沥青混合料矿料滑移剪切变形特性

栗培龙，马莉霞，李　爽，李玉鑫，李新军

(1.长安大学道路结构与材料交通行业重点实验室， 陕西西安710064；2.山东高速公路股份有限公司, 山东青岛266000)



沥青混合料矿料滑移剪切变形特性

栗培龙1，马莉霞1，李爽1，李玉鑫2，李新军1

(1.长安大学道路结构与材料交通行业重点实验室， 陕西西安710064；2.山东高速公路股份有限公司, 山东青岛266000)

摘要：沥青混合料的变形是矿料颗粒滑移累积的外在表现。为了分析沥青混合料的矿料滑移剪切变形特性，开发了一种矿料滑移试验装置，采用不同级配的五种沥青混合料，在不同的试验条件下进行矿料滑移剪切变形试验。根据试验曲线，提出了矿料滑移破坏荷载 (Fs)、矿料滑移破坏变形(Ds)、矿料滑移模数 (M)和矿料滑移能量指数 (SEI)等评价参数，分析了评价参数与车辙变形之间的关系，讨论了试验温度和沥青含量对沥青混合料抗滑移变形性能的影响。结果表明，Fs对于较大公称最大粒径的混合料存在局限性；随着温度的升高，五种沥青混合料的矿料滑移能量指数 (SEI)与温度呈乘幂关系衰减，相关系数R2均大于0.89；对于不同的混合料，四个评价参数与车辙深度(RD)的相关性排序为：SEI>Fs>M>Ds，推荐SEI作为沥青混合料矿料滑移剪切变形的评价参数。对于AC-13b混合料，随着沥青含量的增加，40 ℃和60 ℃的SEI均先减小后增大，均在最佳油石比4.5%附近达到峰值519.2和492.6，即当沥青用量接近最佳沥青含量时，矿料骨架效应和沥青粘结性可以达到较高的水平，沥青混合料具有最大的矿料滑移剪切稳定性。

关键词：沥青混合料；矿料滑移剪切变形；试验方法；评价参数；滑移能量指数

0引言

沥青混合料在重复荷载作用下的永久变形是沥青路面发生车辙病害的最主要原因之一[1]。大量研究者[2-8]采用静态/动态蠕变试验、三轴试验、重复加载试验、间接拉伸试验、简单性能试验等试验方法开展沥青混合料的变形行为及力学响应研究，并提出了不同的评价参数。Little等[2]、 Schwartz等[5]采用蠕变试验分析沥青混合料的变形行为；Tutumluer等[6]分析了粗集料特征对混合料强度和永久变形行为的影响；栗培龙等[7]分析了沥青混合料的蠕变变形特性；梁俊龙等[8]采用简单性能试验研究沥青混合料的非线性粘弹性本构关系。尽管这些方法可以评价沥青混合料的高温抗变形能力，但是很难反应混合料变形过程中的矿料界面滑移作用机理。

有研究认为，沥青混合料的抗变形能力主要来源于抗剪强度[9-10]。针对沥青混合料的抗剪性能，毕玉峰等[11]提出了单轴贯入试验方法和抗剪强度参数求解方法；崔鹏等[12]确定了沥青混合料的抗剪试验标准参数；冯俊领等[13]进行了沥青混合料同轴剪切试验方法研究；李立寒等[14]设计了沥青混合料同轴剪切重复荷载试验，提出了沥青混合料剪切变形特性评价指标。然而沥青混合料是典型的多相颗粒性材料，仅从宏观力学的角度描述沥青混合料的强度特性，没有抓住颗粒性材料变形行为的本质。沥青混合料的宏观变形行为与矿料颗粒界面滑移特性密切相关[15]。如果矿料颗粒抗滑移性能不足，在荷载作用下滑移剪切变形不断累积最终形成永久变形。

