下的混合料抗剪強度標準曲線，并結合試驗對混合料抗剪強度指標進行了驗證.研究表明，由于自身材料組成特點，澆注式瀝青混合料抗剪強度參數(shù)在不同因素影響下呈現(xiàn)一定的特殊變化規(guī)律，雖然澆注式瀝青混合料滿足荷載條件下的抗剪強度要求，但黏聚力不足會引起混合料剪切流動變形.在澆注式瀝青鋪裝設計中，分析因為考慮抗剪強度不足引起混合料剪切流動變形時需同時考慮混合料黏聚力和摩擦角.

瀝青混合料；單軸貫入試驗；黏聚力；抗剪強度

澆注式瀝青以其獨特的防水、抗老化性能、抗疲勞性能及對鋼橋面板優(yōu)良的追從性，在國內外被廣泛地應用于橋面鋪裝.然而，車轍變形已成為澆注式瀝青鋪裝主要破壞形式之一，嚴重影響了行車安全.除交通量的增大，渠化行車，超載現(xiàn)象嚴重等因素外，混合料自身高溫穩(wěn)定性不足也是車轍形成的主要原因.美國公路戰(zhàn)略研究計劃(SHRP)等研究結果表明，瀝青混凝土的高溫穩(wěn)定性與抗剪強度關系密切，瀝青路面的剪應力大小和瀝青混合料的抗剪強度決定了車轍的發(fā)生[1-2].因此，為了深入評價澆注式瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，對其抗剪強度的研究尤為重要.

抗剪強度作為瀝青混合料一項重要指標，國內外研究者圍繞瀝青混合料抗剪強度參數(shù)計算理論[3]、瀝青混合料抗剪強度試驗方法[4-5]以及瀝青混合料抗剪強度影響因素[6-8]等方面進行了大量研究，但這些研究較多是以瀝青路面材料中的普通瀝青或一般改性瀝青混合料為對象來分析混合料的抗剪強度，至于瀝青混合料抗剪強度對混合料高溫性能的影響很少涉及.《美國加州路面設計規(guī)范》雖然提出了抗剪強度指標，但其主要針對基層參數(shù)，并未提及對混合料性能影響[9].中國頒布的《城鎮(zhèn)道路路面設計規(guī)范》[10]中雖然增加了瀝青面層的抗剪強度指標，但并無統(tǒng)一的標準.對澆注式瀝青混凝土高溫性能影響因素的分析，已有研究主要從材料和結構[11]、施工工藝[12]等方面來開展，很少涉及抗剪強度這一因素；此外，鋪裝工程中廣泛采用貫入度及車轍試驗來評價澆注式瀝青混凝土高溫穩(wěn)定性能，抗剪強度指標往往未引起重視.實際上澆注式瀝青混合料孔隙率幾乎為零，其抵抗永久變形能力主要由混合料的抗剪強度決定，在澆注式瀝青鋪裝結構設計和混合料設計中，充分考慮混合料抗剪強度并建立抗剪強度標準顯得十分迫切.因此，本文采用單軸貫入試驗和無側限抗壓強度試驗分析了加載速率、油石比、級配類型、溫度、瀝青種類對澆注式瀝青混合料的抗剪強度的影響，從力學機理上更深入地研究澆注式瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性能，并建立典型的鋼橋面鋪裝有限元模型對澆注式瀝青混合料抗剪強度標準進行了探討，為實際鋪裝工程中澆注式瀝青鋪裝結構和混合料設計提供指導.

1 抗剪強度試驗

1.1 試驗方案

試驗中分別采用30#瀝青和SBS改性瀝青作為基質瀝青按不同條件配制澆注式瀝青混合料(分別簡稱30#-GA和SBS-GA), 為了提高混合料高溫穩(wěn)定性，根據已有研究及實際工程情況，混合料配制過程中均以7∶3的質量比摻入特立尼達湖瀝青(TLA)，混合料采用的兩種級配形式如表1所示．試驗測定的基質瀝青主要技術指標如表2所示.文獻[13]指出由三軸試驗數(shù)據確定抗剪強度參數(shù)黏聚力和摩擦角，存在著諸多方法與爭議.本文采用單軸貫入試驗獲取材料的內部剪應力，并補充平行試件進行無側限抗壓強度試驗獲取加載壓應力.通過兩者試驗結果，結合莫爾-庫倫理論進行力學分析，可計算出混合料的抗剪強度參數(shù)：混合料黏聚力c和混合料摩擦角φ值.

