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論文導(dǎo)讀：瀝青混合料的剪切破壞主要是瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不足，在荷載作用下產(chǎn)生變形和剪切推移，致使路面出現(xiàn)過(guò)大的車(chē)轍和擁包等現(xiàn)象。瀝青混合料高溫抗剪強(qiáng)度取決于瀝青混合料的粘聚力c與內(nèi)摩阻角Φ。
關(guān)鍵詞：瀝青混合料，抗剪強(qiáng)度，剪切性能，影響因素分析

　　1、瀝青路面產(chǎn)生破壞的主要原因
　�。�1）夏季高溫時(shí)因抗剪強(qiáng)度不足或塑性變形過(guò)大而引起的高溫破壞；
　�。�2）冬季低溫時(shí)抗拉強(qiáng)度不足或應(yīng)力松弛模量降低太慢而抵抗變形能力較差，引起的溫度開(kāi)裂；
　　（3）瀝青路面經(jīng)受車(chē)輪荷載的反復(fù)作用，長(zhǎng)期處于應(yīng)力應(yīng)變交迭變化狀態(tài)，致使疲勞損傷不斷累積，當(dāng)荷載重復(fù)作用超過(guò)一定的次數(shù)以后，在荷載作用下路面內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力就會(huì)超過(guò)強(qiáng)度下降的結(jié)構(gòu)抗力，使路面產(chǎn)生疲勞破壞。
　　2、瀝青混合料的剪切破壞主要是瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性不足，在荷載作用下產(chǎn)生變形和剪切推移，致使路面出現(xiàn)過(guò)大的車(chē)轍和擁包等現(xiàn)象。因此，多年來(lái)，對(duì)于瀝青混合料的抗剪性能的研究也主要著眼于材料的高溫穩(wěn)定性。
　　3、試驗(yàn)參數(shù)對(duì)剪切試驗(yàn)的影響分析
　　瀝青混合料高溫抗剪強(qiáng)度取決于瀝青混合料的粘聚力c與內(nèi)摩阻角Φ。瀝青混合料的內(nèi)摩阻角主要決定于瀝青混合料的礦料級(jí)配、顆粒形狀、表面特征及瀝青膜厚度等,而粘聚力主要取決于瀝青的性能及瀝青與礦料的相互作用。同時(shí)影響瀝青路面高溫抗剪強(qiáng)度的因素主要包括礦質(zhì)集料特性、級(jí)配、瀝青膠結(jié)料性能、瀝青與礦料之間的相互作用及路面結(jié)構(gòu)與氣候條件。為此,通過(guò)大量室內(nèi)剪切試驗(yàn),分析瀝青混合料的級(jí)配類(lèi)型、級(jí)配走向、油石比、壓實(shí)度與瀝青種類(lèi)等因素對(duì)其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、Φ值的影響,找出其中的相關(guān)影響規(guī)律,為瀝青混合料設(shè)計(jì)、施工控制提供技術(shù)依據(jù)。
　　(1)瀝青混合料的級(jí)配類(lèi)型對(duì)抗剪指標(biāo)c、Φ值的影響
　　采用SBS改性瀝青,對(duì)級(jí)配1~級(jí)配3這3種不同級(jí)配在最佳油石比下成型試件,進(jìn)行剪切試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.1、圖1.2。
　　
　　圖1.1 不同級(jí)配類(lèi)型瀝青混合料c值
　　
　　圖1.2不同級(jí)配類(lèi)型瀝青混合料Φ值
　　圖1.1、圖1.2的試驗(yàn)結(jié)果表明,隨著礦料粒徑的增大,瀝青混合料的粘聚力c值呈下降趨勢(shì),級(jí)配1的c值要大于級(jí)配2和級(jí)配3的。從膠漿理論出發(fā),較細(xì)的集料膠漿能力較強(qiáng),級(jí)配1的集料較級(jí)配2和級(jí)配3細(xì),從而能提供較大的粘聚力。瀝青混合料的摩擦角Φ隨著礦料最大粒徑的增大而減少,即級(jí)配1>級(jí)配2>級(jí)配3,級(jí)配1、級(jí)配2的摩擦角Φ差別不大,級(jí)配3的摩擦角Φ最小。其可能的原因是,在集料形成嵌擠結(jié)構(gòu)的前提下,較細(xì)的集料顆粒之間的接觸點(diǎn)增多,從而摩擦角也會(huì)相應(yīng)的增大。
　　(2)瀝青混合料的油石比對(duì)抗剪指標(biāo)c、Φ值的影響