针对沥青混合料的矿料界面滑移剪切行为，在理论分析及相关研究的基础上，开发了沥青混合料矿料滑移剪切变形试验装置[16]。本文采用几种不同的沥青混合料进行矿料滑移剪切变形试验，根据矿料滑移剪切变形曲线，提出了矿料滑移破坏荷载 (Fs)、矿料滑移破坏变形(Ds)、矿料滑移模数 (M)和矿料滑移能量指数 (SEI)等四个评价参数，分析试验条件对矿料滑移剪切变形参数的影响，以期为沥青混合料设计及性能评价提供参考。

1试验材料

采用SKTM90# 沥青制备五种级配的沥青混合料，沥青技术特性如表1所示。集料采用玄武岩，粗细集料的相对密度列于表2和表3中，石灰岩矿粉用作填料，密度为2.716 g/cm3。采用公称最大粒径分别为13 mm, 16 mm 和 19 mm的五种矿料级配(列于表4中)，分别采用马歇尔设计方法确定最佳沥青用量，最佳油石比分别为5.0%、4.6%、4.8%、4.4% 、 3.9 %，并采用马歇尔击实仪制备试件。

表1　沥青基本指标

表2　粗集料的相对密度

表3　粗集料的相对密度

表4　矿料级配

2试验装置和方法

2.1试验装置

为了评价沥青混合料中矿料颗粒滑移产生的变形，开发了矿料颗粒滑移剪切变形试验装置，包括加载头、上部结构、下部结构、中空承载板。加载头是直径40 mm的实心圆柱钢压头；上部结构是顶部封顶且留有直径40 mm圆形开口、下方敞开且留有外侧契口的半封闭半开口式钢圆筒；下部结构是上方侧壁留有内侧契口的开口式钢圆筒，且在圆筒一侧开凿观察窗口；中空承载板孔径70 mm，刚好能够卡在上下部结构之间。试验采用MTS-810材料万能试验机施加荷载。在试验过程中，压头对时间也是施加局部荷载，但该试验装置采用中空下承载板，在钢加载头的荷载作用下，发生滑移剪切的混合料可以通过承载板的圆孔下落，目的是限定矿料滑移剪切破坏路径，而且在试验过程中上部结构的缸筒可以为试件提供围压，与贯入试验存在显著差异。因此，滑移剪切试验能够较准确地反映沥青混合料的矿料滑移过程，且能避免试件过早剪切破坏及断裂面杂乱等现象。试验装置及加载过程如图1所示。

(a) 装置结构图　　(b) 试验装置　　(c) 加载过程

图2　试验后破坏的试件Fig.2　The damaged specimen

2.2试验方法

试验温度分别为25 ℃、 40 ℃、 50 ℃、 60 ℃、 70 ℃、 85 ℃，以20 mm/min的加载速率进行试验，每个试验条件进行3个平行试验，取平均值作为试验结果。首先，将试件和试验装置在设定温度的恒温烘箱中保温1 h，然后将试件迅速装进试验装置中，并放进预先恒温的MTS环境箱中，继续恒温30 min后开始矿料滑移剪切变形试验。加载后试件被剪切形成一个中空圆环试件，如图2所示。

尽管实际路面的沥青混合料温度难以达到85 ℃，为了深入研究矿料滑移剪切变形行为以及温度的影响，将试验温度范围尽量扩大，但试验发现当温度超过85 ℃后，由于沥青的粘结力太低，试件瘫软，试验误差太大或难以进行，同时温度太高沥青老化严重，可能在很大程度上影响试验结果，因此将最高试验温度确定为85 ℃。

2.3评价参数

矿料滑移剪切变形试验是恒速率加载试验，图3是典型的试验曲线。随着时间的延长，矿料滑移剪切变形不断增大，然而滑移荷载随着位移增加先增大后减小，认为当滑移荷载出现峰值时，试件开始进入破坏阶段，因此将最大滑移荷载定义为滑移破坏荷载(Fs)。当滑移荷载继续减小到某一值时加载设备自动停止。整个滑移过程的变形被定义为滑移剪切破坏变形(Ds)。

