抗车辙剂对沥青混合料抗剪性能的影响分析

文/新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计研究院 吴忠辉

一直以来，国内外不少学者及科研单位开展了大量关于车辙的防治研究，主要集中在材料与结构方面。目前，对于抗车辙剂的研究较少涉及抗剪强度指标，我国现行沥青路面设计规范中并未考虑混合料的抗剪性能。因此，本文选取实体工程中常用的天怡抗车辙剂及矿料级配，以混合料抗剪强度为指标，采用单轴贯入和圆环剪切双重对比试验，从力学角度探讨抗车辙剂对沥青混合料抗剪性能的影响规律和程度。

试验材料与方法

试验材料及性质

沥青

沥青混合料采用华特SBS改性沥青，相关性能及要求如表1所示，其性能均满足相关规范要求。

抗车辙剂

根据实际情况选择天怡抗车辙剂，研究混合料抗剪性能，其相关材料参数如表2所示。

表1 SBS沥青常规试验结果

表2 抗车辙剂的材料参数

表3 抗剪参数表

表4 圆环剪切试验抗剪参数表

矿料及级配

试验所采用的集料为玄武岩，矿粉为石灰岩磨制而成，集料各项指标均符合规范要求。矿料级配采用AC-13F，最佳油石比为5%。

试验方法

单轴贯入试验

单轴贯入试验采用一半径为r的压头施压，在半径为R的圆柱体试件上（r＜R），以此模拟路面受力状态，利用力学三维有限元分析，得出相关抗剪参数，如表3所示。以求其抗剪强度，并辅助无侧限抗压强度试验求解沥青混合料的C、φ值。

根据S = C×P求得相应的主应力及抗剪强度。根据库伦-莫尔强度理论求解出混合料的两个重要参数：黏聚力C和内摩擦角 。单轴贯入试验的C和公式为：

图1 不同抗车辙剂掺量的抗剪强度

图2 不同抗车辙剂掺量的内摩擦角

图3 不同抗车辙剂掺量的内摩擦角

圆环剪切试验

其原理为采用小于试件尺寸的压头和圆环支座对圆柱形试件加载模拟实际路面的受力情况。试件剪切破坏时能出现明显的剪切锥形破坏面。其基本公式原理与单轴贯入试验相似，强度参数如表4所示。

试件制备

由于两种试验方法所要求的试件尺寸及成型方法不一，故为了更好地反映沥青混合料性能，避免因试件成型方式不同对试验结果造成影响，采用统一的旋转压实方式成型试件。

抗车辙剂的掺量根据试件总质量的0%、1%、2%、3%、4%、5%。先将抗车辙剂与集料置于沥青混合料的拌和锅中，在170℃～180℃的温度下干拌120s，使抗车辙剂软化，待充分搅拌后继续加入沥青拌和120s，最后加入矿粉搅拌120s，待搅拌完全后立即装入试模内成型试件。试验前将试件置于60℃恒温箱中保温6h。待养护结束后立即开始剪切试验，试验温度与试件保温温度一致，加载速度为1mm/min。

试验结果分析与探讨

经过试验，相关试验结果如图1至图3所示。

由图1至图3可知，两种试验结果均表明，抗车辙剂的添加可显著提升沥青混合料的抗剪强度，抗剪强度随着抗车辙剂掺量的增加而增大，当抗车辙剂掺量＞3%时,抗剪强度趋于平缓。抗车辙剂的添加对混合料抗剪强度的提升，主要在于增加混合料的黏聚力对于内摩擦角的提升幅度不大。一方面，抗车辙剂的加入吸收了沥青轻质组分，起到了增黏的效果，提升沥青的弹性性能，同时新形成的抗车辙剂改性沥青包裹于矿料颗粒表面，强化集料颗粒之间的黏结；另一方面，部分未融化的抗车辙剂在混合料拌和过程中受颗粒的嵌挤而被拉丝形成空间网络，进而约束了混合料内部集料的滑动。故随着抗车辙剂掺量的增加，混合料的黏聚力不断增大，抗剪性能不断提升。

对于混合料的内摩擦角，由于所选级配为悬浮密实结构，粗集料相对较少而细集料较多，在混合料拌和过程中，抗车辙剂处于黏流状态，细集料将会以未融化的抗车辙剂为核心聚集，形成较大颗粒的聚集团，间接增大了混合料中粗集料比重，故混合料的内摩擦角随着抗车辙剂的增加而有所增大，但限于所选级配中细集料比重较大，再者所形成的以抗车辙剂为核心的聚集团无法充分起到真正粗集料的骨架支撑作用，故抗车辙剂的加入对混合料的内摩擦角提升作用并不显著。

圆环剪切试验和单轴贯入试验的试验结果规律基本相似，其区别在于，圆环剪切试验得到的内摩擦角较单轴贯入试验的大13%左右，而内摩擦角的则相反，这是因为两种试验方法的底座不同，受压时试件所受的围压不同，进而试件内部受力情况有所差异。总体上两种试验结果的抗剪强度差值均在5%以内，试验结果及变化规律基本一致，保证了试验结果的可靠性。

结语

抗车辙剂的加入可显著提升混合料的抗剪性能，抗剪强度的增加主要在于增加沥青混合料的黏聚力，而内摩擦角的提升较为有限；沥青混合料的抗剪强度随着抗车辙掺量的增加而不断增大，当掺量大于3%时，抗车辙掺量的增加对混合料抗剪强度的改善效果增幅不大，故仅从沥青混合料高温稳定性能的角度，推荐抗车辙剂的最佳掺量为3%。