1 前言 由于交通量和車輛超載現(xiàn)象激增, 車轍已經(jīng)成 為目前瀝青路面主要病害之一。車轍不僅影響行車 舒適性 ,而且對交通安全造成威脅。相關(guān)研究表明 , 瀝青混合料在高溫時的剪切強(qiáng)度不足以抵抗車輪荷 載的反復(fù)作用,使瀝青混凝土產(chǎn)生塑性剪切變形,并 逐漸被擠壓到兩側(cè)
[ 1 ～ 4] ,形成側(cè)向流變而產(chǎn)生車轍。 在瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計和瀝青混合料的設(shè)計過程中忽 略了對瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的檢驗, 也是導(dǎo)致車轍 發(fā)生的重要原因。 2 瀝青混合料抗剪試驗方法 在G內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上,對現(xiàn)有各種瀝青混合料 抗剪性能的試驗方法和相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)和評述。 2.1 三軸試驗 為了提高機(jī)場路面的抗剪切能力, 20 世紀(jì) 40年代, Smith等研究者開發(fā)了三軸試驗。三軸試 驗本質(zhì)上是有側(cè)限的壓縮試驗, 軸向主應(yīng)力是試件 破壞的主要因素。按照庫侖—摩爾理論可以測出瀝 青混合料的粘結(jié)力 C, 摩擦角 φ和抗剪強(qiáng)度。為了 評價瀝青混合料的抗剪性能 ,還可進(jìn)行重復(fù)加載三 軸試驗、重復(fù)三軸蠕變試驗和靜三軸蠕變試驗等。 該試驗方法應(yīng)力狀態(tài)明確,但操作方法復(fù)雜 ,如何確 定側(cè)向圍壓也是一個問題, 因此僅用于室內(nèi)試驗研 究,在工程中較少應(yīng)用。研究表明 ,瀝青混合料抗剪 強(qiáng)度指標(biāo) C和 φ與車轍動穩(wěn)定值 DS具有較好的相 [ 5, 6] 。三軸試驗的不足還在于其材 關(guān)性 (大于 0.90) 料“各向同性”假設(shè), 不能模擬移動輪載條件下主應(yīng) 力軸的旋轉(zhuǎn)和剪切應(yīng)力反向引起的 “各向異性”。 2.2 直剪試驗 直剪試驗的原理是依據(jù)庫倫—摩爾強(qiáng)度理論,在 試樣上施加一定的垂直壓力, 然后施加水平推力 ,使 試樣在上下盒之間的水平面上發(fā)生剪切直**破壞。 通過若干不同垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度值,通過摩爾 圓,可得混合料的粘聚力和內(nèi)摩擦角。直剪試驗上下 盒界面的混合料狀況會對試驗結(jié)果產(chǎn)生一定影響。 2.3 Superpave剪切試驗儀 Superpave剪切試驗儀由美G戰(zhàn)略公路計劃研 究提出(SHRP1994),可以進(jìn)行多種形式的試驗, 主 要進(jìn)行恒高度重復(fù)剪切試驗 (RSCH)和恒高度頻率 掃描試驗 (FSCH)。試件被膠結(jié)在兩鋼板之間 , 在 試件的頂面和底面施加外力。 RSCH試驗機(jī)理是在 保持試件高度不變的前提下, 采用半正弦剪切應(yīng)力 對試件進(jìn)行重復(fù)剪切。試驗得到瀝青混合料不同剪 切次數(shù)下的剪切變形, 按計算公式可得到瀝青混合料的**剪切應(yīng)變等參數(shù)。 FSCH試驗是應(yīng)變控制模式試驗,試驗可得復(fù)數(shù)剪切模量和相位角。 RSCH 和 FSCH是評價瀝青混合料高溫性能的較好方法
[ 7, 8] 。但 Superpave剪切試驗儀價格昂貴, 不適于我GG情,更不適于在工地試驗室推廣應(yīng)用。
2.4 旋轉(zhuǎn)剪切試驗儀
MuratGuler等通過研究, 在
旋轉(zhuǎn)壓實儀上安裝了一套系統(tǒng) ,用于測試瀝青混合料壓實過程中的剪切應(yīng)力 ,并開發(fā)了旋轉(zhuǎn)剪切壓實儀 (GTM), 用于瀝青混合料設(shè)計
[ 9] 。該方法在G內(nèi)有應(yīng)用 , 但因設(shè)備價格昂貴,目前沒有得到廣泛應(yīng)用。
2.5 圓柱體扭轉(zhuǎn)剪切試驗
Sousa研發(fā)了中空圓柱體剪切試驗系統(tǒng),主要用于評價瀝青混凝土在軸向和扭轉(zhuǎn)荷載作用下的動態(tài)性能
[ 10] 。中空圓柱體剪切試驗系統(tǒng)可以獨(dú)立變化