滑移模数是指在外加荷载作用下，滑移破坏荷载与滑移剪切破坏变形的比值，如式(1)所示：

M=Fs/Ds。

(1)

矿料滑移剪切变形试验中的滑移能量指数可以反映试验时压头和试件接触后达到最大滑移破坏荷载(破坏时间)时所要做的功，定义为滑移荷载对滑移位移的积分面积，如图4网格部分所示，计算式如下式(2)所示，可由Origin数据处理软件计算完成。

(2)

图3典型的试验曲线

Fig.3Typical test curve

图4滑移能量指数

Fig.4Slip energy index

3分析与讨论

通过提出的评价参数，分析试验条件对矿料滑移剪切变形评价参数的影响。同时对相同的混合料进行了60 ℃干式汉堡车辙试验[17]，通过分析评价参数与车辙变形(RD)的关系，进一步优选矿料滑移剪切变形评价参数。

3.1试验温度对矿料滑移剪切变形特性的影响

沥青混合料是一种温度敏感性材料，试验温度直接影响沥青混合料的力学响应。一般而言，沥青混合料在低温条件下接近弹性材料，而在高温条件下更接近粘性材料[18]。在相同的加载速率下，沥青混合料的矿料滑移参数随温度的变化如图5所示。

(a)Fs

(b)Ds

(c)M

图5矿料滑移剪切变形参数与试验温度之间的关系

Fig.5The relationship between aggregate slip shear deformation parameters and test temperatures

由图5(a)可以看出，不同混合料的滑移破坏荷载随温度的变化趋势存在显著差异。随着温度的升高，AC-13a、AC-13b和AC-13c三种沥青混合料的矿料滑移破坏荷载呈显著衰减趋势，滑移破坏荷载随着温度变化可以用乘幂关系来描述，AC-13a、AC-13b和AC-13c三种混合料的相关系数R2分别达0.91、0.99、0.96以上，而对于AC-16和AC-20而言，相关系数R2均不到0.5，即矿料滑移破坏荷载与温度没有显著的相关关系(见表5)。

表5　滑移剪切破坏荷载与试验温度的关系模型

沥青混合料中的沥青属于强感温材料，当温度较低时，沥青劲度增大，其粘聚力对矿料界面滑移起阻碍作用；随着温度的升高，沥青逐渐由固态向液态转化，沥青的粘聚力大幅衰减，同时矿料界面滑动起到润滑作用，但当温度继续升高，沥青稠度降低，矿料界面的有效沥青膜厚会减薄，对矿料的润滑作用也会有所减弱，即由于沥青的粘结和润滑效应同时存在，沥青结合料对矿料摩擦的影响较为复杂。对于较大公称粒径的沥青混合料而言，大颗粒矿料较多，在加载过程中的矿料颗粒嵌挤作用更为突出，矿料滑移破坏荷载并不能完全反应矿料滑移特性，因此矿料滑移破坏荷载与温度的相关关系不显著。可见矿料滑移破坏荷载Fs可以较好的评价AC-13沥青混合料的矿料滑移，而对于较大公称粒径的混合料具有局限性。

由图5(b)可以看出，随着温度的升高，矿料滑移破坏变形(Ds)整体呈减小趋势，在较低的温度下，沥青具有较强的粘聚力抵抗矿料滑移，矿料滑移是缓慢的，很难在小的滑移变形内发生破坏；在较高的温度下，沥青的粘聚力很小，而且还有润滑作用，矿料滑移快速进行，很快达到破坏状态。但几种混合料的Ds均出现局部先增大后减小的区间，即在中间温度具有一个小峰值，如AC-13C混合料在50 ℃出现峰值，其他四种混合料均在60 ℃出现峰值。分析原因，可能是由于50～60 ℃范围恰恰是沥青粘滞温度范围，沥青混合料的粘弹性表现充分，粘结和润滑达到相对平衡状态，在一定程度上延迟了矿料滑移破坏进程。