表1 澆注式瀝青混合料級配形式

表2 瀝青主要技術指標

單軸貫入試驗與無側限抗壓強度試驗均采用直徑×高度=100 mm×100 mm圓柱體澆注式瀝青混合料試件，單軸貫入試驗、無側限抗壓強度試驗分別如圖1和圖2所示，其中單軸貫入試驗采用直徑為28.5 mm的壓頭作用于圓柱體試件上.考慮混合料受力的最不利情況，盡量模擬靜載作用，除考慮加載速率因素的試驗外，本文其他試驗均采用1 mm/min的加載速率.

圖1 單軸貫入試驗

圖2 無側限抗壓強度試驗

1.2 抗剪強度參數(shù)求解

利用力學分析計算單軸貫入試驗強度參數(shù)方法[5]，可以對澆注式瀝青混合料抗剪強度進行研究.如果能通過有限元求解單位貫入強度(1.0 MPa)下的強度參數(shù)，則單軸貫入試驗中各主應力的大小可通過貫入試驗的力乘以相應強度參數(shù)求得.利用ABAQUS建立相應的力學模型如圖3所示，材料泊松比取0.35，在圓柱體圓心位置施加大小為1.0 MPa圓形均布荷載.

圖3 力學分析模型

有限元計算求解出1.0 MPa下的第1主應力為-0.184 MPa，第3主應力為-0.857 MPa，最大剪應力為0.337 MPa.依據莫爾-庫倫理論，單軸貫入試驗和無側限抗壓強度試驗得到兩組σ1，σ3可以繪出兩組莫爾圓，由幾何關系求得混合料的摩擦角φ和黏聚力c分別為：

(1)

式中：σ1為貫入試驗求得的第1主應力；σ3為貫入試驗求得的第3主應力；σu為無側限抗壓強度試驗的壓應力.

2 試驗結果分析

2.1 加載速率

加載速率是單軸貫入試驗和無側限抗壓強度試驗的重要試驗參數(shù)之一，不同的加載速率相當于不同的車速荷載作用，按級配Ⅱ配制油石比為9.0%的SBS-GA，在40 ℃試驗溫度條件下，分別進行1，2，3，4 mm/min 4種加載速率的試驗，試驗結果如圖4所示.

加載速度 /(mm·min-1)

隨著加載速率的增大，摩擦角是先增大后減??；黏聚力則是先減小后增大，但總體的變化幅度不大.低速加載相當于慢速車載作用，車載作用時間越長，對混合料的損傷也就越大，因此在1 mm/min加載速率時，混合料剪切強度最小.隨著加載速率逐漸增大，荷載對混合料的沖擊逐漸加劇，集料之間的磨擠作用也在加劇，所以摩擦角在逐漸增大，但這種磨擠作用達到一定程度后，集料之間摩阻力難以承受越來越大的荷載所帶來的沖擊效果，集料就會發(fā)生磨碎，導致摩擦角減小.同時，試驗過程中發(fā)現(xiàn)隨著加載速率的增大澆注瀝青混合料的剪切強度逐漸增大，試件裂紋的長度和寬度逐漸增加，這是由于在較高加載速率的情況下，雖然其抗剪強度較大，但是由于較快的加載速率能使混合料所受到的剪應力快速增長，達到最大剪切強度后快速滋長裂紋.

2.2 油石比

以0.2%的間隔設計了5個油石比類型，按級配Ⅱ配制30#-GA，在60 ℃試驗溫度條件下進行試驗，試驗結果如圖5所示.

