浇注式沥青混合料抗剪强度及标准研究*

钱振东, 金 磊, 郑 彧

(东南大学 智能运输系统研究中心, 江苏 南京 210096)

浇注式沥青混合料抗剪强度及标准研究*

钱振东†, 金 磊, 郑 彧

(东南大学 智能运输系统研究中心, 江苏 南京 210096)

采用单轴贯入试验和无侧限抗压强度试验分析了加载速率、油石比、温度、级配类型及沥青种类对浇注式沥青混合料的抗剪强度的影响．通过有限元数值计算获得钢桥面铺装结构中浇注式沥青混合料的抗剪强度参数，绘制出不同荷载作用下的混合料抗剪强度标准曲线，并结合试验对混合料抗剪强度指标进行了验证.研究表明，由于自身材料组成特点，浇注式沥青混合料抗剪强度参数在不同因素影响下呈现一定的特殊变化规律，虽然浇注式沥青混合料满足荷载条件下的抗剪强度要求，但黏聚力不足会引起混合料剪切流动变形.在浇注式沥青铺装设计中，分析因为考虑抗剪强度不足引起混合料剪切流动变形时需同时考虑混合料黏聚力和摩擦角.

沥青混合料；单轴贯入试验；黏聚力；抗剪强度

浇注式沥青以其独特的防水、抗老化性能、抗疲劳性能及对钢桥面板优良的追从性，在国内外被广泛地应用于桥面铺装.然而，车辙变形已成为浇注式沥青铺装主要破坏形式之一，严重影响了行车安全.除交通量的增大，渠化行车，超载现象严重等因素外，混合料自身高温稳定性不足也是车辙形成的主要原因.美国公路战略研究计划(SHRP)等研究结果表明，沥青混凝土的高温稳定性与抗剪强度关系密切，沥青路面的剪应力大小和沥青混合料的抗剪强度决定了车辙的发生[1-2].因此，为了深入评价浇注式沥青混合料的高温稳定性能，对其抗剪强度的研究尤为重要.

抗剪强度作为沥青混合料一项重要指标，国内外研究者围绕沥青混合料抗剪强度参数计算理论[3]、沥青混合料抗剪强度试验方法[4-5]以及沥青混合料抗剪强度影响因素[6-8]等方面进行了大量研究，但这些研究较多是以沥青路面材料中的普通沥青或一般改性沥青混合料为对象来分析混合料的抗剪强度，至于沥青混合料抗剪强度对混合料高温性能的影响很少涉及.《美国加州路面设计规范》虽然提出了抗剪强度指标，但其主要针对基层参数，并未提及对混合料性能影响[9].中国颁布的《城镇道路路面设计规范》[10]中虽然增加了沥青面层的抗剪强度指标，但并无统一的标准.对浇注式沥青混凝土高温性能影响因素的分析，已有研究主要从材料和结构[11]、施工工艺[12]等方面来开展，很少涉及抗剪强度这一因素；此外，铺装工程中广泛采用贯入度及车辙试验来评价浇注式沥青混凝土高温稳定性能，抗剪强度指标往往未引起重视.实际上浇注式沥青混合料孔隙率几乎为零，其抵抗永久变形能力主要由混合料的抗剪强度决定，在浇注式沥青铺装结构设计和混合料设计中，充分考虑混合料抗剪强度并建立抗剪强度标准显得十分迫切.因此，本文采用单轴贯入试验和无侧限抗压强度试验分析了加载速率、油石比、级配类型、温度、沥青种类对浇注式沥青混合料的抗剪强度的影响，从力学机理上更深入地研究浇注式沥青混合料的高温稳定性能，并建立典型的钢桥面铺装有限元模型对浇注式沥青混合料抗剪强度标准进行了探讨，为实际铺装工程中浇注式沥青铺装结构和混合料设计提供指导.

1 抗剪强度试验

1.1 试验方案

试验中分别采用30#沥青和SBS改性沥青作为基质沥青按不同条件配制浇注式沥青混合料(分别简称30#-GA和SBS-GA), 为了提高混合料高温稳定性，根据已有研究及实际工程情况，混合料配制过程中均以7∶3的质量比掺入特立尼达湖沥青(TLA)，混合料采用的两种级配形式如表1所示．试验测定的基质沥青主要技术指标如表2所示.文献[13]指出由三轴试验数据确定抗剪强度参数黏聚力和摩擦角，存在着诸多方法与争议.本文采用单轴贯入试验获取材料的内部剪应力，并补充平行试件进行无侧限抗压强度试验获取加载压应力.通过两者试验结果，结合莫尔-库伦理论进行力学分析，可计算出混合料的抗剪强度参数：混合料黏聚力c和混合料摩擦角φ值.

