温拌沥青混合料的抗剪切性能分析

2018-08-27詹庆

山西交通科技 2018年3期

詹庆

（山西省公路局大同分局，山西大同 037006）

0 引言

温拌沥青混合料的施工温度远低于普通热拌沥青混合料，因而其能够大量地减少能源消耗，并降低温室气体、有毒气体及粉尘等排放[1]，从而带来巨大的经济与社会效益。有机温拌沥青混合料是指根据添加剂自身的物理性能，在相同温度时达到降低沥青黏度的效果，通常添加剂的主要成分为蜡状物[2]，如Sasobit FT硬蜡、Asphaltan-B酯化蜡等。

在车辆荷载复杂的特殊路段，路面往往承受着较大的剪切作用，如长大纵坡路段、道路交叉口、匝道等车辆转向频繁的路段等，当混合料的抗剪性能不足时易出现推移、松散等剪切破坏[3]。现有研究通常认为，沥青路面出现车辙、波浪等病害也与混合料的抗剪性能下降有较大的关联[4]。对于交通行为复杂的特殊路段在应用有机温拌剂时，应关注混合料抗剪性能是否满足要求。本文将研究混合料中添加温拌剂后抗剪强度及相应抗剪强度参数的变化规律，为有机温拌添加剂在工程应用中提供参考。

1 沥青混合料抗剪强度测试

抗剪强度是表征沥青混合料抵抗剪切作用而不发生破坏的极限强度值，常用的测试方法有三轴压缩法和直剪法。三轴压缩法测试抗剪强度的应力状态较明确，能模拟破坏形态，但这种方法的测试设备复杂，测试时间长，操作要求高，并且试验是在轴对称情况下进行，与实际情况有所不同[5]。直剪试验的仪器构造简单，操作方便，且试验中试件的受力特点也能够满足本文研究。因此，文中抗剪强度的测试采用沥青混合料直剪试验，试件用标准马歇尔试件，测试仪器为沥青混合料直剪试验仪。

试验中记录剪应力出现的峰值F，通过剪应力F与试件横截面积S计算出抗剪强度τ，具体的计算公式如式（1）：

式中：τ为沥青混合料的抗剪强度，MPa；F为试件破坏时的水平剪力，kN；S为试件所受的剪切面积，m2。

试验选择测试抗剪强度时的正应力分别为0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa 和 0.7 MPa，根据库伦理论和抗剪强度包络线[6]，将混合料试件的抗剪强度测试结果和相应剪切试验的正应力进行线性回归，得出试件的抗剪强度参数φ、c。

式中：τj为混合料试件的抗剪强度，MPa；σj为剪切试验的正应力，MPa；c、φ为回归参数。

对直剪试验结果与三轴压缩试验测得的抗剪强度结果进行对比验证，得到直剪试验与三轴压缩试验得到结果的规律相同[7]，且结果与实际道路破坏相似并且真实可靠。试验中将成型好的标准沥青混合料马歇尔试件置于温度为40℃的烘箱中3 h，如无特殊说明，文中采用混合料直剪试验的试验速率为50 mm/min，最大抗剪强度为0.7 MPa的正应力对应的剪切强度测试结果。

2 原材料

2.1 有机温拌剂

文中试验选用Sasobit-LM有机温拌剂，为工程中常用Sasobit降黏剂的一种类型。产品是煤在液化过程中提炼得到的物质，组成上属于一种硬蜡，根据Sasobit-LM温拌剂对沥青性质的影响及在工程中的应用[8]，试验中选定掺量为3.0%。温拌添加剂的物理指标见表1。

表1 Sasobit-LM温拌剂的物理指标

2.2 沥青及矿料

试验采用的沥青为90号基质沥青和SBS I-C改性沥青，矿料为石灰岩，对原材料性能进行测试，试验结果满足规范要求。文中选用的混合料采用路面常用的AC-16、SMA-16和OGFC-16型沥青混合料，无特殊要求时其各筛孔的通过率均取级配范围的中值。通过试验确定混合料的最佳油石比分别为4.6%、5.8%和4.1%，对级配与沥青用量结果进行验证满足要求。

3 不同温拌剂掺量下抗剪强度变化

3.1 基质沥青中添加温拌剂后

通过直剪试验测试不同掺量Sasobit-LM温拌剂下90号基质沥青混合料的抗剪强度，试验选用AC-16型沥青混合料，测试指标结果见表2。

表2 不同Sasobit-LM掺量的90号基质沥青混合料抗剪强度变化

在基质沥青混合料中添加Sasobit-LM后，混合料的抗剪强度出现了明显的下降，表明有机温拌剂对沥青混合料的抗剪性能形成了负面作用，因此在应用有机温拌剂时应注意掺量的控制。随着温拌剂掺量的增加，内摩阻角φ有一定的增大，但变化并不明显，这是由于有机温拌剂本身有润滑作用，能够使集料相互之间嵌挤的更为密实[9]。黏聚力c随温拌剂掺量增加而明显下降，表明温拌剂对沥青本身的黏结性能和黏聚性能形成较大影响。