　　采用級(jí)配1和SBS改性瀝青,在5%、5. 5%、5. 7%、6. 0%與6. 5%這5種油石比下成型試件,進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn),剪切試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1.3、圖1.4。
　　
　　圖1.3 不同油石比瀝青混合料c值
　　
　　圖1.4 不同油石比瀝青混合料Φ值
　　從圖1.3可以看出,對(duì)于瀝青混合料SMA—13,當(dāng)油石比從5%增加到5. 7%,其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c值逐漸增大,當(dāng)油石比為5. 7%時(shí),c值達(dá)到最大,之后c值隨著油石比的增加迅速下降。這表明瀝青混合料的粘結(jié)力在最佳油石比處達(dá)到最大,而瀝青用量一旦超過(guò)最佳油石比,粘結(jié)力迅速減弱。從圖1.4可以看出,對(duì)于改性瀝青混合料SMA—13,隨油石比的增大,其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)Φ值總體呈下降趨勢(shì)。
　　因此,嚴(yán)格控制瀝青混合料的油石比是確保瀝青混合料的抗剪切強(qiáng)度的重要措施。瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、Φ值在最佳油石比時(shí)都達(dá)到最大,當(dāng)油石比小于最佳油石比時(shí), c、Φ值下降不大,當(dāng)油石比大于最佳油石比時(shí), c、Φ值下降很快。
　　(3)瀝青混合料的壓實(shí)度對(duì)抗剪指標(biāo)c、Φ值的影響
　　采用級(jí)配1和SBS改性瀝青,在最佳油石比5.7%下按設(shè)計(jì)空隙率為4%,7%, 10%(換算成壓實(shí)度分別為99.7%、96.5%、94.4%)分別成型試件,進(jìn)行剪切試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1.1
　　表1.1　不同壓實(shí)度的瀝青混合料SMA—13試驗(yàn)結(jié)果
　　
　　壓實(shí)度D與抗剪指標(biāo)c、Φ值的相關(guān)關(guān)系見(jiàn)式(1.1)、式(1.2)。
　　c =15.593×D-1337.0, R =0.990 (1.1)
　　Φ=1.7415×D-140.5, R =0.996 (1.2)
　　從表1.1和式(1.1)、式(1.2)可以看出,對(duì)于改性瀝青混合料SMA—13,其抗剪指標(biāo)c、Φ值都隨著壓實(shí)度的增大而增大,壓實(shí)度減小1%,抗剪指標(biāo)c值減小15.5 kPa,Φ值減少1.74°。這表明壓實(shí)度的大小對(duì)抗剪指標(biāo)c、Φ值的影響十分顯著。
　　(4)瀝青混合料的溫度對(duì)抗剪性能的影響
　　瀝青混合料是一種粘彈塑性材料，其粘結(jié)力受溫度的影響很大。夏天高溫天氣，高速公路連續(xù)重載渠化交通或易急剎車(chē)轉(zhuǎn)彎路口路段，使得瀝青混合料的粘結(jié)力變小，抗剪強(qiáng)度降低。這種情況是對(duì)瀝青混合料剪切作用最不利的溫度荷載組合方式，瀝青混合料也最容易出現(xiàn)塑性流動(dòng)變形或形成車(chē)轍。
　　Superpave規(guī)定采用有效溫度Teff(PD)進(jìn)行試驗(yàn)，Teff(PD)定義為這樣的一個(gè)溫度。在這個(gè)溫度所產(chǎn)生的永久變形損壞的量，與對(duì)于一個(gè)整年內(nèi)分別考慮各個(gè)季節(jié)所產(chǎn)生的永久變形損壞相當(dāng)。在計(jì)算有效溫度Teff(PD)時(shí)，需要確定考慮的瀝青路面層臨界深度Zcr、設(shè)計(jì)的年平均氣溫MAAT設(shè)計(jì)、平均的年平均氣溫
MAAT平均、年平均氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差σ標(biāo)準(zhǔn)差以及由設(shè)計(jì)者根據(jù)項(xiàng)目重要性選定的可靠度水平Kα等參數(shù)。