由图5(c)可以看出， AC-13a、AC-13b、AC-13c和AC-16四种混合料的矿料滑移模数(M)变化趋势基本一致，即随着温度的升高，矿料滑移模数先逐渐减小，然后突然增大再继续减小，在70 ℃处出现峰值；但对AC-20而言，矿料滑移模数在40 ℃处出现谷值，然后一直增大，可见不同最大公称粒径的混合料，矿料滑移特性存在差异。

由图5(d)可知，随着温度的升高，五种沥青混合料的矿料滑移能量指数 (SEI)不断衰减，矿料滑移能量指数 (SEI)与温度之间呈很好的乘幂关系(表6)，相关系数R2最小的也接近0.9。如前所述，矿料滑移是外界能量克服矿料表面摩擦、沥青粘聚力和润滑作用的外在表现，矿料滑移能量指数 (SEI)是从能量的角度提出的评价参数，对不同公称粒径的沥青混合料均能较好的评价矿料滑移特性。

表6　矿料滑移能量指数与试验温度的关系模型

3.2矿料滑移剪切变形评价参数与车辙变形的关系分析

有效的评价参数不仅能反应沥青混合料的力学响应，而且和路面病害有很好的相关性[19]。四种评价参数Fs、Ds、M和SEI与车辙深度 (RD)之间的关系，如图6所示。

(a)Fs 与RD

(b)Ds 与 RD

(c)M与RD

(d)SEI与RD

图6矿料滑移评价参数与车辙变形之间的关系

Fig.6The relationships between the four test parameters andRD

由图6可以看出，滑移破坏荷载、滑移破坏模数和滑移能量指数均与车辙深度具有一定的相关性，其中SEI与之的相关性最好，相关系数R2达0.9以上，但滑移破坏变形Ds与车辙深度(RD)之间几乎没有相关性。根据相关性分析，四个评价参数与RD的相关性排序为：SEI>Fs>M>Ds，推荐采用滑移能量指数SEI评价沥青混合料中矿料的滑移性能。

3.3沥青含量对矿料滑移剪切变形特性的影响

图7　SEI随沥青含量的变化Fig.7　SEI change with asphalt content

沥青混合料的矿料抗滑移能力来自矿料嵌锁和沥青提供的粘结力[20]。选择AC-13b级配，分别配制沥青含量为3.5%， 4.0%， 4.5%，5.0%，5.5%的沥青混合料，在40 ℃、60 ℃条件下进行滑移性能试验，分析沥青含量对矿料滑移剪切特性的影响。SEI值随沥青含量的变化如图7所示。

由图7可知，随着油石比的增加，两种温度条件下的矿料滑移能量指数均呈先减小后增大，然后持续减小的趋势，在最佳油石比附近4.5%出现峰值。沥青作为矿料的结合料，对矿料界面起到粘结和润滑双重作用。在40 ℃和60 ℃条件下，沥青的粘结作用和润滑作用并存，矿料滑移阻力来源于矿料界面摩擦和沥青粘聚力。但在较低的沥青用量下，矿料表面的沥青粘聚力发挥不充分，随着油石比的增加，润滑作用逐渐增强，SEI有所降低；当油石比继续增加，沥青的粘聚力和润滑效应均不断增强，但粘聚力发挥的更为显著，当沥青含量接近最佳沥青含量时，沥青的粘聚力达到峰值；随着油石比继续增加，粘聚力不再增加，但润滑作用大幅增加，SEI又不断降低。可见沥青用量是影响沥青混合料性能的重要参数，采用矿料滑移能量指数SEI不仅可以评价沥青混合料的矿料滑移剪切变形性能，也可以用于沥青混合料组成优化设计。

