不同黏結(jié)層瀝青路面層間抗剪性能研究

蘇連虎

（呂梁市交通運(yùn)輸局，山西 呂梁 033000）

0 引言

隨著我國(guó)交通運(yùn)輸和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，道路交通量日益增加，重載和交通渠化更加突出，由于層間結(jié)合差引起的路面推移、擁包病害較多，許多公路在通車不久之后就發(fā)生了較為嚴(yán)重的車轍破壞[1-4]。路面車轍不僅縮短了道路的使用壽命，而且對(duì)行車安全提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[5-6]。瀝青路面車轍不僅與交通荷載和環(huán)境因素有關(guān)，而且取決于路面的材料和結(jié)構(gòu)特性，其中瀝青混合料層中的剪切力和抗剪強(qiáng)度的比值會(huì)嚴(yán)重影響路面的抗車轍性能。如何提高瀝青混合料層間的抗剪切性能，是提高路面耐久性，防止路面過(guò)早發(fā)生車轍破壞的主要手段?；诖耍瑸樘岣呗访鎸娱g結(jié)合黏結(jié)效果，本文通過(guò)試驗(yàn)，研究了油石比、加載速率、溫度、層間結(jié)合料種類和用量對(duì)瀝青路面層間抗剪性能的影響，為防止路面發(fā)生車轍破壞提供理論基礎(chǔ)。

1 原材料與試驗(yàn)方法

1.1 原材料

本文基質(zhì)瀝青采用A級(jí)70號(hào)瀝青，其主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示，SBR改性瀝青和SBR改性乳化瀝青均采用A級(jí)70號(hào)瀝青自制；粗細(xì)集料均選用玄武巖，礦粉選用磨細(xì)的石灰石粉，集料和礦粉都有良好的物理力學(xué)性能，混合料級(jí)配選用SMA-13，其合成級(jí)配如表2所示。

表1 基質(zhì)瀝青的基本技術(shù)指標(biāo)

表2 瀝青混合料合成級(jí)配 %

1.2 試件制備及測(cè)試

首先采用擊實(shí)法成型一層32±0.5 mm的試件，待試件冷卻之后在其表面均勻涂抹一層層間結(jié)合料，然后再取與前一層相同質(zhì)量的瀝青混合料，以相同的擊實(shí)次數(shù)成型。將成型好的試件采用直接剪切試驗(yàn)，測(cè)試不同加載速率和不同溫度條件下的層間抗剪強(qiáng)度，評(píng)價(jià)瀝青路面的層間抗剪性能。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 油石比對(duì)抗剪性能的影響

以基質(zhì)瀝青為層間黏結(jié)層，保持其用量為0.6 kg/m2不變，分別測(cè)定在一定溫度和加載速率下，不同油石比（3.5%、4.0%、4.5%、5.0%和 5.5%）時(shí)瀝青路面的層間抗剪強(qiáng)度，研究油石比對(duì)抗剪性能的影響，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 油石比對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

從圖1可以看出，隨著油石比的增大，瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，當(dāng)油石比為4.0%時(shí)，瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值，此時(shí)層間抗剪強(qiáng)度為0.472 MPa。造成這一現(xiàn)象的主要原因?yàn)?，?dāng)瀝青用量較小時(shí)，瀝青不足以形成結(jié)構(gòu)瀝青對(duì)礦料顆粒起到黏結(jié)作用，隨著油石比的增大，結(jié)構(gòu)瀝青充分地裹覆在礦料表面，起到了較大的黏結(jié)作用，因此外力作用下的抗剪切性能逐漸增強(qiáng)。當(dāng)油石比大于4.0%時(shí)，隨著瀝青用量的增多，礦料顆粒之間的內(nèi)摩擦角逐漸減小，外力作用下瀝青混合料更容易發(fā)生剪切破壞，另一方面過(guò)多的瀝青在混合料顆粒之間起到潤(rùn)滑作用，因此瀝青混合料的抗剪切性能反而降低。

2.2 加載速率對(duì)抗剪性能的影響

以基質(zhì)瀝青為層間黏結(jié)層，保持其用量為0.6 kg/m2不變，分別測(cè)定在一定溫度和油石比下，不同加載速率（5 mm/min、10 mm/min、20 mm/min 和50 mm/min）時(shí)瀝青路面的層間抗剪強(qiáng)度，研究加載速率對(duì)抗剪性能的影響，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 加載速率對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

