瀝青混凝土高溫剪切行為參數(shù)研究

方寅兵

（蘭溪市公路管理段，浙江 金華 321100）

0 引言

到2015年底，我國高速公路通車總里程已經(jīng)達到了12.537萬km，在使得人們生活更加便利的同時也加重了交通負擔。由于汽車數(shù)量不斷增加、交通量越來越大，交通渠化帶來的病害問題越來越嚴重。我國所特有的超載和重載問題使我國的高速公路使用壽命大大減小并形成了各種破壞類型，其中車轍即為最主要的病害之一[1]。在城市道路和干線公路交叉路口段、行車渠化段以及高速公路上坡路段等區(qū)域極易出現(xiàn)車轍。車轍是瀝青路面所特有的損壞現(xiàn)象，車轍病害不但會削弱路面結(jié)構(gòu)的整體強度，而且還會導致瀝青路面的抗滑性能下降，影響車輛的行駛安全[2-3]。因此，針對車轍機理開展研究，對確保瀝青混凝土路面的使用質(zhì)量，提高其使用壽命以及路面行車安全性具有重要意義。

由于我國的瀝青混凝土路面一般采用半剛性基層，因此車轍主要發(fā)生在瀝青混凝土的面層。研究表明抗剪強度較低是實際路面出現(xiàn)車轍失穩(wěn)性破壞的重要因素，因而對材料抗剪強度的測定顯得尤為重要[4-5]。目前，規(guī)范中還未寫入對材料抗剪強度試驗的具體要求，通常研究者們利用三軸壓縮試驗來獲得材料參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ來表征其抗剪性能[6-8]。但三軸試驗的條件較苛刻、操作較復雜，且室內(nèi)試驗條件與實際路面受力條件還有許多不同。因此，本文結(jié)合無側(cè)限抗壓強度試驗和單軸貫入試驗，對材料剪切性能參數(shù)的獲取開展研究，探究其離散性以及試驗可操作性，以便為瀝青混合料抗剪性能試驗方法的選擇提出建議。

1 原材料與試件

本次研究選用的瀝青為S B S改性瀝青，粗集料為玄武巖，細集料和礦粉均為石灰?guī)r，材料的性能指標符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》（JTGE20—2011）的要求。所選瀝青混凝土級配為我國公路路面上面層常用的AC-13，各級粒徑下集料的通過率見表1；油石比為4.9%，目標空隙率為4.2。試驗儀器均采用萬能材料試驗機（U TM-25），溫度均設置為 60 ℃[9]。

表1 混合料設計參數(shù)

采用瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實儀成型試件。首先成型 ?150mm×150mm的瀝青混合料試件，之后利用瀝青混合料切割機取芯，可得直徑及高度均為100mm的圓柱型試件，用于無側(cè)限抗壓強度試驗和單軸貫入試驗。為使得試驗結(jié)果較為精準及合理，2種試驗均做3組平行試驗，并取平均值作為最終結(jié)果進行后續(xù)分析及計算。

2 無側(cè)限抗壓強度試驗

無側(cè)限抗壓強度試驗是僅僅對試件施加豎向的壓力，試驗過程中壓頭的壓力不斷增大，當達到其極限值后壓力開始減小，此時試件已經(jīng)破壞，則將測得的最大壓力作為試件的無側(cè)限抗壓強度值。

啟動U TM（萬能材料試驗機），將其內(nèi)部溫度設定為60℃，并打開電腦中的統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)U T S。將切割好的試件放入U TM室內(nèi)，讓其在60℃下恒溫4 h。調(diào)整U TM，分別對試件1、2、3進行加載，加載速率為2mm/min。利用U T S采集數(shù)據(jù)，可得到這3個試件的應力隨時間的變化曲線（示例見圖1）以及最大主應力值P，進而可通過式（1）計算得到其無側(cè)限抗壓強度值σu，結(jié)果見表2。由表2可知：試驗測得的數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，離散性較小。

圖1 試件2的軸向荷載變化圖

表2 無側(cè)限抗壓強度試驗結(jié)果

根據(jù)應力摩爾圓受力情況，無側(cè)限受壓破壞狀態(tài)下試件的最小主應力σ3=0MPa，最大主應力σ1=1.20MPa。

3 單軸貫入試驗

目前，研究者多數(shù)仍通過三軸試驗來獲得材料的抗剪參數(shù)值。然而，三軸試驗所提供的圍壓也僅僅是一個定值，其與實際路面的受力狀態(tài)差別較大。為了使室內(nèi)試驗所提供的圍壓更符合實際情況，研究者提出了單軸貫入試驗方法。本次研究選用了畢玉峰等[10]提出的單軸貫入試驗方法，并以此結(jié)合無側(cè)限抗壓強度試驗來獲得材料的抗剪強度參數(shù)c、φ值。

單軸貫入試驗與無側(cè)限抗壓強度試驗的試驗設備、試件及過程基本相同，只是改變了加載所用壓頭的大小。本文單軸貫入試驗選用直徑為28.5mm的壓頭。其通過材料自身來提供圍壓，使試驗中圍壓更符合實際情況，且研究者已經(jīng)利用三維有限元計算出了抗剪強度參數(shù)，研究只需通過試驗測得貫入破壞時壓頭提供的最大壓應力值，再乘以相應系數(shù)即可求出三軸狀態(tài)下的主應力值。具體可用式（2）表示：

式中：S表示所求的各應力值，具體為最大主應力σ1、最小主應力σ3和剪應力τ；Ci表示強度參數(shù)（i=1，13，子），具體數(shù)值見表 3（貫入強度為 1MPa）；P＇為試驗所得的最大貫入壓應力值。

3組平行試驗的應力隨時間的變化曲線示例見圖2，進而可根據(jù)最大主應力值P＇（見表4），通過式（2）計算出最大、最小主應力σ1和σ3。由結(jié)果可知：試驗測得的數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，離散性較小。

圖2 試件6的軸向荷載變化圖

根據(jù)應力摩爾圓受力情況，單軸貫入破壞狀態(tài)下試件的 σ3=C3×P＇=0.256 8 MPa，σ1=C1×P＇=2.253 3MPa。

表4 單軸貫入試驗結(jié)果

4 抗剪強度參數(shù)

以莫爾-庫倫理論為前提，將上述2個試驗獲得的莫爾圓力學參數(shù)在同一個坐標系下進行表示，如圖3所示。通過增設輔助線，采用幾何求解可得材料的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ的計算公式，如式（3）、式（4）所示。

圖3 c、φ值求解示意圖

式中：σ1=2.253 3MPa，σ3=0.256 8MPa，σu=1.20 MPa，代入式（3）和式（4）可得：φ=37.44°，c=0.296 3 MPa。

由此可得試件在無側(cè)限受壓破壞時破壞面上的剪應力τ0為：

試件在單軸貫入破壞時破壞面上的剪應力τ'0為：

5 結(jié)語

（1）介紹了通過無側(cè)限抗壓強度試驗和貫入試驗來研究瀝青混合料抗剪強度參數(shù)的原理及方法，為后續(xù)抗剪性能試驗的選擇提供了參考。

（2）無側(cè)限抗壓強度試驗與貫入試驗的測試結(jié)果均比較穩(wěn)定，數(shù)值的離散性較小，試驗方法較可靠。

（3）本文的研究進一步證明了相比條件苛刻、操作復雜的三軸試驗，無側(cè)限抗壓強度試驗與貫入試驗的結(jié)合使用更加方便可行。