4结论

①采用自行设计的试验装置评价沥青混合料的矿料滑移剪切变形性能，根据矿料滑移剪切变形曲线，提出了矿料滑移破坏荷载 (Fs)、矿料滑移破坏变形(Ds)、矿料滑移模数 (M)和矿料滑移能量指数 (SEI)等矿料滑移评价参数。

②随着温度的升高，AC-13a、AC-13b和AC-13c三种沥青混合料的矿料滑移破坏荷载(Fs)呈乘幂关系衰减，而对于AC-16和AC-20混合料，Fs与温度没有显著的相关性，即Fs可以较好的评价AC-13沥青混合料的变形特性，对评价较大公称最大粒径的混合料具有局限性；五种沥青混合料的矿料滑移能量指数 (SEI)均随着温度的升高呈乘幂关系衰减，相关系数R2均大于0.89。

③对于不同的混合料，四个评价参数与车辙深度(RD)的相关性排序为：SEI>Fs>M>Ds，推荐SEI作为沥青混合料矿料滑移剪切变形的评价参数。

④对于AC-13b混合料，随着沥青含量的增加，40 ℃和60 ℃的SEI均先减小后增大，均在最佳油石比4.5%附近达到峰值519.2和492.6，即当沥青用量接近最佳沥青含量时，矿料骨架效应和沥青粘结性可以达到较高的水平，沥青混合料具有最大的矿料滑移剪切稳定性。

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(责任编辑唐汉民梁健)

Aggregate slip shear deformation properties of asphalt mixture

LI Pei-long1, MA Li-xia1, LI Shuang1, LI Yu-xin2, LI Xin-jun1

(1.Key Laboratory of Road Structure & Material Ministry of Transport, Chang’an University, Xi’an 710064, China;

2.Shandong Expressway Co., Ltd., Qingdao 266000, China)

Abstract:The deformation of asphalt mixture is an external reflection of the aggregate slip accumulation. In order to analyze the aggregate slip shear deformation properties of asphalt mixture, an aggregate slip test device (ASTD) was developed. Aggregate slip shear deformation tests were conducted on five asphalt mixtures for different gradations under different test conditions. Four evaluation parameters of the slip failure load (Fs), i.e., the slip failure deformation (Ds), slip modulus parameter (M) and slip energy index (SEI) were obtained according to the test curves. The relationship between the four evaluation parameters and the deformation of asphalt mixture was analyzed. The effects of temperature and asphalt content on slip shear resistance of asphalt mixture were discussed. The results indicate that the parameterFs has limitations for the mixture containing particles of large nominal and maximum size. TheSEIof the five asphalt mixtures decreases with the increase of temperature, which obeys a power function relationship. For different mixtures, the correlation order with rut depth (RD) for the four evaluation parameters isSEI>Fs>M>Ds. Therefore,SEIis recommended to evaluate the aggregate slip shear properties of asphalt mixture. For the mixture AC-13b,with the increase of asphalt content,SEIat 40 ℃ and 60 ℃ goes down first and then goes up, and it reaches 519.2 and 492.6 respectively with the optimum proportion of asphalt to aggregate of 4.5%. When asphalt content is close to the optimum asphalt content, aggregate skeleton effect and asphalt cohesive force both reach higher levels, and asphalt mixture has the best aggregate slip shear stability.

Key words:asphalt mixture; aggregate slip shear deformation; test method; evaluation parameters; slip energy index (SEI)

中图分类号：U414.75

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)01-0261-09

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0261

通讯作者：栗培龙(1980—)，男，江苏邳州人，长安大学副教授，工学博士；E-mail: peilong_li@126.com。

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51008031)；交通运输部基础研究计划项目 (2014319812151)；陕西省自然科学基础研究计划项目(2014JQ7242)

收稿日期：2015-06-12；

修订日期：2015-12-15

引文格式：栗培龙,马莉霞,李爽,等.沥青混合料矿料滑移剪切变形特性[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(1)：261-269.