基于抗剪性能的城市道路瀝青路面材料研究

張超

摘要：對于城市道路瀝青路面建設(shè)的質(zhì)量要求包括：壓實度表面堅實、平整、嵌縫料不得浮于表面或聚積形成一層;經(jīng)壓路機碾壓后，城市道路輪跡深度不能超過5mm。由于城市道路瀝青路面施工技術(shù)應(yīng)用范圍的拓寬，尤其是應(yīng)用在城市道路瀝青路面實踐中瀝青材料抗剪性能的優(yōu)越性已經(jīng)逐漸顯現(xiàn)出來，影響瀝青材料抗剪性能的關(guān)鍵因素包括：瀝青類型、配比、油石比、粗集料針片狀含量以及細(xì)集料棱角性?？辜粜阅茏鳛楹饬繛r青路面材料的重要指標(biāo)，一直是國內(nèi)外重點研究的問題。

關(guān)鍵詞：抗剪性能;瀝青路面材料;材料配比

引言

裂縫是瀝青路面最普遍的一種損壞現(xiàn)象，也是造成瀝青路面早期病害的主要原因之一。路面一旦出現(xiàn)裂縫，隨著行車荷載的反復(fù)作用和自然因素的不斷影響，尤其是地表水的浸入會導(dǎo)致路面強度迅速降低，路面很快就會產(chǎn)生龜裂、坑槽等病害，嚴(yán)重影響路面的使用性能。由于瀝青路面結(jié)構(gòu)始終處在交通荷載的循環(huán)作用下，其破壞主要表現(xiàn)為疲勞破壞特征，利用疲勞斷裂力學(xué)方法分析瀝青路面疲勞開裂，可獲得有價值的結(jié)論。

1、高速公路路面材料中存在的主要問題

（1）路面材料自身存在問題。在高速公路的路面施工中應(yīng)用的礦料非常多，雖然礦料顆粒之間具備一定的黏結(jié)性，但是在受到外界壓力時，顆粒之間的凝結(jié)度會比較差，而且也會出現(xiàn)顆粒的位移，大幅度降低了高速公路路面施工的穩(wěn)定性和可靠性，進(jìn)而造成高速公路路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和承載力下降，也就是說礦料主要應(yīng)用在交通量比較低的公路中。塊料與礦料有很大不同，塊料的堅固性比較好，但是需要用人工進(jìn)行鋪筑，施工成本也比較高，不利于應(yīng)用在高速公路施工中。天然沙礫基層是以砂礫為主要的施工原材料，在當(dāng)前的高速公路路面施工中比較常見，也是應(yīng)用范圍最廣的原材料，為了有效保障材料質(zhì)量和材料性能，需要工作人員加大對天然沙礫基層的顆?？刂?。（2）瀝青路面問題。通常情況下，高速公路施工中是采用瀝青材料，而施工人員需要結(jié)合施工單位提供的各項參數(shù)，準(zhǔn)確配置路面施工中的瀝青混合料，而且需要選取性能優(yōu)越的礦料。在進(jìn)行瀝青材料選擇時，需要根據(jù)施工地的交通條件，氣候特點等合理分析，確保選擇的瀝青種類和標(biāo)號符合施工標(biāo)準(zhǔn)，并能夠在施工完成之后發(fā)揮瀝青材料的價值與作用。避免在高速公路路面施工中出現(xiàn)大面積的車轍，降低路面可能出現(xiàn)的裂縫和凹陷，提升高速公路路面施工穩(wěn)定性，強化施工安全。

2、設(shè)計瀝青路面材料配比

城市道路瀝青路面工程建設(shè)時主要采用瀝青砼進(jìn)行分路幅攤鋪，致力于將接縫位置襯砌更加緊密，防止出現(xiàn)裂縫問題。瀝青路面材料配比作為影響瀝青路面材料抗剪性能的內(nèi)在因素，應(yīng)該根據(jù)我國城市道路圍巖地質(zhì)條件以及施工條件的使用要求，對瀝青原材料進(jìn)行配比調(diào)試。在城市道路瀝青路面工程施工試拌、試鋪的階段做好調(diào)整配置工作。依據(jù)馬歇爾穩(wěn)定度、孔隙率、試件密度以及電流值，繪制馬歇爾試驗指標(biāo)曲線圖。馬歇爾試驗指標(biāo)曲線圖的具體繪制步驟包括：首先，確定城市道路瀝青路面的設(shè)計級配范圍;再對瀝青路面材料進(jìn)行選擇與準(zhǔn)備;通過設(shè)計瀝青路面材料的配比，進(jìn)而確定瀝青最佳使用量。

3、工藝試驗

（1）拌和試驗。首先針對三種級配進(jìn)行粘稠度調(diào)整，調(diào)整方法為外加水，結(jié)果顯示編號1級配外加水量達(dá)2.0%～2.5%后具有以上表現(xiàn);編號2級配外加水量達(dá)1.5%～1.8%后具有以上表現(xiàn);編號3級配外加水量達(dá)1.5%左右后具有以上表現(xiàn)。由此可知，編號3級配用水量更小，控制難度較低，有利于質(zhì)量管理。（2）滲水試驗。首先將冷補材料制成固定結(jié)構(gòu)，后將其放在滲水環(huán)境當(dāng)中，依照《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程》（JTGE60-2008）中T0971-2008進(jìn)行試驗，結(jié)果顯示以上三種冷補材料的滲水值均為0，說明三者都具有良好的防水性能，修復(fù)后可以避免水體對質(zhì)量的影響。

