細(xì)集料對(duì)AC-13瀝青混合料抗剪切性能的影響分析

（蘇交科集團(tuán)檢測(cè)認(rèn)證有限公司，江蘇 南京 211112）

1 概述

當(dāng)前，瀝青路面在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多問題，其中最為主要的問題是由于夏季高溫作用，使路面出現(xiàn)車轍病害。車轍病害不但會(huì)威脅到車輛行車安全性，產(chǎn)生安全事故，還會(huì)降低路面性能，對(duì)車輛行駛舒適性造成影響。以其成因?yàn)橐罁?jù)，將車轍分為如下四種：“失穩(wěn)型”、“磨耗型”、“壓密型”以及“結(jié)構(gòu)型”。當(dāng)前我國(guó)瀝青路面最常見的一種車轍病害為“失穩(wěn)型”車轍，該種病害產(chǎn)生的主要原因是，瀝青混合料受到長(zhǎng)年累月的剪切應(yīng)力而變形，進(jìn)而形成一種“W”形橫斷面的流動(dòng)性車轍，也就是車輛輪胎兩側(cè)及下方路面會(huì)出現(xiàn)上凸和下凹兩種形態(tài)。對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)流動(dòng)性車轍產(chǎn)生的根本原因?yàn)椋涸诩魬?yīng)力的不斷作用后，瀝青混合料出現(xiàn)了剪切疲勞破壞，這時(shí)混合料會(huì)沿著剪切面進(jìn)行移動(dòng)，最終形成路面車轍，影響行車安全和穩(wěn)定。在瀝青混合料中，最主要的組成部分為細(xì)集料，不同細(xì)集料的粒度組成、力學(xué)特性以及物理特性都各不相同，由于瀝青混合料中的細(xì)集料不同，因此其水穩(wěn)定性和高溫穩(wěn)定性也不盡相同。當(dāng)前使用較為廣泛的細(xì)集料主要有機(jī)制砂、石屑以及天然砂，本文在這三種細(xì)集料的基礎(chǔ)上，對(duì)瀝青混合料（不同細(xì)集料組成）進(jìn)行研究，分析其抗剪強(qiáng)度，并對(duì)細(xì)集料的影響規(guī)律進(jìn)行研究，最終得出最佳的細(xì)集料配比方案。

2 試驗(yàn)所需材料及方法

2.1 試驗(yàn)材料

本研究中所選擇的瀝青混合料為AC-13，根據(jù)我國(guó)的相關(guān)規(guī)范對(duì)該混合料中所使用的玄武巖粗集料和石灰?guī)r礦粉，玄武巖石屑、石英砂及石灰?guī)r機(jī)制砂等細(xì)集料進(jìn)行選擇。瀝青為SBS 改性瀝青，其指標(biāo)如下：在25℃時(shí)，針入度為58（0.01mm）；軟化點(diǎn)為85℃；5℃時(shí)，延度為30cm。

為了對(duì)天然砂、石屑以及機(jī)制砂的影響特點(diǎn)進(jìn)行分析，本文選擇石屑瀝青混合料作為依據(jù)，對(duì)其實(shí)施馬歇爾試驗(yàn)，最終得出4.3%為混合料的最佳油石比。

2.2 試驗(yàn)中使用設(shè)備

試驗(yàn)中所采用的TSZ 全自動(dòng)三軸儀生產(chǎn)廠家為寧曦土壤儀器有限公司，圖1為儀器圖。在對(duì)試驗(yàn)中數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和控制時(shí)，主要借助TWJ 數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)完成，使TSZ 全自動(dòng)三軸儀試驗(yàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平進(jìn)一步提高。

圖1 TSZ 全自動(dòng)三軸儀

2.3 主要試驗(yàn)方法

采用擊實(shí)法成型對(duì)本實(shí)驗(yàn)中的馬歇爾試件進(jìn)行處理，試驗(yàn)溫度為25℃，試件大小φ101.6×63.5mm，試驗(yàn)圍壓分別為150kPa、100kPa 及50kPa，加載速率為1.20mm/min。在試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)人員應(yīng)先在三軸壓力室底座上放置試件，再在試件上套上橡皮膜，為了使橡皮膜的密封嚴(yán)實(shí)性得到保障，技術(shù)人員還應(yīng)用數(shù)根橡皮筋對(duì)已套上的橡皮膜試件兩端進(jìn)行箍緊處理，最后對(duì)壓力室進(jìn)行密封處理，并開始試驗(yàn)。

在僅從三軸試驗(yàn)的過(guò)程中，試件受到三個(gè)方向的力，所受的兩個(gè)主應(yīng)力相等，沿著試件徑向的壓力為均勻分布，對(duì)道路路面的實(shí)際受力情況加以模擬。三軸試驗(yàn)是將瀝青混合料假設(shè)為各向同性均質(zhì)體，混凝土的抗剪性能研究主要依據(jù)為摩爾理論，也就是由于顆粒間剪切滑移的存在會(huì)使材料被破壞。