從圖2可以看出，隨著加載速率的增大，瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)加載速率大于20 mm/min后，抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。這主要是因?yàn)椋瑸r青混合料為典型的黏彈性材料，在荷載作用下會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變滯后于應(yīng)力的現(xiàn)象，當(dāng)加載速率較小時(shí)，應(yīng)力逐漸在瀝青路面內(nèi)部傳遞，傳遞至層間時(shí)瀝青層之間會(huì)發(fā)生明顯的剪切變形，而隨著加載速率的增大，瀝青路面剪切變形的響應(yīng)時(shí)間變短，甚至來(lái)不及響應(yīng)，應(yīng)力已經(jīng)由面層傳遞下去，因此抗剪性能隨之增強(qiáng)。

2.3 溫度對(duì)抗剪性能的影響

以基質(zhì)瀝青為層間黏結(jié)層，保持其用量為0.6 kg/m2不變，分別測(cè)定在一定油石比和加載速率下，不同溫度（15℃、25℃、45℃和60℃）時(shí)瀝青路面的層間抗剪強(qiáng)度，研究溫度對(duì)抗剪性能的影響，具體試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

從圖3可以看出，隨著溫度的升高，瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度逐漸降低，尤其是當(dāng)溫度高于45℃后，抗剪強(qiáng)度隨溫度的升高急劇降低。解釋其原因主要為，瀝青混合料是典型的感溫性材料（溫度敏感型材料），溫度降低時(shí)變硬，溫度升高時(shí)變軟，隨著溫度的升高，瀝青黏度逐漸減小，在瀝青混合料內(nèi)部形成的黏聚力隨之降低，因此荷載作用下瀝青混合料抗剪切破壞的能力逐漸下降，當(dāng)溫度超過(guò)45℃后，瀝青軟化較明顯，在荷載作用下瀝青混合料抗剪切破壞的能力急劇下降，因此層間抗剪強(qiáng)度大幅降低。

2.4 層間結(jié)合料類型和用量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

為了對(duì)比使用不同層間結(jié)合料時(shí)，瀝青路面的層間抗剪性能的差異，在保持測(cè)試條件不變時(shí)，分別測(cè)定以基質(zhì)瀝青、SBR改性瀝青和SBR改性乳化瀝青為層間結(jié)合料時(shí)，層間抗剪強(qiáng)度隨結(jié)合料用量的變化曲線，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 層間結(jié)合料類型和用量對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

從圖4可以看出，當(dāng)以基質(zhì)瀝青和SBR改性乳化瀝青作為黏結(jié)料時(shí)，隨著層間結(jié)合料用量的增多，抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)層間結(jié)合料用量為0.6 kg/m2時(shí)，抗剪強(qiáng)度達(dá)到最大值。而當(dāng)以SBR改性瀝青作為黏結(jié)料時(shí)，隨著層間結(jié)合料用量的增多，抗剪強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)SBR改性瀝青用量大于1.2 kg/m2時(shí)，抗剪強(qiáng)度保持穩(wěn)定。另外當(dāng)層間結(jié)合料用量低于1.0 kg/m2時(shí)，SBR改性瀝青對(duì)應(yīng)的層間抗剪強(qiáng)度小于基質(zhì)瀝青和SBR改性乳化瀝青，而當(dāng)層間結(jié)合料用量大于1.0 kg/m2時(shí)，SBR改性瀝青對(duì)應(yīng)的層間抗剪強(qiáng)度遠(yuǎn)大于基質(zhì)瀝青和SBR改性乳化瀝青，這主要與3種瀝青的黏結(jié)能力大小有關(guān)，相比于基質(zhì)瀝青和SBR改性乳化瀝青，SBR改性瀝青具有較大的黏聚力，在大用量時(shí)瀝青不易析出也不宜流動(dòng)形成潤(rùn)滑作用，因此對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度較高。

3 結(jié)論

a）隨著油石比的增大，瀝青路面層間抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，當(dāng)油石比為4.0%時(shí)，抗剪強(qiáng)度有最大值，此時(shí)瀝青路面層間抗剪性能最佳。隨著加載速率的增大，層間抗剪強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)加載速率大于20 mm/min后，抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。隨著溫度的升高，抗剪強(qiáng)度逐漸減小，當(dāng)溫度超過(guò)45℃時(shí)，瀝青路面層間抗剪性能急劇下降。

b）當(dāng)以基質(zhì)瀝青和SBR改性乳化瀝青作為黏結(jié)料時(shí)，隨著層間結(jié)合料用量的增多，抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，而當(dāng)以SBR改性瀝青作為黏結(jié)料時(shí)，隨著層間結(jié)合料用量的增多，抗剪強(qiáng)度逐漸增大，最后趨于穩(wěn)定。