表1 浇注式沥青混合料级配形式

表2 沥青主要技术指标

单轴贯入试验与无侧限抗压强度试验均采用直径×高度=100 mm×100 mm圆柱体浇注式沥青混合料试件，单轴贯入试验、无侧限抗压强度试验分别如图1和图2所示，其中单轴贯入试验采用直径为28.5 mm的压头作用于圆柱体试件上.考虑混合料受力的最不利情况，尽量模拟静载作用，除考虑加载速率因素的试验外，本文其他试验均采用1 mm/min的加载速率.

图1 单轴贯入试验

图2 无侧限抗压强度试验

1.2 抗剪强度参数求解

利用力学分析计算单轴贯入试验强度参数方法[5]，可以对浇注式沥青混合料抗剪强度进行研究.如果能通过有限元求解单位贯入强度(1.0 MPa)下的强度参数，则单轴贯入试验中各主应力的大小可通过贯入试验的力乘以相应强度参数求得.利用ABAQUS建立相应的力学模型如图3所示，材料泊松比取0.35，在圆柱体圆心位置施加大小为1.0 MPa圆形均布荷载.

图3 力学分析模型

有限元计算求解出1.0 MPa下的第1主应力为-0.184 MPa，第3主应力为-0.857 MPa，最大剪应力为0.337 MPa.依据莫尔-库伦理论，单轴贯入试验和无侧限抗压强度试验得到两组σ1，σ3可以绘出两组莫尔圆，由几何关系求得混合料的摩擦角φ和黏聚力c分别为：

(1)

式中：σ1为贯入试验求得的第1主应力；σ3为贯入试验求得的第3主应力；σu为无侧限抗压强度试验的压应力.

2 试验结果分析

2.1 加载速率

加载速率是单轴贯入试验和无侧限抗压强度试验的重要试验参数之一，不同的加载速率相当于不同的车速荷载作用，按级配Ⅱ配制油石比为9.0%的SBS-GA，在40 ℃试验温度条件下，分别进行1，2，3，4 mm/min 4种加载速率的试验，试验结果如图4所示.

加载速度 /(mm·min-1)

随着加载速率的增大，摩擦角是先增大后减小；黏聚力则是先减小后增大，但总体的变化幅度不大.低速加载相当于慢速车载作用，车载作用时间越长，对混合料的损伤也就越大，因此在1 mm/min加载速率时，混合料剪切强度最小.随着加载速率逐渐增大，荷载对混合料的冲击逐渐加剧，集料之间的磨挤作用也在加剧，所以摩擦角在逐渐增大，但这种磨挤作用达到一定程度后，集料之间摩阻力难以承受越来越大的荷载所带来的冲击效果，集料就会发生磨碎，导致摩擦角减小.同时，试验过程中发现随着加载速率的增大浇注沥青混合料的剪切强度逐渐增大，试件裂纹的长度和宽度逐渐增加，这是由于在较高加载速率的情况下，虽然其抗剪强度较大，但是由于较快的加载速率能使混合料所受到的剪应力快速增长，达到最大剪切强度后快速滋长裂纹.

2.2 油石比

以0.2%的间隔设计了5个油石比类型，按级配Ⅱ配制30#-GA，在60 ℃试验温度条件下进行试验，试验结果如图5所示.

油石比/%

混合料的黏聚力随着油石比的增大而逐渐增大，在9.0%以后，增长趋势有所减缓，与普通沥青混合料相比黏聚力不会在最佳油石比附近出现一个峰值，这是因为浇注式沥青混合料的矿粉和细集料比例大，需要较多的沥青与之相互吸附形成沥青胶浆来加强混合料的黏聚力，但是矿粉和细集料的含量是一定的，当沥青含量大到一定程度，其黏聚力增大的幅度减小.浇注式沥青混合料摩擦角本身就比普通沥青混合料小，不像普通沥青混合料一样随着沥青含量的增大有先增大后减小的过程，因为浇注式沥青混合料是一种悬浮密实结构，粗集料之间的嵌挤作用比普通沥青混合料小得多，靠增大沥青与骨料的黏聚力来提高粗集料结构嵌挤效果的余度几乎没有，较高的沥青含量只会增大粗集料表面的油膜厚度，对集料起到了润滑效果，摩擦角就越来越小.

2.3 级 配

分别按级配Ⅰ、级配Ⅱ配制油石比9.0%的30#-GA，在40 ℃试验温度条件下进行试验，试验结果如表3所示.

表3 不同级配的抗剪强度参数

由于Ⅰ级配的粗细比(0.564)小于Ⅱ级配的粗细比(0.725)，前者的摩擦角小于后者.Ⅰ级配的粗细比较小，细集料较多容易形成有效的沥青胶浆，因此Ⅰ级配的黏聚力和剪应力均大于Ⅱ级配.

2.4 温 度

浇注式沥青混合料是一种对温度极其敏感的材料，有研究表明温度对浇注式沥青混合料高温性能影响权重仅次于沥青种类.按级配Ⅱ配制油石比为9.0%的30#-GA，分别在20，40，60 ℃ 3种温度水平下进行试验，试验结果如表4所示.