以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，對(duì)極限平衡狀態(tài)下的材料進(jìn)行分析，可得到一個(gè)應(yīng)力圓，與此同時(shí)，將該應(yīng)力圓作為依據(jù)可以構(gòu)成相應(yīng)的包絡(luò)線，便于對(duì)材料庫(kù)倫方程抗剪強(qiáng)度規(guī)律進(jìn)行表示，并對(duì)材料的抗剪參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，最終得出混合料的抗剪強(qiáng)度τ，計(jì)算公式如式（1）：

3 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)果分析

3.1 不同細(xì)集料對(duì)AC-13 瀝青混凝土抗剪切性能的主要影響

對(duì)不同細(xì)集料所構(gòu)成的AC-13 瀝青混合料進(jìn)行擊實(shí)成型，形成相應(yīng)的試件，并對(duì)試件進(jìn)行三軸試驗(yàn)，最后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行觀察和分析，得出不同細(xì)集料對(duì)瀝青混合料抗剪切性能的主要影響。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)可知機(jī)制砂、天然砂及石屑三種不同類型細(xì)集料對(duì)瀝青混合料試件有效瀝青飽和度、礦料間隙率以及空隙率等相關(guān)參數(shù)的影響。

通過(guò)不同細(xì)集料條件下的瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)可知，剪力峰值所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變，對(duì)機(jī)制砂、天然砂及石屑瀝青混合料進(jìn)行處理后，可得到如表1的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

表1 不同細(xì)集料條件下 AC-13 三軸試驗(yàn)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

對(duì)表1進(jìn)行分析可知，在常溫條件下，石屑、天然砂以及機(jī)制砂所制成的混合料內(nèi)摩擦角為從小到大分布，這與三者的棱角性排序一致，由此可知，為了使瀝青混合料的內(nèi)摩擦角增加，技術(shù)人員可以適當(dāng)提高細(xì)集料的棱角性；三種細(xì)集料中粘結(jié)力最小的為機(jī)制砂瀝青混合料，其次為天然砂瀝青混合料，而石屑瀝青混合料粘結(jié)力最大。

3.2 基于AC-13 瀝青混凝土抗剪切性能的細(xì)集料的優(yōu)化

為了使AC-13 瀝青混凝土的抗剪切性能進(jìn)一步提高，技術(shù)人員可以對(duì)細(xì)集料進(jìn)行優(yōu)化，按照2：1、1：1 以及1：2 的機(jī)制砂和天然砂比例進(jìn)行摻配，并對(duì)擊實(shí)成型的瀝青混凝土試件的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，對(duì)最優(yōu)的細(xì)集料組成配合比進(jìn)行確定。

通過(guò)試驗(yàn)可以得到三種比例條件下的各瀝青混凝土試件的相關(guān)指標(biāo)，也可知三種瀝青混凝土剪力峰值所對(duì)應(yīng)的軸向應(yīng)變，對(duì)其進(jìn)行處理后，表2為瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，其中，表中的 I、II、III 代表天然砂摻量與機(jī)制砂摻量的比值為2：1、1：1 以及1：2。

表2 不同細(xì)集料摻量比例下AC-13 瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)可知，與只摻加一種材料的結(jié)論相似，當(dāng)機(jī)制砂含量增加時(shí)，瀝青混合料的內(nèi)摩擦角會(huì)隨之增加，以細(xì)集料和粗集料、瀝青之間復(fù)雜的相互作用關(guān)系為依據(jù)，為了使配合比達(dá)到最優(yōu)，應(yīng)該選擇粘結(jié)力以及內(nèi)摩擦角都較大的配比，通過(guò)分析，當(dāng)天然砂和機(jī)制砂之間的摻量比例為1：1 時(shí)，此時(shí)的AC-13 瀝青混凝土配比最佳。

4 結(jié)束語(yǔ)

本實(shí)驗(yàn)以庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則作為主要的理論技術(shù)，對(duì)常溫條件下的瀝青混合料進(jìn)行三軸試驗(yàn)，得到瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，并分析不同細(xì)集料對(duì)指標(biāo)的影響，得到如下結(jié)論：

（1）對(duì)常溫下三種細(xì)集料所制成的瀝青混合料進(jìn)行試驗(yàn)可知，石屑、天然砂以及機(jī)制砂三種細(xì)集料所制成的瀝青混合料的內(nèi)摩擦角依次增大，這與三者的棱角性大小一致，因此可知為了提高瀝青混合料的內(nèi)摩擦角可以適當(dāng)提高細(xì)集料的棱角性；粘結(jié)力從大到小的排序?yàn)椋菏紴r青混合料、天然砂瀝青混合料、機(jī)制砂瀝青混合料。

（2）對(duì)不同摻量比例的機(jī)制砂和天然砂進(jìn)行試驗(yàn)可知，當(dāng)機(jī)制砂的摻量越大時(shí)，瀝青混合料的內(nèi)摩擦角就會(huì)越大，但是綜合考慮粘結(jié)力和內(nèi)摩擦角，當(dāng)天然砂和機(jī)制砂摻量比例為1：1 時(shí)，AC-13 瀝青混合料性能最佳。