細(xì)集料對AC-13瀝青混合料抗剪切性能的影響分析

謝百慧

摘? 要：文章針對高速公路流動性車轍病害成因，將基于天然砂、石屑和機(jī)制砂三種不同細(xì)集料的瀝青混合料抗剪強(qiáng)度進(jìn)行對比分析，研究細(xì)集料對瀝青混合料抗剪切性能的影響規(guī)律，并提出細(xì)集料優(yōu)化配比方案，為瀝青路面抗車轍設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：細(xì)集料;AC-13瀝青混合料;抗剪切性能

中圖分類號：U415? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）36-0110-03

Abstract： Aiming at the cause of fluidity rutting disease of expressway， this paper makes a comparative analysis of the shear strength of asphalt mixture based on natural sand， stone chips and mechanism sand， and studies the effect of fine aggregate on the shear performance of asphalt mixture. The optimal proportioning scheme of fine aggregate is put forward to provide reference basis for rutting resistance design and engineering practice of asphalt pavement.

Keywords： fine aggregate; AC-13 asphalt mixture; shear resistance

1 概述

目前，由夏季高溫導(dǎo)致的瀝青路面車轍病害，成為我國高速公路所面對的嚴(yán)重問題之一。車轍病害不僅會降低路面的路用性能，影響到行駛過程中的舒適度，而且還會危及行車安全，增加安全事故的發(fā)生概率[1]。車轍按成因可分為“結(jié)構(gòu)型”、“磨耗型”、“壓密型”和“失穩(wěn)型”四類[2]。目前我國瀝青路面產(chǎn)生的車轍病害一般是因?yàn)r青混合料累積剪切變形而造成的流動性車轍，屬于失穩(wěn)型車轍，其橫斷面形態(tài)一般為W形，即車輛輪胎作用面下方表現(xiàn)為下凹，而兩側(cè)表現(xiàn)為上凸。根據(jù)國內(nèi)外的相關(guān)研究，流動性車轍形成的根本原因是瀝青面層的結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力，瀝青混合料在結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力的反復(fù)作用下，發(fā)生剪切疲勞破壞，混合料將沿著剪切面移動，最終形成我們常見的轍槽[3]。細(xì)集料是瀝青混合料的重要組分，因其表面物理特性、力學(xué)特性與粒度組成的不同，對瀝青混合料的高溫穩(wěn)定性與水穩(wěn)定性影響顯著[4]。細(xì)集料主要包括天然砂、石屑和機(jī)制砂，本文對基于三種不同細(xì)集料的瀝青混合料抗剪強(qiáng)度進(jìn)行分析，研究其對瀝青混合料抗剪切性能的影響規(guī)律，并提出細(xì)集料優(yōu)化配比方案，為瀝青路面抗車轍設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐提供參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

本研究選擇常用的AC-13瀝青混合料為研究對象，所選用的玄武巖粗集料、石灰?guī)r礦粉，以及石灰?guī)r機(jī)制砂、玄武巖石屑、石英砂等細(xì)集料均符合國內(nèi)規(guī)范技術(shù)要求。采用SBS改性瀝青，性能指標(biāo)見表1，AC-13瀝青混合料級配見表2。

為了便于考察機(jī)制砂、石屑和天然砂三種細(xì)集料對于混合料抗剪切性能的影響，以石屑瀝青混合料作為基準(zhǔn)，通過馬歇爾試驗(yàn)確定出混合料的最佳油石比為4.3%。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)應(yīng)用寧曦土壤儀器有限公司生產(chǎn)的TSZ全自動三軸儀，如圖1所示。試驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)采集和控制通過TWJ數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)來進(jìn)行，使TSZ全自動三軸儀試驗(yàn)系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了自動化。

2.3 試驗(yàn)方法

本研究采用擊實(shí)法成型的馬歇爾試件，尺寸為φ101.6×63.5mm，試驗(yàn)溫度為25℃，加載速率1.20mm/min，試驗(yàn)圍壓分別為50kPa、100kPa和150kPa。將試件置于三軸壓力室底座上，然后將橡皮膜套在試件之上，再用數(shù)根橡皮筋箍緊已套上橡皮膜試件的兩端，以保證橡皮膜密封嚴(yán)實(shí)。然后密封好壓力室，即可進(jìn)行試驗(yàn)。

