高速公路典型中上面層瀝青混合料復(fù)合抗剪強(qiáng)度研究

蘆子朝，胡超，韋金城，張曉萌，閆翔鵬

（1.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，濟(jì)南 250101；2.齊魯交通發(fā)展集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250014；3.山東省交通科學(xué)研究院，濟(jì)南 250102）

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求旺盛，其中公路工程建設(shè)格外突出。截止2018年年底，全國高速公路的總里程已達(dá)14.3×104km，位居世界第一，其中大部分路面結(jié)構(gòu)為瀝青路面。由于受交通量飛漲、軸載增加以及渠化交通等因素的耦合作用，大量高速公路路面在夏季高溫作用下出現(xiàn)車轍、推移、擁包等病害[1]。相關(guān)研究表明：車轍病害約占公路瀝青路面早期病害的70%以上[2]，直接影響行車安全和舒適性，降低了高速公路的服役周期和服務(wù)質(zhì)量。車轍的成因較為復(fù)雜，通常有瀝青混合料的材料組成因素和路面結(jié)構(gòu)因素，大部分研究認(rèn)為材料因素具有更加顯著的影響。瀝青面層高溫抗車轍性能不足主要是由于瀝青混合料抗剪性能低造成的，因此有必要對瀝青混合料抗剪性能進(jìn)行有效提升[3]。

畢玉峰等提出采用單軸貫入和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度綜合試驗的方法評價瀝青混合料抗剪性能[4]，該試驗試件內(nèi)剪應(yīng)力分布與實際路面在行車荷載作用下的剪應(yīng)力分布相似，同時其建立了求解瀝青混合料內(nèi)摩擦角 和粘聚力c的模型。目前國內(nèi)外對于瀝青混合料抗剪性能研究多為室內(nèi)成型試樣，相應(yīng)研究在役實體工程的相對較少[5-10]。通過現(xiàn)有研究成果發(fā)現(xiàn)：瀝青路面的車轍破壞往往發(fā)生在中、上面層，但是在役高速公路上面層厚度多為40 mm，中面層多為50 mm 或60 mm，而單軸貫入試驗要求試樣高度為100 mm，因此直接在在役實體工程的中、上面層各取芯樣進(jìn)行單軸貫入試驗很難滿足試樣高度的要求。

本研究基于單軸貫入和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗，采用在役高速公路上面層和中面層組成的復(fù)合面層，研究分析在役高速公路瀝青混合料的抗剪性能，通過瀝青混合料的內(nèi)摩擦角 和粘聚力c評價在役高速公路路面結(jié)構(gòu)不同位置的抗剪性能，并通過瀝青混合料單軸壓縮動態(tài)模量試驗進(jìn)行進(jìn)一步的驗證。

1 試樣準(zhǔn)備

本試驗試樣取自安徽省高速公路典型的瀝青路面結(jié)構(gòu)，取樣段高速公路于2009年12月28日建成通車，至今已服役近11 a。高速公路設(shè)計使用雙向4 車道和2 應(yīng)急車道，設(shè)計時速80 ～100 km/h，2019年交通量已突破3.0×104輛/日，具有典型的重載交通特征。瀝青路面取芯位置見表1所示。

表1 試驗芯樣位置與纖維含量

取樣路段上面層為SMA-13 瀝青混合料，其中含玄武巖纖維0.3%（質(zhì)量比）和SMA-13 瀝青混合料不含玄武巖纖維，上面層厚度均為40 mm；中面層為AC-20，瀝青混合料厚度為60 mm。

首先使用取芯機(jī)從路面不同位置直接鉆取直徑150 mm 的試件，再使用切割機(jī)將所取芯樣切割至試驗所需高度，最終得到上面層40 mm、中面層60 mm，共100 mm 高的復(fù)合中、上面層瀝青混合料并進(jìn)行試驗。試件準(zhǔn)備如圖1所示。

試件瀝青為SBS 改性瀝青，其技術(shù)指標(biāo)見表2，級配為SMA-13 和AC-20，瀝青混合料的級配組成見表3，粗集料分別選用玄武巖和石灰?guī)r，細(xì)集料為石灰?guī)r，其中各組成材料性能指標(biāo)均滿足JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》的要求。SMA-13 和AC-20瀝青混合料的油石比分別為6.0%和4.4%。

圖1 芯樣制備

表2 SBS 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

表3 兩類瀝青混合料通過不同方孔篩的質(zhì)量百分率

2 試驗方法

2.1 單軸貫入試驗

瀝青混合料的單軸貫入試驗與土工試驗中的CBR 試驗相類似，其原理為通過一個遠(yuǎn)小于試件直徑的鋼制壓頭對試件進(jìn)行加載，試件的直徑為150 mm，高度為100 mm，每組試驗至少取芯樣4 個。試驗開始前，試樣需要在60 ℃下保溫6 h。試驗時，在試件上以1 mm/min 的恒定變形速率加載一個高50 mm、直徑42 mm 的圓柱形鋼制壓頭，試驗環(huán)境溫度控制在60 ℃[11]。

