细集料对AC-13沥青混合料抗剪切性能的影响分析

（苏交科集团检测认证有限公司，江苏 南京 211112）

1 概述

当前，沥青路面在使用过程中会出现很多问题，其中最为主要的问题是由于夏季高温作用，使路面出现车辙病害。车辙病害不但会威胁到车辆行车安全性，产生安全事故，还会降低路面性能，对车辆行驶舒适性造成影响。以其成因为依据，将车辙分为如下四种：“失稳型”、“磨耗型”、“压密型”以及“结构型”。当前我国沥青路面最常见的一种车辙病害为“失稳型”车辙，该种病害产生的主要原因是，沥青混合料受到长年累月的剪切应力而变形，进而形成一种“W”形横断面的流动性车辙，也就是车辆轮胎两侧及下方路面会出现上凸和下凹两种形态。对比分析国内外研究发现流动性车辙产生的根本原因为：在剪应力的不断作用后，沥青混合料出现了剪切疲劳破坏，这时混合料会沿着剪切面进行移动，最终形成路面车辙，影响行车安全和稳定。在沥青混合料中，最主要的组成部分为细集料，不同细集料的粒度组成、力学特性以及物理特性都各不相同，由于沥青混合料中的细集料不同，因此其水稳定性和高温稳定性也不尽相同。当前使用较为广泛的细集料主要有机制砂、石屑以及天然砂，本文在这三种细集料的基础上，对沥青混合料（不同细集料组成）进行研究，分析其抗剪强度，并对细集料的影响规律进行研究，最终得出最佳的细集料配比方案。

2 试验所需材料及方法

2.1 试验材料

本研究中所选择的沥青混合料为AC-13，根据我国的相关规范对该混合料中所使用的玄武岩粗集料和石灰岩矿粉，玄武岩石屑、石英砂及石灰岩机制砂等细集料进行选择。沥青为SBS 改性沥青，其指标如下：在25℃时，针入度为58（0.01mm）；软化点为85℃；5℃时，延度为30cm。

为了对天然砂、石屑以及机制砂的影响特点进行分析，本文选择石屑沥青混合料作为依据，对其实施马歇尔试验，最终得出4.3%为混合料的最佳油石比。

2.2 试验中使用设备

试验中所采用的TSZ 全自动三轴仪生产厂家为宁曦土壤仪器有限公司，图1为仪器图。在对试验中数据进行采集和控制时，主要借助TWJ 数据采集处理系统完成，使TSZ 全自动三轴仪试验系统的自动化水平进一步提高。

图1 TSZ 全自动三轴仪

2.3 主要试验方法

采用击实法成型对本实验中的马歇尔试件进行处理，试验温度为25℃，试件大小φ101.6×63.5mm，试验围压分别为150kPa、100kPa 及50kPa，加载速率为1.20mm/min。在试验过程中，试验人员应先在三轴压力室底座上放置试件，再在试件上套上橡皮膜，为了使橡皮膜的密封严实性得到保障，技术人员还应用数根橡皮筋对已套上的橡皮膜试件两端进行箍紧处理，最后对压力室进行密封处理，并开始试验。

在仅从三轴试验的过程中，试件受到三个方向的力，所受的两个主应力相等，沿着试件径向的压力为均匀分布，对道路路面的实际受力情况加以模拟。三轴试验是将沥青混合料假设为各向同性均质体，混凝土的抗剪性能研究主要依据为摩尔理论，也就是由于颗粒间剪切滑移的存在会使材料被破坏。

以试验结果为依据，对极限平衡状态下的材料进行分析，可得到一个应力圆，与此同时，将该应力圆作为依据可以构成相应的包络线，便于对材料库伦方程抗剪强度规律进行表示，并对材料的抗剪参数进行计算，最终得出混合料的抗剪强度τ，计算公式如式（1）：

3 试验结果及结果分析

3.1 不同细集料对AC-13 沥青混凝土抗剪切性能的主要影响

对不同细集料所构成的AC-13 沥青混合料进行击实成型，形成相应的试件，并对试件进行三轴试验，最后对试验结果进行观察和分析，得出不同细集料对沥青混合料抗剪切性能的主要影响。经过试验可知机制砂、天然砂及石屑三种不同类型细集料对沥青混合料试件有效沥青饱和度、矿料间隙率以及空隙率等相关参数的影响。

通过不同细集料条件下的沥青混合料进行试验可知，剪力峰值所对应的轴向应变，对机制砂、天然砂及石屑沥青混合料进行处理后，可得到如表1的抗剪强度参数。

表1 不同细集料条件下 AC-13 三轴试验的抗剪强度参数

对表1进行分析可知，在常温条件下，石屑、天然砂以及机制砂所制成的混合料内摩擦角为从小到大分布，这与三者的棱角性排序一致，由此可知，为了使沥青混合料的内摩擦角增加，技术人员可以适当提高细集料的棱角性；三种细集料中粘结力最小的为机制砂沥青混合料，其次为天然砂沥青混合料，而石屑沥青混合料粘结力最大。

3.2 基于AC-13 沥青混凝土抗剪切性能的细集料的优化

为了使AC-13 沥青混凝土的抗剪切性能进一步提高，技术人员可以对细集料进行优化，按照2：1、1：1 以及1：2 的机制砂和天然砂比例进行掺配，并对击实成型的沥青混凝土试件的抗剪强度进行测试，对最优的细集料组成配合比进行确定。

通过试验可以得到三种比例条件下的各沥青混凝土试件的相关指标，也可知三种沥青混凝土剪力峰值所对应的轴向应变，对其进行处理后，表2为沥青混合料的抗剪强度参数，其中，表中的 I、II、III 代表天然砂掺量与机制砂掺量的比值为2：1、1：1 以及1：2。

表2 不同细集料掺量比例下AC-13 沥青混合料的抗剪强度参数

根据试验可知，与只掺加一种材料的结论相似，当机制砂含量增加时，沥青混合料的内摩擦角会随之增加，以细集料和粗集料、沥青之间复杂的相互作用关系为依据，为了使配合比达到最优，应该选择粘结力以及内摩擦角都较大的配比，通过分析，当天然砂和机制砂之间的掺量比例为1：1 时，此时的AC-13 沥青混凝土配比最佳。

4 结束语

本实验以库伦强度准则作为主要的理论技术，对常温条件下的沥青混合料进行三轴试验，得到沥青混合料的抗剪强度指标，并分析不同细集料对指标的影响，得到如下结论：

（1）对常温下三种细集料所制成的沥青混合料进行试验可知，石屑、天然砂以及机制砂三种细集料所制成的沥青混合料的内摩擦角依次增大，这与三者的棱角性大小一致，因此可知为了提高沥青混合料的内摩擦角可以适当提高细集料的棱角性；粘结力从大到小的排序为：石屑沥青混合料、天然砂沥青混合料、机制砂沥青混合料。

（2）对不同掺量比例的机制砂和天然砂进行试验可知，当机制砂的掺量越大时，沥青混合料的内摩擦角就会越大，但是综合考虑粘结力和内摩擦角，当天然砂和机制砂掺量比例为1：1 时，AC-13 沥青混合料性能最佳。