4、計算瀝青路面材料容許剪應(yīng)力

考慮到瀝青路面材料抗剪性能的強弱，是引起城市道路瀝青路面在短期內(nèi)出現(xiàn)裂縫的根本原因。因此，本文以瀝青路面材料配比為控制瀝青路面材料抗剪性能的內(nèi)在因素，對控制瀝青路面材料抗剪性能的外在因素容許剪應(yīng)力進(jìn)行計算。容許剪應(yīng)力主要是由于城市道路瀝青路面承受行車荷載重復(fù)作用條件下，所能夠承受的最大疲勞應(yīng)力。設(shè)瀝青路面材料容許剪應(yīng)力為rR，則其計算公式，如公式（1）所示。rR=rspKsKs=0.011Aa?N0.316f/Ac（1）在公式（1）中，rsp指的是通過單軸貫入試驗確定的瀝青路面材料結(jié)構(gòu)層的剪切強度;Ks指的是瀝青路面材料抗剪強度的結(jié)構(gòu)系數(shù);Aa指的是瀝青路面材料配比系數(shù)，在城市道路瀝青路面的適用范圍下，本文采用配比為1：1;Nf指的是累計軸載作用次數(shù)，為實數(shù);Ac指的是城市道路等級系數(shù)，其中，一級城市道路系數(shù)為1.0;二級城市道路系數(shù)為1.1;三級城市道路系數(shù)為1.2，四級城市道路系數(shù)與三級相同。本文設(shè)計的瀝青路面材料要求其計算出的容許剪應(yīng)力必須小于瀝青路面材料結(jié)構(gòu)層內(nèi)最大剪應(yīng)力，也就是必須滿足瀝青路面材料的抗剪要求。

5、基于垂向載荷的層間抗剪強韌度

每一次實驗，先施加垂向載荷P于試樣的上方，之后逐級加施水平推力T，直至Tmax最大推力出現(xiàn)損壞。沿續(xù)實驗至發(fā)生相對較大的切剪移位為止，以利于獲取切剪損壞后的殘存強韌度特性。考慮車輪在標(biāo)準(zhǔn)載荷作用下的垂向載荷0.7MPa和100%超載時約在1.4MPa，實驗決定取為0.7MPa和14MPa的垂向載荷，分別實施60℃、40℃、25℃的層間切剪實驗。

6、隨荷載次數(shù)的增加勁度模量的變化規(guī)律

從試驗結(jié)果可知，半柔性路面的初始勁度隨著溫度的增加而有所降低。當(dāng)溫度為5°C以及15°C時，半柔性路面的初始勁度受應(yīng)力水平的影響較小，但當(dāng)溫度在40°C時，半柔性路面的初始勁度受應(yīng)力水平的影響較大，隨著不斷增大的應(yīng)力水平，其初始勁度不斷降低。綜上對勁度模量的分析可知，半柔性路面材料在溫度增加時其性能應(yīng)出現(xiàn)了一定的變化，在較高溫度條件下，半柔性路面材料具有較為顯著的柔性特征。半柔性材料在40°C的溫度條件下，隨著不斷增加的荷載，當(dāng)材料出現(xiàn)裂縫時，其勁度模量的降低速度趨于平緩，具有較為平滑的線形變化，表現(xiàn)出漸變的過程。

7、確定瀝青路面材料結(jié)構(gòu)層內(nèi)最大剪應(yīng)力

基于瀝青路面材料的抗剪要求，本文采用BIS?GDFLEWBV5.0計算程序確定瀝青路面材料結(jié)構(gòu)層內(nèi)最大剪應(yīng)力。首先，在BISGDFLEWBV5.0中輸入計算得到的瀝青路面材料容許剪應(yīng)力以及測得的水平力和垂直力;再設(shè)計垂直荷載、rR、軸載以及當(dāng)量圓直徑等參數(shù)。瀝青路面材料各結(jié)構(gòu)層具體參數(shù)，如表1所示。

結(jié)束語

（1）半柔性水泥瀝青混合料可以達(dá)到路面設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，各項試驗性能均展現(xiàn)了較好的結(jié)果，并且對路面車轍的病害方面有著比較明顯的改善。（2）半柔性水泥瀝青混合料的骨料級配十分重要。設(shè)計孔隙率的改變對路面整體性能會帶來十分顯著的影響，隨著設(shè)計孔隙率的增加，半柔性路面材料力學(xué)性能得到提升，質(zhì)地變得更脆。（3）對于實際工程中應(yīng)用的半柔性路面材料，通過嚴(yán)格控制骨料級配、水灰比、施工順序，可以明顯改善其力學(xué)性能，同時改善路面病害。

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