該試驗方法中試件內(nèi)剪應(yīng)力分布與實際路面在行車荷載作用下的剪應(yīng)力分布相似。在單軸貫入試驗結(jié)果曲線上，取瀝青混合料破壞階段起始點的拐點作為試件的破壞點。單軸貫入試驗如圖2所示。

2.2 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗

為了求解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，將路面芯樣加工成高100 mm、直徑100 mm 的圓柱體試件，在60 ℃條件下保溫6 h。試件在60 ℃環(huán)境溫度下以1 mm/min 的恒定變形速率加載直至力-變形曲線出現(xiàn)峰值，峰值作為計算試件無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的最大力。無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗過程如圖3所示。

2.3 單軸壓縮動態(tài)模量試驗

對試件進(jìn)一步進(jìn)行單軸壓縮動態(tài)模量試驗，將路面取芯試件通過鉆機(jī)鉆取高100 mm、直徑50 mm 的試件進(jìn)行試驗，試件在60 ℃條件下保溫6 h，使用瀝青混合料簡單性能試驗機(jī)（SPT）進(jìn)行試驗，試驗環(huán)境溫度為60 ℃，試驗如圖4所示。

圖2 單軸貫入試驗

圖3 無側(cè)限抗壓試驗

圖4 單軸壓縮動態(tài)模量試驗

2.4 粘聚力和內(nèi)摩擦角計算方法

根據(jù)以下公式可以分別計算瀝青混合料的粘聚力c 和內(nèi)摩擦角：

式中：為單軸貫入強(qiáng)度，MPa；為貫入指數(shù)0.35； 為單軸貫入壓力，MPa；P為極限荷載，N；A為加載頭的橫截面積，mm2；對于現(xiàn)場取芯試件，其計算的貫入強(qiáng)度應(yīng)再乘以修正系數(shù)1.15。

式中： 為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；P為極限荷載，N；A為加載頭的橫截面積，mm2。

根據(jù)單軸貫入試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗的結(jié)果，根據(jù)以下方程計算出內(nèi)摩擦角（）和粘聚力（c）：

式中： 為第一主應(yīng)力，MPa； 為第三主應(yīng)力，MPa；為單軸貫入壓力，MPa； 為無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，MPa；c為粘聚力，kPa； 為內(nèi)摩擦角，（°）。

3 試驗結(jié)果與分析

通過單軸貫入試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗得到的結(jié)果，結(jié)果如表4所示，代入公式（1）～（7），進(jìn)行計算可以得到瀝青混合料的粘聚力、內(nèi)摩擦角和復(fù)合抗剪強(qiáng)度的數(shù)值。

表4 單軸貫入試驗和無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗結(jié)果

試樣的粘聚力如圖5所示。

圖5 試樣的粘聚力

由圖5 可知，行車道（含纖維）粘聚力是行車道（不含纖維）粘聚力的1.14 倍，結(jié)果表明：瀝青混合料摻入纖維能夠顯著提高其粘聚力。纖維能夠吸附并穩(wěn)定瀝青，瀝青的粘稠度增大，從而使粘聚力增大，可以顯著改善中、上面層的高溫穩(wěn)定性和抗車轍性能。

應(yīng)急車道粘聚力為760 kPa，行車道（含纖維）粘聚力為720 kPa，行車道（輪跡處）粘聚力700 kPa，這是由于行車道（含纖維）和行車道（輪跡處）相較應(yīng)急車道交通量更大、軸載更重，隨著時間增長，瀝青老化，瀝青與集料之間的相互作用力減弱，在行車荷載作用下使得瀝青膜脫離集料顆粒表面，從而降低了粘聚力。行車道（基層裂縫處）粘聚力為580 kPa，粘聚力最低，這是由于基層裂縫反射至中、上面層，進(jìn)而導(dǎo)致中、上面層產(chǎn)生微裂縫，外界環(huán)境中的水，如雨水等進(jìn)入中、上面層的微裂縫，在動水壓力作用下，瀝青膜脫落，從而降低了瀝青混合料的粘聚力，這對路面的高溫抗車轍性能非常不利。

試樣的內(nèi)摩擦角如圖6所示。

圖6 試樣的內(nèi)摩擦角

由圖6 可知，行車道（含纖維）內(nèi)摩擦角是行車道（不含纖維）內(nèi)摩擦角的1.12 倍，結(jié)果表明：瀝青混合料摻入纖維能夠顯著提高其內(nèi)摩擦角。內(nèi)摩擦角表示的是集料間的內(nèi)摩擦，包括集料表面粗糙紋理引起的滑動摩擦和集料間的嵌擠[12-14]。由于行車道（含纖維）與行車道（不含纖維）級配相同，因此集料間的嵌擠沒有差異，纖維改善了集料間的滑動摩擦，限制了集料間的相對滑動，從而提高內(nèi)摩擦角，改善了路面的高溫穩(wěn)定性和抗車轍性能。