表4 不同温度下的抗剪强度参数

黏聚力和摩擦角均随着温度的上升而下降，从20 ℃至60 ℃，剪应力下降了64.6%，这说明浇注式沥青混合料是一种温度敏感性很强的材料.常温条件下，浇注式沥青混合料的抗剪强度高达1.869 MPa，相比一般的普通沥青混合料高.

2.5 沥青种类

沥青种类是浇注式沥青混合料的高温性能影响因素中最主要的因素.按级配Ⅱ配制油石比为9.0%的30#-GA和SBS-GA.在60 ℃试验温度条件下进行试验，试验结果如表5所示.

表5 不同沥青种类下的抗剪强度参数

30#-GA抗剪指标均优于SBS-GA，这是因为浇注式沥青混合料的拌合温度很高(230～240 ℃)，远大于SBS改性沥青的老化温度，SBS改性剂在高温条件下，丧失了其改性的作用.

3 抗剪强度标准

沥青混合料的抗剪强度不足是引起混合料剪切流动变形的内在原因，为了研究钢桥面铺装中浇注式沥青混合料的抗剪强度标准，参考文献[14]中正交异性钢桥面板铺装有限元建模方法，建立典型钢桥面铺装复合体系作用有限元模型如图6所示．模型采用下层35 mm浇注式沥青混合料+上层25 mm环氧沥青混合料的铺装结构，分别计算出0.7，0.9，1.1 MPa 3种荷载条件下最大剪应力沿厚度方向分布规律如图7所示.

图6 钢桥面铺装复合体系作用模型

铺装厚度/mm

由图7可知，3种荷载条件下的最大剪应力位置均出现在浇注式沥青混合料结构层内，因此在铺装设计中必须对浇注式沥青混合料的抗剪强度予以足够的重视.铺装结构层中的最大剪应力，以及在最大剪应力点的第1主应力、第3主应力计算结果如表6所示.

表6 抗剪强度参数计算结果

根据摩尔-库伦理论，当材料中某一点处于平衡时，可以推导出材料破坏面上的剪应力、正应力与最大主应力、最小主应力、破坏面与最大主应力的夹角之间的关系，如式(2)所示.

(2)

浇注式沥青混合料抗剪强度τ0与式(2)计算出的最大剪应力τmax需满足式(3)的要求：

(3)

式中：n为安全系数，取1.2. 分别在0.7，0.9，1.1 MPa 3种荷载条件下，对式(2)中选取不同的φ，即可得到不同的c值，绘制出浇注式沥青混合料应满足的抗剪强度标准曲线，如图8所示.

φ/(°)

选取30#-GA进行单轴贯入试验和无侧限抗压强度试验，对混合料抗剪强度指标进行验证.依据试验结果分别计算得到混合料黏聚力c和摩擦角φ：c=0.279 MPa，φ=26.65°，为避免产生车辙，一般对沥青混合料摩擦角要求不小于25°．从图8中可以看出，该浇注式沥青混合料配合比在考虑1.2的安全系数条件下，能满足0.7 MPa，0.9 MPa荷载条件下的抗剪强度要求，且该配合比的混合料摩擦角也大于25°，然而在1.1 MPa荷载条件下，虽然抗剪强度能满足要求，但是其黏聚力c是不满足要求的.这说明在该荷载条件下，混合料虽然不足以发生一致性剪切破坏，但是由于内部的黏聚力不足，混合料已经开始发生流动变形.由此可见，为了防止浇注式沥青混合料发生剪切流动变形，在铺装结构和混合料设计中考虑抗剪强度的同时还需考虑抗剪强度参数c和φ.

4 结 论

1)由于自身材料组成特点，浇注式沥青混合料在不同因素影响下抗剪强度参数呈一定特殊的变化规律.随着加载速率的增加而增大，混合料摩擦角先增大后减小，黏聚力先减小后增大；随着油石比的增大，摩擦角减小，黏聚力逐渐增大；较细的级配混合料抗剪强度和黏聚力均较大；混合料抗剪强度随着油石比或温度的升高明显降低；相同条件下，30#-GA的抗剪强度指标均优于SBS-GA.

2)荷载作用下浇注式沥青混合料的抗剪强度满足要求时，其黏聚力大小可能无法满足要求，混合料虽然不足以发生一致性剪切破坏，但是由于内部的黏聚力不足，混合料已经开始发生流动变形.在铺装结构和混合料设计中考虑抗剪强度的同时还需考虑抗剪强度参数c和φ.

3)本文未针对不同的复合铺装结构形式，提出详细考虑抗剪强度的浇注式沥青铺装结构和混合料设计方法，还有待后续深入研究.

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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

国家“十一五”科技支撑计划资助项目(2009BAG15B03)；国家自然科学基金资助项目(51378122), National Natural Science Foundation of China(51378122)

钱振东(1969-)，女，江苏南通人，东南大学教授，博士生导师

†通讯联系人，E-mail: qianzd@seu.edu.cn

U414

A