油石比/%

混合料的黏聚力隨著油石比的增大而逐漸增大，在9.0%以后，增長趨勢有所減緩，與普通瀝青混合料相比黏聚力不會在最佳油石比附近出現(xiàn)一個峰值，這是因為澆注式瀝青混合料的礦粉和細集料比例大，需要較多的瀝青與之相互吸附形成瀝青膠漿來加強混合料的黏聚力，但是礦粉和細集料的含量是一定的，當瀝青含量大到一定程度，其黏聚力增大的幅度減小.澆注式瀝青混合料摩擦角本身就比普通瀝青混合料小，不像普通瀝青混合料一樣隨著瀝青含量的增大有先增大后減小的過程，因為澆注式瀝青混合料是一種懸浮密實結構，粗集料之間的嵌擠作用比普通瀝青混合料小得多，靠增大瀝青與骨料的黏聚力來提高粗集料結構嵌擠效果的余度幾乎沒有，較高的瀝青含量只會增大粗集料表面的油膜厚度，對集料起到了潤滑效果，摩擦角就越來越小.

2.3 級 配

分別按級配Ⅰ、級配Ⅱ配制油石比9.0%的30#-GA，在40 ℃試驗溫度條件下進行試驗，試驗結果如表3所示.

表3 不同級配的抗剪強度參數(shù)

由于Ⅰ級配的粗細比(0.564)小于Ⅱ級配的粗細比(0.725)，前者的摩擦角小于后者.Ⅰ級配的粗細比較小，細集料較多容易形成有效的瀝青膠漿，因此Ⅰ級配的黏聚力和剪應力均大于Ⅱ級配.

2.4 溫 度

澆注式瀝青混合料是一種對溫度極其敏感的材料，有研究表明溫度對澆注式瀝青混合料高溫性能影響權重僅次于瀝青種類.按級配Ⅱ配制油石比為9.0%的30#-GA，分別在20，40，60 ℃ 3種溫度水平下進行試驗，試驗結果如表4所示.

表4 不同溫度下的抗剪強度參數(shù)

黏聚力和摩擦角均隨著溫度的上升而下降，從20 ℃至60 ℃，剪應力下降了64.6%，這說明澆注式瀝青混合料是一種溫度敏感性很強的材料.常溫條件下，澆注式瀝青混合料的抗剪強度高達1.869 MPa，相比一般的普通瀝青混合料高.

2.5 瀝青種類

瀝青種類是澆注式瀝青混合料的高溫性能影響因素中最主要的因素.按級配Ⅱ配制油石比為9.0%的30#-GA和SBS-GA.在60 ℃試驗溫度條件下進行試驗，試驗結果如表5所示.

表5 不同瀝青種類下的抗剪強度參數(shù)

30#-GA抗剪指標均優(yōu)于SBS-GA，這是因為澆注式瀝青混合料的拌合溫度很高(230～240 ℃)，遠大于SBS改性瀝青的老化溫度，SBS改性劑在高溫條件下，喪失了其改性的作用.

3 抗剪強度標準

瀝青混合料的抗剪強度不足是引起混合料剪切流動變形的內在原因，為了研究鋼橋面鋪裝中澆注式瀝青混合料的抗剪強度標準，參考文獻[14]中正交異性鋼橋面板鋪裝有限元建模方法，建立典型鋼橋面鋪裝復合體系作用有限元模型如圖6所示．模型采用下層35 mm澆注式瀝青混合料+上層25 mm環(huán)氧瀝青混合料的鋪裝結構，分別計算出0.7，0.9，1.1 MPa 3種荷載條件下最大剪應力沿厚度方向分布規(guī)律如圖7所示.

圖6 鋼橋面鋪裝復合體系作用模型

鋪裝厚度/mm

由圖7可知，3種荷載條件下的最大剪應力位置均出現(xiàn)在澆注式瀝青混合料結構層內，因此在鋪裝設計中必須對澆注式瀝青混合料的抗剪強度予以足夠的重視.鋪裝結構層中的最大剪應力，以及在最大剪應力點的第1主應力、第3主應力計算結果如表6所示.

表6 抗剪強度參數(shù)計算結果

根據摩爾-庫倫理論，當材料中某一點處于平衡時，可以推導出材料破壞面上的剪應力、正應力與最大主應力、最小主應力、破壞面與最大主應力的夾角之間的關系，如式(2)所示.

(2)

澆注式瀝青混合料抗剪強度τ0與式(2)計算出的最大剪應力τmax需滿足式(3)的要求：

(3)

式中：n為安全系數(shù)，取1.2. 分別在0.7，0.9，1.1 MPa 3種荷載條件下，對式(2)中選取不同的φ，即可得到不同的c值，繪制出澆注式瀝青混合料應滿足的抗剪強度標準曲線，如圖8所示.