3.2 SBS改性沥青

在AC-16型SBS改性沥青混合料中添加不同掺量的温拌剂后，抗剪强度的测试结果见表3。

表3 不同Sasobit-LM掺量的SBS改性沥青混合料抗剪强度变化

在SBS改性沥青混合料中添加Sasobit-LM后，其抗剪强度的变化与基质沥青混合料相同。对比基质与改性混合料抗剪强度的测试结果，SBS改性剂能够提高混合料的抗剪性能，并一定程度上减弱有机温拌剂对沥青性能的负面作用。SBS改性沥青混合料中内摩阻角φ随温拌剂掺量的变化较小，且结果与基质沥青混合料相近，同时黏聚力c明显大于基质沥青混合料，表明SBS改性沥青混合料抗剪强度的提高主要源于沥青混合料及沥青本身黏聚性能的提高。

4 不同类型沥青混合料抗剪强度变化

4.1 不同级配混合料

比较同种类型不同级配混合料的抗剪性能随温拌剂掺量的变化，文中选用AC-16混合料的3种不同级配，分别为偏细型AC-16F、中值AC-16M和偏粗型AC-16C，其级配曲线见图1。其中，为便于结果对比，不同级配的沥青用量均设置相同。

图1 混合料级配曲线示意图

文中只选用90号基质沥青进行试验，对上述3种级配的沥青混合料进行抗剪强度测试，在添加不同掺量Sasobit-LM温拌剂后的测试结果及相应变化见表4。

表4 不同级配下不同Sasobit-LM掺量的90号基质沥青混合料抗剪强度测试结果

根据表4，随温拌剂掺量的增加，沥青混合料最大抗剪强度τ和黏聚力c都出现下降，而内摩阻角φ的变化不明显，表明有机温拌剂使沥青混合料抗剪强度的降低主要源于沥青本身黏结及黏聚性能的下降。对3种级配的混合料测试结果对比发现，级配居中混合料的抗剪强度结果要大于偏粗、偏细型，因此在工程中应注意混合料关键筛孔通过率的控制。对比沥青混合料内摩阻角φ结果，可以得到混合料中的骨料颗粒越大，其嵌挤效果越明显，相对应混合料的内摩阻角越大。对比沥青混合料黏聚力c的测试结果，偏粗型的混合料黏聚力要差，这是由于石料的颗粒大而导致比表面积小，使自由沥青的含量偏多进而使混合料整体的黏聚力下降。

4.2 不同结构类型的混合料

比较AC-16、SMA-16和OGFC-16三种结构类型的沥青混合料在添加温拌剂后抗剪强度测试结果，见表5。

表5 不同结构类型不同Sasobit-LM掺量的90号基质沥青混合料抗剪强度测试结果

分析表中测试结果，AC-16和SMA-16沥青混合料的抗剪强度相近，但明显高于OGFC-16型沥青混合料，表明特殊路段处应用OGFC等大孔隙骨架结构的混合料应谨慎，并尽量避免有机温拌剂在OGFC等混合料中的应用。对比不同混合料内摩阻角φ的测试结果，SMA-16的内摩阻角要大于AC-16，AC-16的内摩阻角大于OGFC-16，同时温拌剂对OGFC-16内摩阻角的影响表现更明显，即有机温拌剂的润滑效果在空隙较大的结构中体现更显著。对比沥青混合料黏聚力c的变化结果，OGFC-16混合料的黏聚力小于AC-16和SMA-16，且其随温拌剂掺量的增加下降更明显，即有机温拌剂对沥青性能的影响极大地降低了OGFC-16型混合料的抗剪性能。

5 不同试验速率的温拌沥青混合料抗剪强度的变化

比较分析不同试验速率对混合料添加温拌剂后抗剪强度的影响，文中选用混合料直剪试验3个不同的剪切速率，选用AC-16沥青混合料的测试结果见表6。

表6 不同试验速率不同Sasobit-LM掺量的90号基质沥青混合料抗剪强度测试结果

根据表6结果，在不同的试验速率下，沥青混合料抗剪强度都随温拌剂掺量的增加而降低，但试验速率越小，混合料抗剪强度降低速率相对越小，说明在试验速率较低时沥青性能变化对混合料抗剪切破坏的影响在减弱。对比相同温拌剂掺量混合料在不同试验速率下的抗剪性能测试结果，随试验速率的减小，抗剪强度发生显著降低，混合料黏聚力下降，同时内摩阻角没有明显的变化，说明剪切速率对混合料的黏聚力影响较大。

对于陡坡路段、重载或超载路段，车辆往往行驶速度较慢，车辆轮胎对沥青路面的作用时间就远大于高速行驶状态下，这种情况下轮胎对路表面混合料进行剪切作用的速率就显著降低，致使混合料更容易发生推移、拥包和车辙等剪切性破坏[10]。因此，对于纵坡或重载路段沥青混合料的设计更应该采取有效措施来提高混合料的抗剪强度，以弥补车辆慢速作用下混合料易发生剪切破坏的不足。提高混合料抗剪性能可通过提高混合料本身的抗剪强度控制标准，也可通过添加纤维等可以加筋的外掺材料；对于有机温拌剂的使用应注意掺量的合理选择与控制，可通过与SBS改性剂制备双复合改性沥青来提高混合料的使用性能。