σr, σθ , σz, σzθ。4個應(yīng)力變量, 即可以獨(dú)立變化 3 個主應(yīng)力的大小和在某一方向變化主應(yīng)力方向,但試件壁較薄,粒徑大的骨料對試驗結(jié)果有較大影響。中空圓柱體剪切試驗系統(tǒng)較復(fù)雜,不適合用于常規(guī)試
驗 ,但可用于科學(xué)研究。 Goodman利用中空圓柱體剪切試驗研究了瀝青混合料的抗剪性能 ,研究結(jié)果表明與瀝青混合料車轍性能相關(guān)性較好
[ 11] 。 Goodman經(jīng)過研究,設(shè)計了可進(jìn)行工程現(xiàn)場測試的扭轉(zhuǎn)剪切試
驗
[ 12] ?，F(xiàn)場測試表明 ,瀝青混合料剪切性能與車轍性能有較好的相關(guān)性
[ 13] 。該方法目前應(yīng)用較少。
2.6 單軸壓縮試驗和劈裂試驗 (或馬歇爾試驗 ) 組合
趙戰(zhàn)利等利用單軸壓縮試驗和劈裂試驗測定瀝青混合料抗剪強(qiáng)度
[ 14] 。通過單軸壓縮試驗和劈裂試驗測得無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度, 進(jìn)而通過摩爾圓可確定瀝青混合料抗剪強(qiáng)度。
前蘇聯(lián)伊凡諾夫教授提出用單軸壓縮試驗和馬歇爾試驗組合來獲得不同配比的瀝青混凝土的剪切指標(biāo)
[ 15] 。該方法假定瀝青混凝土的極限狀態(tài)由**大剪應(yīng)力決定,通過理論和試驗研究 ,建立了瀝青混凝土抗剪穩(wěn)定指標(biāo)與其單軸受壓和馬歇爾試驗的關(guān)系式。該方法在G內(nèi)未見有應(yīng)用研究報道。通過組合試驗確定瀝青混合料抗剪強(qiáng)度在理論上是可行的 ,但也可能帶來較大的試驗誤差。
2.7 斜剪試驗
斜剪試驗源于《公路工程石料試驗規(guī)程》石料剪切強(qiáng)度試驗。同濟(jì)大學(xué)在 MTS(材料試驗系統(tǒng) ) 試驗機(jī)上設(shè)計了斜剪試驗
[ 16] ,其目的是為了測定橋面鋪裝層、路面基層和面層層間的粘結(jié)力和抗剪強(qiáng)度。斜剪試驗是在正應(yīng)力和剪應(yīng)力同時變化的情況下對瀝青混合料進(jìn)行剪切試驗 , 以模擬車輛荷載通過時對路面剪切破壞的實際應(yīng)力狀態(tài)。斜剪試驗的原理是:當(dāng)在上面的試模頂面施加正壓力時 ,正壓力會沿平行于和垂直于剪切面分解 ,當(dāng)正應(yīng)力超過臨界值時,試件就會產(chǎn)生剪切破壞。該試驗操作簡單,物理意義比較明確 ,但是在試件與試模接觸受力部分會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。另外 , 剪切刃間距也需要根據(jù)經(jīng)驗來進(jìn)行設(shè)置。
蘇凱等為了測定山區(qū)高等級路面基層和面層層間抗剪強(qiáng)度,也利用斜剪試驗進(jìn)行了研究,并設(shè)計了斜剪試驗儀
[ 17] ,原理同上。**瑞林等利用斜剪試驗進(jìn)一步研究了瀝青混合料的抗剪切性能
[ 18] 。
2.8 同軸剪切試驗
同軸剪切試驗方法由馮俊嶺等研究并提出
[ 19] 。同軸剪切試驗的試件是把外徑 150 mm, 內(nèi)徑 55 mm, 高 50 mm的中空圓柱體試件用環(huán)氧樹脂粘貼在鋼筒和鋼柱之間, 軸向荷載通過鋼柱作用于中空圓柱體試件內(nèi)壁,同時試件的外側(cè)面受限,使試件產(chǎn)生剪切破壞,通過三維有限元建模 ,計算確定同軸剪切試驗剪切強(qiáng)度系數(shù), 從而可以直接確定瀝青混合料抗剪強(qiáng)度。與三軸試驗的結(jié)果對比表明 , 同軸剪切試驗測定瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度精度較好 , 但粒徑大的骨料會對試驗結(jié)果有較大影響。該方法目前應(yīng)用較少。
2.9 單軸貫入試驗
單軸貫入試驗方法由畢玉峰等通過研究提出
[ 20] 。單軸貫入試驗方法采用的壓頭尺寸為
28.5 mm,試件為 100 mm×100 mm的圓柱形試件 ,
采用三維有限元計算抗剪強(qiáng)度系數(shù)。相關(guān)研究表明,單軸貫入試驗指標(biāo)和瀝青混合料的高溫性能有較好的對應(yīng)關(guān)系,試驗參數(shù)易確定 ,具有較好的工程應(yīng)用前景。在瀝青混合料粒徑較大時 ,粒徑的大小會對試驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的影響。研究表明, 對于瀝青混合料公稱**大粒徑大于或等于 20 mm時, 采用 150 mm×100 mm試件和 42 mm壓頭 ,精度可滿足工程要求