應(yīng)急車道內(nèi)摩擦角為12.12°，行車道（含纖維）內(nèi)摩擦角為22.33°，行車道（輪跡處）內(nèi)摩擦角為18.06°，瀝青混合料的內(nèi)摩擦角隨著交通量的增加，呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，這是因為輕交通量和軸載狀態(tài)下能夠增加集料間的嵌擠，增大內(nèi)摩擦角；重交通量、軸載的狀態(tài)下磨損集料的棱角性從而使內(nèi)摩擦角減小[15]。

試樣復(fù)合抗剪強(qiáng)度如圖7所示。

圖7 試件復(fù)合抗剪強(qiáng)度

由圖7 可知，行車道（含纖維）抗剪強(qiáng)度大于行車道（不含纖維）復(fù)合抗剪強(qiáng)度，結(jié)果表明：加入纖維可以顯著提高瀝青混合料高溫抗車轍性能。行車道（基層裂縫處）抗剪強(qiáng)度最小為1.09 MPa，是由于粘聚力低造成的。應(yīng)急車道抗剪強(qiáng)度為1.21 MPa，行車道（含纖維）抗剪強(qiáng)度為1.41 MPa，行車道（輪跡處）抗剪強(qiáng)度為1.28 MPa，與其內(nèi)摩擦角變化呈現(xiàn)相同的規(guī)律，即隨著交通量的增加先增加后減小。

試樣粘聚力、內(nèi)摩擦角與復(fù)合抗剪強(qiáng)度關(guān)系如圖8、圖9所示。

圖8 試件的粘聚力與復(fù)合抗剪強(qiáng)度關(guān)系

圖9 試件的內(nèi)摩擦角與抗剪強(qiáng)度關(guān)系

由圖8、圖9 可知，除行車道（基層裂縫處）外，粘聚力變化趨勢與抗剪強(qiáng)度變化不一致，內(nèi)摩擦角變化趨勢與抗剪強(qiáng)度變化趨勢一致。因此可得，60 ℃條件下，瀝青混合料的內(nèi)摩擦角對瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度的影響更大，進(jìn)一步證明，相較于粘聚力，內(nèi)摩擦角對抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率更大，設(shè)計抗剪切性能強(qiáng)的級配組成是提高路面高溫穩(wěn)定性和抗車轍性能的核心。

試樣60 ℃單軸壓縮動態(tài)模量對比如圖10所示。

圖10 試件60 ℃單軸壓縮動態(tài)模量

由圖10 可得，瀝青混合料的動態(tài)模量受頻率的影響均較為明顯，隨著加載頻率的降低，荷載作用時間增加，動態(tài)模量減小。這主要是因為瀝青是一種粘彈性材料，在高頻狀態(tài)下，瀝青混合料主要表現(xiàn)為彈性性質(zhì)，在低頻狀態(tài)下，瀝青混合料粘彈性增強(qiáng)，模量減小。此外發(fā)現(xiàn)在高溫低頻的情況下瀝青混合料的模量最低，此時瀝青混合料最易出現(xiàn)車轍。

行車道（含纖維）動態(tài)模量最大，除行車道（基層裂縫處）外，應(yīng)急車道動態(tài)模量最小，結(jié)果表明：加入纖維可以明顯改善瀝青混合料高溫穩(wěn)定性和抗車轍性能；60 ℃條件下，在相同軸載和交通量時，與行車道相比，應(yīng)急車道更易出現(xiàn)車轍。

4 結(jié)論

a）與普通SMA-13 瀝青混合料相比，摻入玄武巖纖維，可以同時提高瀝青混合料的粘聚力和內(nèi)摩擦角，從而提高路面高溫穩(wěn)定性和抗車轍性能。

b）在60 ℃條件下，中、上復(fù)合面層的內(nèi)摩擦角與其復(fù)合抗剪強(qiáng)度呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，即隨著（交通量的增加呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢。行車荷載能夠增加瀝青混合料的嵌擠，一定程度上增大內(nèi)摩擦角，從而提高抗剪強(qiáng)度，但在大交通量、重軸載的情況下磨損集料的棱角性從而使內(nèi)摩擦角變小，對高溫抗剪性能不利。在60 ℃條件下，瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度主要由其內(nèi)摩擦角決定，設(shè)計抗剪切性能強(qiáng)的級配組成是提高路面高溫穩(wěn)定性和抗車轍性能的核心。

c）在60 ℃條件下，除行車道（基層裂縫處）外，應(yīng)急車道瀝青混合料的內(nèi)摩擦角最小。在相同軸載和交通量情況下，與路面其他位置相比，應(yīng)急車道更易出現(xiàn)車轍。