φ/(°)

選取30#-GA進行單軸貫入試驗和無側限抗壓強度試驗，對混合料抗剪強度指標進行驗證.依據試驗結果分別計算得到混合料黏聚力c和摩擦角φ：c=0.279 MPa，φ=26.65°，為避免產生車轍，一般對瀝青混合料摩擦角要求不小于25°．從圖8中可以看出，該澆注式瀝青混合料配合比在考慮1.2的安全系數(shù)條件下，能滿足0.7 MPa，0.9 MPa荷載條件下的抗剪強度要求，且該配合比的混合料摩擦角也大于25°，然而在1.1 MPa荷載條件下，雖然抗剪強度能滿足要求，但是其黏聚力c是不滿足要求的.這說明在該荷載條件下，混合料雖然不足以發(fā)生一致性剪切破壞，但是由于內部的黏聚力不足，混合料已經開始發(fā)生流動變形.由此可見，為了防止?jié)沧⑹綖r青混合料發(fā)生剪切流動變形，在鋪裝結構和混合料設計中考慮抗剪強度的同時還需考慮抗剪強度參數(shù)c和φ.

4 結 論

1)由于自身材料組成特點，澆注式瀝青混合料在不同因素影響下抗剪強度參數(shù)呈一定特殊的變化規(guī)律.隨著加載速率的增加而增大，混合料摩擦角先增大后減小，黏聚力先減小后增大；隨著油石比的增大，摩擦角減小，黏聚力逐漸增大；較細的級配混合料抗剪強度和黏聚力均較大；混合料抗剪強度隨著油石比或溫度的升高明顯降低；相同條件下，30#-GA的抗剪強度指標均優(yōu)于SBS-GA.

2)荷載作用下澆注式瀝青混合料的抗剪強度滿足要求時，其黏聚力大小可能無法滿足要求，混合料雖然不足以發(fā)生一致性剪切破壞，但是由于內部的黏聚力不足，混合料已經開始發(fā)生流動變形.在鋪裝結構和混合料設計中考慮抗剪強度的同時還需考慮抗剪強度參數(shù)c和φ.

3)本文未針對不同的復合鋪裝結構形式，提出詳細考慮抗剪強度的澆注式瀝青鋪裝結構和混合料設計方法，還有待后續(xù)深入研究.

[1] 杜順成,戴經樑.瀝青混合料永久變形評價指標[J].中國公路學報,2006,19(5):18-22.

DU Shun-cheng,DAI Jing-liang. Permanent deformation evaluation index of asphalt mixture[J].China Journal of Highway and Transport, 2006,19(5):18-22. (In Chinese)

[2] FONTESA L P T L, TRICHéS G, PAIS J C,etal.Evaluating permanent deformation in asphalt rubber mixtures[J].Construction and Building Materials,2010,24(7):1193-1200.

[3] FWA T F, TAN S A. C-φ characterization model for design of asphalt mixtures and asphalt mixtures and asphalt pavements[J]．Journal of A.S.T.M International, 2005, 2(3):1-15.

[4] 許嚴,孫立軍,劉黎萍.基于單軸貫入重復剪切試驗的瀝青混合料永久變形[J]．同濟大學學報:自然科學版,2013,41(8):1203-1207.

XU Yan,SUN Li-jun,LIU Li-ping.Research on asphalt mixture permanent deformation by single penetration repeated shear test[J]. Journal of Tongji University :Natural Science, 2013,41(8):1203-1207. (In Chinese)

[5] 畢玉峰,孫立軍.瀝青混合料抗剪試驗方法研究[J].同濟大學學報:自然科學版,2005,33(8):1036-1040.

BI Yu-feng,SUN Li-jun. Research on test method of asphalt mixture's shearing properties[J].Journal of Tongji University：Natural Science, 2005,33(8):1036-1040. (In Chinese)

[6] 袁峻,錢野.粗集料形態(tài)特征及其對瀝青混合料高溫抗剪強度的影響[J].交通運輸工程學報,2011,11(4):17-22.