在三軸試驗(yàn)中使試件處于三向受力狀態(tài)，沿試件徑向的是均勻分布的壓力，兩個主應(yīng)力相等，近似反映了道路路面的實(shí)際受力情況[5]。三軸試驗(yàn)假定瀝青混合料近似為各向同性均質(zhì)體，采用摩爾理論來解釋混合料的抗剪性能，即認(rèn)為材料的破壞是由于顆粒之間產(chǎn)生了剪切滑移。試驗(yàn)結(jié)果可以獲得材料在極限平衡狀態(tài)時的一族應(yīng)力圓，由該應(yīng)力圓族構(gòu)成的包絡(luò)線以表示材料符合材料庫侖方程的抗剪強(qiáng)度規(guī)律，進(jìn)而求得材料的抗剪參數(shù)粘結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ兩項(xiàng)指標(biāo)，以此計(jì)算混合料抗剪強(qiáng)度τ[6]，見式（1）所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 三種細(xì)集料對AC-13抗剪切性能的影響

利用上述的AC-13瀝青混合料，擊實(shí)成型，通過三軸試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理，分析細(xì)集料差異對瀝青混合料力學(xué)性能的影響。試件的基本指標(biāo)見表3，表中J、S、T分別代表機(jī)制砂、石屑、天然砂三種不同類型的混合料，VV、VMA、VFA分別代表瀝青混合料試件的空隙率、礦料間隙率、有效瀝青飽和度。

三種瀝青混合料試驗(yàn)過程中剪力峰值及其對應(yīng)軸向應(yīng)變?nèi)绫?所示，處理之后機(jī)制砂、石屑與天然砂瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)見表5。

由表5可以看出，常溫下三種混合料的內(nèi)摩擦角，從大到小依次為機(jī)制砂、天然砂、石屑，與三者棱角性排序相同，表明提高細(xì)集料棱角性有助于加大混合料的內(nèi)摩擦角;粘結(jié)力最大的是石屑瀝青混合料，其次是天然砂瀝青混合料，最小的是機(jī)制砂瀝青混合料。

3.2 基于AC抗剪切性能的細(xì)集料優(yōu)化

為優(yōu)化AC中細(xì)集料的組成，以機(jī)制砂與天然砂按照1：2、1：1和2：1三種比例摻配，測試擊實(shí)成型下瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度，從而提出較優(yōu)的細(xì)集料組成配合比。

三種摻配比例下細(xì)集料瀝青混合料試件的基本指標(biāo)如表6所示，試驗(yàn)測得三種瀝青混合料的剪力峰值及其對應(yīng)軸向應(yīng)變?nèi)绫?所示，處理之后瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表8所示，表中I、II、III分別代表機(jī)制砂與天然砂摻配比例為1：2、1：1和2：1。

試驗(yàn)結(jié)果表明，同三種單質(zhì)材料的結(jié)論相同，機(jī)制砂含量越高，混合料的內(nèi)摩擦角越大，但由于細(xì)集料與瀝青、粗集料相互作用的復(fù)雜性，粘結(jié)力存在最優(yōu)配比。因此針對AC-13，機(jī)制砂與天然砂1：1的比例摻配較為合適。

4 結(jié)束語

本研究選用常溫下的三軸試驗(yàn)方法，以庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則為理論基礎(chǔ)，測試瀝青混合料的抗剪切指標(biāo)c、φ值，分析不同細(xì)集料對于c、φ值的影響，獲得機(jī)制砂、石屑與天然砂對瀝青混合料抗剪切性能的影響規(guī)律，從而為細(xì)集料比選提供理論依據(jù)。主要結(jié)論如下：

（1）常溫下三種細(xì)集料混合料的內(nèi)摩擦角，從大到小依次為機(jī)制砂、天然砂、石屑，與三者棱角性排序一致，表明提高細(xì)集料棱角性有助于加大混合料的內(nèi)摩擦角;粘結(jié)力最大的是石屑瀝青混合料，其次是天然砂瀝青混合料，最小的是機(jī)制砂瀝青混合料。

（2）以機(jī)制砂與天然砂摻配的細(xì)集料混合料，機(jī)制砂比例越大，混合料的內(nèi)摩擦角越大，但比例為1：1時粘結(jié)力最優(yōu)。因此針對AC-13，機(jī)制砂與天然砂1：1的比例摻配性能較優(yōu)。

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