　　用于永久變形試驗(yàn)的溫度則由式（1.3）確定：
　　Teff(PD)=30.8-0.12Zcr+0.92MAA設(shè)計(jì)（1.3）
　　式中：Teff(PD)——永久變形試驗(yàn)有效溫度（℃）；
　　Zcr——計(jì)算的瀝青混合料層的臨界深度（mm）；
　　MAAT設(shè)計(jì)—— MAAT平均+Kασ標(biāo)準(zhǔn)差；
　　MAAT平均——根據(jù)歷史資料計(jì)算的年平均氣溫的平均值；
　　σ標(biāo)準(zhǔn)差——年平均氣溫的標(biāo)準(zhǔn)差；
　　Kα——保證率系數(shù)。
　　在通常的汽車(chē)荷載條件下，永久變形主要在夏季氣溫高于25℃～30℃左右，即瀝青路面的路表溫度達(dá)到40℃～50℃以上，已經(jīng)達(dá)到或超過(guò)道路瀝青軟化點(diǎn)溫度的情況下容易產(chǎn)生，且隨著溫度升高和荷載的加重，變形愈大。另外，某些地區(qū)在夏季氣溫可達(dá)到40℃～45℃，此時(shí)路面溫度達(dá)到65℃～70℃，雖然持續(xù)時(shí)間不長(zhǎng)但對(duì)路面造成的危害不可忽視，同時(shí)根據(jù)瀝青材料的溫度時(shí)間換算法則，長(zhǎng)時(shí)間承受荷載與高溫條件是等效的，而且時(shí)間是累積的。由于本研究歷史資料等參數(shù)不足，因此，在此采用40℃、50℃、60℃三種溫度均在空隙率4%下進(jìn)行剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1.2。
　　表1.2 不同溫度下的重復(fù)剪切試驗(yàn)結(jié)果
　　

　　
　　圖1.5 溫度對(duì)剪切應(yīng)變的影響
　　從表1.1及圖1.5可以得到，隨著溫度的升高，瀝青混合料剪切應(yīng)變?cè)黾�，抗剪切變形性能下降。溫度�?0℃時(shí)，級(jí)配一重復(fù)剪切5000次后剪切應(yīng)變?yōu)?.44%，級(jí)配二剪切應(yīng)變?yōu)?.84%，級(jí)配三剪切應(yīng)變?yōu)?.75%；溫度為60℃時(shí)，級(jí)配一重復(fù)剪切5000次后剪切應(yīng)變?yōu)?.95%，級(jí)配二剪切應(yīng)變?yōu)?.60%，級(jí)配三重復(fù)剪切5000次后剪切應(yīng)變?yōu)?.47%，永久剪切應(yīng)變迅速增加，說(shuō)明瀝青混合料的溫度對(duì)瀝青混合料的剪切應(yīng)變有著顯著的影響，溫度的升高，瀝青混合料高溫性能下降。
　　(5)加載速率對(duì)瀝青混合料抗剪性能的影響
　　本試驗(yàn)中，分別采用5mm/min、10mm/min、20mm/min、50mm/min四中加載速率進(jìn)行剪切試驗(yàn)，結(jié)果匯總?cè)缦卤?.2，抗剪強(qiáng)度、C、Φ與加載速率之間的關(guān)系分別見(jiàn)圖1.6、圖1.7
　　

表1.2 不同加載速率下的C、Φ值
　　
　　圖1.6 級(jí)配二混合料C值與加載速率的關(guān)系
　　
　　圖1.7 級(jí)配二混合料Φ值與加載速率的關(guān)系
　　由表1.2和圖1.6-圖1.7可以看出，加載速率對(duì)瀝青混合料的強(qiáng)度有較大的影響，隨著加載速率的增大，瀝青混合料強(qiáng)度也隨之增加，C值隨著加載速率的增大而增大，而Φ值隨加載速率的增大變化較小。瀝青混合料作為一種粘-彈性材料，利用剪切試驗(yàn)，能夠反映其內(nèi)在的規(guī)律。
　　5、結(jié)論
　　在對(duì)試驗(yàn)參數(shù)對(duì)剪切試驗(yàn)的影響分析中，論文分別進(jìn)行了主要瀝青混合料的五個(gè)方面研究：級(jí)配類(lèi)型、油石比、壓實(shí)度、溫度、加載速率。這五種因素對(duì)于瀝青混合料的抗剪性能都有較大的影響。但由于受時(shí)間、人力和物力等限制，室內(nèi)的瀝青混合料剪切試驗(yàn)與路上實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)還存在差異，有待進(jìn)一步研究?jī)烧咧�間的差別和聯(lián)系。

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