高模量瀝青混合料抗剪強(qiáng)度研究

□ 張 新 蘆子朝 韋金城 胡家波 張曉萌

我國高速公路路面結(jié)構(gòu)大部分采用瀝青路面。瀝青混合料是一種典型的粘彈性材料，溫度敏感性高，在交通量增大、軸重增加以及渠化交通等環(huán)境影響下易出現(xiàn)嚴(yán)重的早期損壞。車轍直接影響行車的舒適性和安全性，降低路面的使用性能。隨著科技的不斷發(fā)展，添加劑型高模量瀝青混合料以其優(yōu)異的高溫抗車轍性能廣受關(guān)注。高模量添加劑的使用可以顯著延長瀝青路面使用年限，減少路面維修次數(shù)。

近年來，國內(nèi)外對于瀝青混合料抗剪性能進(jìn)行了大量的研究，并取得了豐碩成果。瀝青混合料抗剪性能的改善源自于內(nèi)摩擦角和粘聚力的變化。筆者通過計(jì)算高模量瀝青混合料的內(nèi)摩擦角和粘聚力，對其抗剪強(qiáng)度進(jìn)行研究。對4種添加劑型高模量瀝青混合料進(jìn)行單軸貫入、無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)，通過內(nèi)摩擦角和粘聚力分析高模量瀝青混合料的抗剪性能，發(fā)現(xiàn)抗剪強(qiáng)度與內(nèi)摩擦角之間的相關(guān)性，為相關(guān)研究提供參考。

一、試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.原材料

瀝青采用SBS改性瀝青，其性能指標(biāo)均滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTG E20-2011的要求。集料選用優(yōu)質(zhì)石灰?guī)r，石灰?guī)r按粒徑不同分為0～3mm、3～5mm、5～10mm、10～15mm、15～20mm共5檔，試驗(yàn)所用礦粉是由石灰?guī)r磨碎，集料依據(jù)JTGE42-2005《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》，測試各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均符合技術(shù)要求。

2.高模量添加劑

高模量添加劑為現(xiàn)役工程實(shí)際應(yīng)用中的A、B、C、D等4種，如圖1所示。高模量添加劑在瀝青混合料拌和時(shí)加入拌鍋，根據(jù)高模量劑推薦摻量，4種高模量添加劑用量分別為1%、0.4%、0.7%和0.8%。

圖1 高模量添加劑

3.試件制備

試驗(yàn)采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀進(jìn)行試件成型，試件直徑150mm，高度170mm，壓實(shí)次數(shù)100次，并控制瀝青混合料試件空隙率為設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率。如圖2、圖3所示。使用鉆芯機(jī)和巖石切割機(jī)將成型試件分別制成瀝青混合料單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件和瀝青混合料剪切強(qiáng)度試驗(yàn)（單軸貫入法）標(biāo)準(zhǔn)試件。

圖2 動(dòng)態(tài)模量試件

圖3 單軸貫入和無側(cè)限抗壓試驗(yàn)試件

二、試驗(yàn)方法

1.單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

將室內(nèi)成型試件通過鉆機(jī)鉆、巖石切割機(jī)將試件制作為動(dòng)態(tài)模量標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行試驗(yàn)，每種高模量瀝青混合料制備芯樣4個(gè)。將試件在60℃條件下保溫4h，使用瀝青混合料簡單性能試驗(yàn)機(jī)（SPT）進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境溫度為60℃。如圖4所示。

圖4 單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)

2.單軸貫入試驗(yàn)

瀝青混合料的單軸貫入試驗(yàn)和土工試驗(yàn)中的CBR試驗(yàn)相似，其原理就是通過一個(gè)遠(yuǎn)小于試件直徑的鋼制壓頭在試件上進(jìn)行加載。將室內(nèi)成型試件通過鉆機(jī)、巖石切割機(jī)將試件制成單軸貫入標(biāo)準(zhǔn)試件，每種瀝青混合料制備芯樣4個(gè)。在試驗(yàn)前，試樣需要在60℃下保溫4h。試驗(yàn)過程中，在試件上以1mm/min的恒定變形速率加載一個(gè)高50mm、直徑28.5mm的圓柱形鋼制壓頭，試驗(yàn)環(huán)境溫度控制在60℃。如圖5所示。

圖5 單軸貫入試驗(yàn)

3.無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

為了求得瀝青混合料的粘聚力和內(nèi)摩擦角，需要對試件進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)。將室內(nèi)成型試件通過鉆機(jī)、巖石切割機(jī)制成無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)試件，在60℃條件下保溫4h。如圖6所示。

三、試驗(yàn)結(jié)果與分析

1.單軸壓縮動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖6 無側(cè)限抗壓試驗(yàn)

法國高模量瀝青混凝土標(biāo)準(zhǔn) NF P98 140/141指出，15℃、10Hz復(fù)數(shù)模量≥14 000 MPa的瀝青混凝土就是高模量瀝青混凝土。5種瀝青混合料 15℃、10Hz條件下的動(dòng)態(tài)模量、相位角見表1所列。4種高模量添加劑均使瀝青混合料15℃、10 Hz動(dòng)態(tài)模量達(dá)到14 000MPa，因此，這4種高模量添加劑均能使瀝青混合料達(dá)到高模量瀝青混合料的模量要求。

