抗車轍劑對(duì)瀝青混合料抗剪性能的影響分析

文/新疆維吾爾自治區(qū)交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院 吳忠輝

一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者及科研單位開(kāi)展了大量關(guān)于車轍的防治研究，主要集中在材料與結(jié)構(gòu)方面。目前，對(duì)于抗車轍劑的研究較少涉及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，我國(guó)現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中并未考慮混合料的抗剪性能。因此，本文選取實(shí)體工程中常用的天怡抗車轍劑及礦料級(jí)配，以混合料抗剪強(qiáng)度為指標(biāo)，采用單軸貫入和圓環(huán)剪切雙重對(duì)比試驗(yàn)，從力學(xué)角度探討抗車轍劑對(duì)瀝青混合料抗剪性能的影響規(guī)律和程度。

試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料及性質(zhì)

瀝青

瀝青混合料采用華特SBS改性瀝青，相關(guān)性能及要求如表1所示，其性能均滿足相關(guān)規(guī)范要求。

抗車轍劑

根據(jù)實(shí)際情況選擇天怡抗車轍劑，研究混合料抗剪性能，其相關(guān)材料參數(shù)如表2所示。

表1 SBS瀝青常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果

表2 抗車轍劑的材料參數(shù)

表3 抗剪參數(shù)表

表4 圓環(huán)剪切試驗(yàn)抗剪參數(shù)表

礦料及級(jí)配

試驗(yàn)所采用的集料為玄武巖，礦粉為石灰?guī)r磨制而成，集料各項(xiàng)指標(biāo)均符合規(guī)范要求。礦料級(jí)配采用AC-13F，最佳油石比為5%。

試驗(yàn)方法

單軸貫入試驗(yàn)

單軸貫入試驗(yàn)采用一半徑為r的壓頭施壓，在半徑為R的圓柱體試件上（r＜R），以此模擬路面受力狀態(tài)，利用力學(xué)三維有限元分析，得出相關(guān)抗剪參數(shù)，如表3所示。以求其抗剪強(qiáng)度，并輔助無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)求解瀝青混合料的C、φ值。

根據(jù)S = C×P求得相應(yīng)的主應(yīng)力及抗剪強(qiáng)度。根據(jù)庫(kù)倫-莫爾強(qiáng)度理論求解出混合料的兩個(gè)重要參數(shù)：黏聚力C和內(nèi)摩擦角 。單軸貫入試驗(yàn)的C和公式為：

圖1 不同抗車轍劑摻量的抗剪強(qiáng)度

圖2 不同抗車轍劑摻量的內(nèi)摩擦角

圖3 不同抗車轍劑摻量的內(nèi)摩擦角

圓環(huán)剪切試驗(yàn)

其原理為采用小于試件尺寸的壓頭和圓環(huán)支座對(duì)圓柱形試件加載模擬實(shí)際路面的受力情況。試件剪切破壞時(shí)能出現(xiàn)明顯的剪切錐形破壞面。其基本公式原理與單軸貫入試驗(yàn)相似，強(qiáng)度參數(shù)如表4所示。

試件制備

由于兩種試驗(yàn)方法所要求的試件尺寸及成型方法不一，故為了更好地反映瀝青混合料性能，避免因試件成型方式不同對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，采用統(tǒng)一的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方式成型試件。

抗車轍劑的摻量根據(jù)試件總質(zhì)量的0%、1%、2%、3%、4%、5%。先將抗車轍劑與集料置于瀝青混合料的拌和鍋中，在170℃～180℃的溫度下干拌120s，使抗車轍劑軟化，待充分?jǐn)嚢韬罄^續(xù)加入瀝青拌和120s，最后加入礦粉攪拌120s，待攪拌完全后立即裝入試模內(nèi)成型試件。試驗(yàn)前將試件置于60℃恒溫箱中保溫6h。待養(yǎng)護(hù)結(jié)束后立即開(kāi)始剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度與試件保溫溫度一致，加載速度為1mm/min。

試驗(yàn)結(jié)果分析與探討

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果如圖1至圖3所示。

由圖1至圖3可知，兩種試驗(yàn)結(jié)果均表明，抗車轍劑的添加可顯著提升瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度，抗剪強(qiáng)度隨著抗車轍劑摻量的增加而增大，當(dāng)抗車轍劑摻量＞3%時(shí),抗剪強(qiáng)度趨于平緩。抗車轍劑的添加對(duì)混合料抗剪強(qiáng)度的提升，主要在于增加混合料的黏聚力對(duì)于內(nèi)摩擦角的提升幅度不大。一方面，抗車轍劑的加入吸收了瀝青輕質(zhì)組分，起到了增黏的效果，提升瀝青的彈性性能，同時(shí)新形成的抗車轍劑改性瀝青包裹于礦料顆粒表面，強(qiáng)化集料顆粒之間的黏結(jié)；另一方面，部分未融化的抗車轍劑在混合料拌和過(guò)程中受顆粒的嵌擠而被拉絲形成空間網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而約束了混合料內(nèi)部集料的滑動(dòng)。故隨著抗車轍劑摻量的增加，混合料的黏聚力不斷增大，抗剪性能不斷提升。

對(duì)于混合料的內(nèi)摩擦角，由于所選級(jí)配為懸浮密實(shí)結(jié)構(gòu)，粗集料相對(duì)較少而細(xì)集料較多，在混合料拌和過(guò)程中，抗車轍劑處于黏流狀態(tài)，細(xì)集料將會(huì)以未融化的抗車轍劑為核心聚集，形成較大顆粒的聚集團(tuán)，間接增大了混合料中粗集料比重，故混合料的內(nèi)摩擦角隨著抗車轍劑的增加而有所增大，但限于所選級(jí)配中細(xì)集料比重較大，再者所形成的以抗車轍劑為核心的聚集團(tuán)無(wú)法充分起到真正粗集料的骨架支撐作用，故抗車轍劑的加入對(duì)混合料的內(nèi)摩擦角提升作用并不顯著。

圓環(huán)剪切試驗(yàn)和單軸貫入試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律基本相似，其區(qū)別在于，圓環(huán)剪切試驗(yàn)得到的內(nèi)摩擦角較單軸貫入試驗(yàn)的大13%左右，而內(nèi)摩擦角的則相反，這是因?yàn)閮煞N試驗(yàn)方法的底座不同，受壓時(shí)試件所受的圍壓不同，進(jìn)而試件內(nèi)部受力情況有所差異?？傮w上兩種試驗(yàn)結(jié)果的抗剪強(qiáng)度差值均在5%以內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果及變化規(guī)律基本一致，保證了試驗(yàn)結(jié)果的可靠性。

結(jié)語(yǔ)

抗車轍劑的加入可顯著提升混合料的抗剪性能，抗剪強(qiáng)度的增加主要在于增加瀝青混合料的黏聚力，而內(nèi)摩擦角的提升較為有限；瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度隨著抗車轍摻量的增加而不斷增大，當(dāng)摻量大于3%時(shí)，抗車轍摻量的增加對(duì)混合料抗剪強(qiáng)度的改善效果增幅不大，故僅從瀝青混合料高溫穩(wěn)定性能的角度，推薦抗車轍劑的最佳摻量為3%。