YUAN Jun, QIAN Ye. Morphological character of coarse aggregate and its influence on high-temperature shear strength of asphalt mixture[J].Journal of Traffic and Transportation Engineering,2011,11(4):17-22. (In Chinese)

[7] PAN TY, TUTUMLUER E, CARPENTER S H. Effect of coarse aggregate morphology on permanent deformation behavior of hot mix asphalt[J]. Journal of Transportation Engineering, 2006,132(7)：580-589.

[8] 李娜,韓森,王海峰.瀝青混合料抗剪強度參數(shù)影響因素分析研究[J]．武漢理工大學學報, 2010,32(1):42-45.

LI Na,HAN Sen,WANG Hai-feng.Research on influencing factors of asphalt mixture shear strength parameters[J].Journal of Wuhan University of Technology,2010,32(1):42-45. (In Chinese)

[9] 孫立軍.瀝青路面結構行為理論[M].北京:人民交通出版社,2005:322-323.

SUN Li-jun. Structural behavior study for asphalt pavements[M].Beijing:China Communications Press,2005:322-323. (In Chinese)

[10]CJJ169-2012 城鎮(zhèn)道路路面設計規(guī)范[S].北京:中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設部,2012:24-28.

CJJ169-2012 Code for pavement design of urban road[S].Beijing: Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China,2012:24-28. (In Chinese)

[11]陳先華,黃衛(wèi),李洪濤.鋼橋面澆注式瀝青混合料鋪裝的高溫穩(wěn)定性研究[J].重慶交通學院學報,2003,22(1):33-35.

CHEN Xian-hua ,HUANG Wei ,LI Hong-tao.Studies on high temperature stability of guss-asphalt used for steel deck paving[J]. Journal of Chongqing Jiaotong University, 2003,22(1):33-35. (In Chinese)

[12]YANG Jun, CYRUS G, BERNHAND S.Study on high temperature behavior of gussasphalt[J].Journal of Southeast University: English Edition,2002,18(4):297-301.

[13]陳炳初,趙明華. 抗剪強度c,φ求取的改進單純形尋優(yōu)解法[J].湖南大學學報:自然科學版,2009,36(2):18-21.

CHEN Bing-chu,ZHAO Ming-hua. Evaluation of shear strength parameters with modified simplex algorithm[J].Journal of Hunan University: Natural Sciences, 2009,36(2):18-21. (In Chinese)

[14]李嘉,馮嘯天,邵旭東,等.正交異性鋼橋面-RPC薄層組合鋪裝體系研究[J].湖南大學學報:自然科學版,2012,39(12):7-12.

LI Jia,FENG Xiao-tian,SHAO Xu-dong,etal. System with orthotropic steel bridge deck and thin RPC layer[J].Journal of Hunan University: Natural Sciences, 2012,39(12):7-12. (In Chinese)

Research on the Shear Strength and Standard of Gussasphalt

QIAN Zhen-dong?, JIN Lei, ZHENG Yu

(Intelligent Transportation System Institute, Southeast Univ, Nanjing, Jiangsu 210096,China)

Based on uniaxial penetration tests and unconfined compressive strength tests, the effect of loading rate, asphalt-aggregate ratio, temperature, gradation types, and asphalt types on the shear strength of gussasphalt was analyzed. Through finite element numerical calculation for a structure of steel bridge deck paving, the shear strength parameters of gussasphalt were obtained and standard curves of the shear strength under different loads were drawn, and shear strength indexes were verified with experiments. The results show that, because of its material composition characteristics, the shear strength parameters of gussasphalt present a certain special variation law under the influence of different factors. Although gussasphalt meets the shear strength requirements under load conditions, lack of cohesive force will cause shear flow deformation of the mixture. When the shear flow deformation of the mixture caused by insufficient shear strength was analyzed in gussasphalt paving design, parameters such as cohesive force and friction angle should also be considered.

asphalt mixtures; uniaxial penetration test; cohesive force; shear strength

1674-2974(2015)05-0107-06

2014-09-03

國家“十一五”科技支撐計劃資助項目(2009BAG15B03)；國家自然科學基金資助項目(51378122), National Natural Science Foundation of China(51378122)

錢振東(1969-)，女，江蘇南通人，東南大學教授，博士生導師

?通訊聯(lián)系人，E-mail: qianzd@seu.edu.cn

U414

A