表1 瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量

由表1可知，與普通型瀝青混合料相比，4種高模量瀝青混合料的動(dòng)態(tài)模量明顯提高，相位角有大幅度改善。相位角越小，材料的彈性越大，粘性越小。加入高模量添加劑后相位角降低，這說明添加劑的加入提高了瀝青的彈性成分的比例，荷載卸載后變形更容易恢復(fù)，這也是4種添加劑型高模量瀝青混合料高溫穩(wěn)定性優(yōu)于普通型瀝青混合料的原因。

2.粘聚力和內(nèi)摩擦角結(jié)果與分析

通過計(jì)算粘聚力和內(nèi)摩擦角，運(yùn)用單軸貫入試驗(yàn)和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果，得到瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度、粘聚力和內(nèi)摩擦角的數(shù)值。見表2所列。

表2 瀝青混合料動(dòng)態(tài)模量

將5種瀝青混合料試件的抗剪強(qiáng)度、粘聚力和內(nèi)摩擦角的結(jié)果平均值進(jìn)行對比可見，與普通型瀝青混合料抗剪強(qiáng)度相比，A、C、D型高模量添加劑均使瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度得到明顯改善，抗剪強(qiáng)度分別提高了1.52、1.35、1.61倍。其原因在于高模量添加劑的加入，加強(qiáng)了混合料之間的相互作用力，使混合料之間更加緊密，致使混合料內(nèi)摩擦角增加，從而提高了瀝青混合料承受荷載的能力。

普通型瀝青混合料粘聚力為240.29KPa，4種高模量瀝青混合料粘聚力均小于普通型瀝青混合料粘聚力。這是因?yàn)楦吣Ａ刻砑觿┤谟跒r青，在瀝青中起到加筋作用，瀝青粘度增大，瀝青分子間的作用力增強(qiáng)。但是，粘聚力表征的是瀝青與集料之間的粘附強(qiáng)度和瀝青分子之間的粘結(jié)強(qiáng)度，融有高模量添加劑的瀝青表面粗糙，與集料之間的粘附力降低，導(dǎo)致高模量瀝青混合料粘聚力降低。

4種添加劑型高模量瀝青混合料與普通型瀝青混合料內(nèi)摩擦角相比，摩擦角均變大。其中，D型高模量瀝青混合料內(nèi)摩擦角最大為49.51°，是普通型瀝青混合料內(nèi)摩擦角的1.1倍。內(nèi)摩擦角代表了集料之間的內(nèi)摩擦，包含集料表面粗糙紋理引起的滑動(dòng)摩擦和集料之間的嵌擠摩擦，由于5種瀝青混合料均使用同一種 AC-20瀝青混合料級配，5種混合料中集料之間的嵌擠摩擦沒有差異，因此，高模量添加劑改善了集料之間的滑動(dòng)摩擦，限制了集料間的相對滑動(dòng)，增大了內(nèi)摩擦角，從而改善混合料的高溫穩(wěn)定性和抗剪性能。

對內(nèi)摩擦角與抗剪強(qiáng)度相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，高模量瀝青混合料抗剪強(qiáng)度與內(nèi)摩擦角之間呈多項(xiàng)式相關(guān)關(guān)系。在60℃條件下，抗剪強(qiáng)度越大，內(nèi)摩擦角越大，這是因?yàn)樵诟邷貤l件下，瀝青膠漿變軟，礦料間骨架支撐起主導(dǎo)作用，內(nèi)摩擦角對抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率更大。因此，設(shè)計(jì)良好的混合料級配更能改善瀝青混合料的高溫性能。

3.內(nèi)摩擦角與抗剪強(qiáng)度相關(guān)性分析

經(jīng)過多個(gè)擬合公式比選，最終得到多項(xiàng)式關(guān)系的相關(guān)性最高。擬合關(guān)系如圖7所示。由結(jié)果看出：高模量瀝青混合料抗剪強(qiáng)度與內(nèi)摩擦角之間呈多項(xiàng)式相關(guān)關(guān)系，擬合公式和相關(guān)系數(shù)分別為：y=－ 1.493x3+10.254x2－ 20.512x+59.04；R2=0.9344。

圖7 抗剪強(qiáng)度與內(nèi)摩擦角關(guān)系

在60℃條件下，抗剪強(qiáng)度越大，內(nèi)摩擦角越大，這是因?yàn)樵诟邷貤l件下，瀝青膠漿變軟，礦料間骨架支撐起主導(dǎo)作用，內(nèi)摩擦角對抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率更大。因此，設(shè)計(jì)良好的混合料級配更能改善瀝青混合料的高溫性能。

四、結(jié)論

（1）4種添加劑型高模量瀝青混合料與普通瀝青混合料相比，內(nèi)摩擦角顯著增大，動(dòng)態(tài)模量顯著提升，抗剪強(qiáng)度明顯改善，瀝青混合料的高溫抗車轍性能得到明顯改善。

（2）高模量添加劑能夠增加瀝青混合料的彈性成分，使相位角減小。但高模量添加劑的使用使得高模量瀝青混合料的瀝青膠漿與集料之間的黏附強(qiáng)度減弱，使得整體粘聚力變小。

（3）60℃條件下，高模量瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度隨著內(nèi)摩擦角的增大而增大，呈正相關(guān)性，表明增大瀝青混合料的內(nèi)摩擦角可提高高溫抗車轍性能。