[ 21] 。單軸貫入試驗方法目前已經(jīng)有較多應(yīng)用報道。
選擇瀝青混合料抗剪試驗方法應(yīng)考慮如下幾個
原則[ 2, 22]
:
1)與路面結(jié)構(gòu)的受力具有相似性 ,試件的受力狀態(tài)與路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)相似。2)試件的破損過程能夠反映該類材料強(qiáng)度產(chǎn)生的本質(zhì)特點(diǎn),能夠反映其損壞的機(jī)理。
3)除能夠測得瀝青混合料的抗剪性能外 ,**好能夠評價瀝青和集料的性能。
4)試驗過程簡單, 試驗參數(shù)容易確定 。
按照以上原則,結(jié)合我GG情,單軸貫入試驗方法具有較好的工程應(yīng)用前景。
3 瀝青混合料抗剪性能機(jī)理研究
利用上述試驗方法,研究瀝青混合料抗剪性能 ,
主要結(jié)論如下[ 8, 9, 12, 23 ～33]
:
1)瀝青混合料抗剪性能受混合料 C值 (粘聚力 )和 φ值(內(nèi)摩擦角 )影響顯著。
2)粘聚力 C主要受瀝青性質(zhì)和用量、粉油比 、細(xì)集料用量、溫度、纖維外摻劑等因素的影響 ,對抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)約占 20 %。采用高粘度瀝青和摻加纖維, 能顯著增加粘聚力 C值。
3)內(nèi)摩擦角 φ受集料的棱角特性 、級配的公稱**大粒徑、級配類型等因素影響 ,對抗剪強(qiáng)度的貢獻(xiàn)約占 80 %。采用棱角性大的粗、細(xì)集料和嵌擠級配 ,能顯著提高內(nèi)摩擦角 φ值。
4)提高瀝青混合料抗剪性能 ,要關(guān)注微觀組成結(jié)構(gòu)指標(biāo)的平衡。瀝青混合料微觀結(jié)構(gòu)不同 ,將引起其宏觀力學(xué)性能的差異。顆粒主軸就位方向趨向隨機(jī), 顆粒間的交互作用更趨顯著,相應(yīng)其抗剪性能也將提高。
解釋瀝青混合料抗剪性能機(jī)理理論主要有兩種 :傳統(tǒng)的表面理論和近代膠漿理論。
傳統(tǒng)的表面理論認(rèn)為:瀝青混合料是粗、細(xì)集料和填料組成的礦質(zhì)骨架和分布在其表面并起粘結(jié)作用的結(jié)合料構(gòu)成的具有一定強(qiáng)度的整體?；旌狭蠌?qiáng)度由礦料骨架特征決定的內(nèi)摩擦角和結(jié)合料及其與礦料之間的粘附特性相關(guān)的粘聚力 C值決定。根據(jù)庫倫定律,瀝青混合料在外力作用下不發(fā)生剪切滑動應(yīng)具備以下條件:
=σtgφ+C (1)
瀝青混合料的抗剪性能同時依賴礦料骨架所提供的 φ值和瀝青結(jié)合料所提供的 C值。瀝青混合料理想的級配應(yīng)是既可以為形成顆粒之間相互嵌擠的骨架結(jié)構(gòu)提供足夠的 φ值, 同時包括相當(dāng)數(shù)量的細(xì)料成分來改善分散介質(zhì)的特性以提高 C值。在集料未能形成嵌擠時, 瀝青混合料的剪切強(qiáng)度是由瀝青膠泥及瀝青 —集料界面的剪切強(qiáng)度合成的。如果集料形成嵌擠 ,集料粒子的嵌擠產(chǎn)生的內(nèi)摩擦力
將增大瀝青混合料的剪切強(qiáng)度。
近代膠漿理論認(rèn)為:瀝青混合料是一種具有空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的三級分散體系, 它是以粗集料為分散相分散在瀝青砂漿的介質(zhì)中的粗分散體系, 瀝青砂漿是以細(xì)集料為分散相而分散在瀝青膠漿中的一種細(xì)分散系 ,而膠漿又是以礦粉為分散相而分散在瀝青介質(zhì)中的一種微分散系。瀝青混合料的強(qiáng)度主要來自分散介質(zhì)的特性, 瀝青膠漿組成結(jié)構(gòu)直接決定瀝青混合料的特性。
根據(jù)復(fù)合材料的混合率原理 ,瀝青混合料的剪
|
切強(qiáng)度 h可表示為[ 34] : |
(S/V)+FS |
() |
|
|
= Υs + |
|
|
h |
s |
jm |
j jj j |
2 |
式(2)中,
s為瀝青膠泥的剪切強(qiáng)度;Υs為瀝青膠泥的體積分?jǐn)?shù) ;jm為集料 —瀝青的界面剪切強(qiáng)度 ; Sj/Vj為單位體積內(nèi)集料的表面積與體積之比 ;Fj 為集料—集料嵌擠產(chǎn)生的摩擦力(Fj =σtgθ, σ為混合料受到的正應(yīng)力, θ為摩擦角);Sj為單位體積內(nèi)集料—集料的嵌擠面積。
可見混合料剪切強(qiáng)度由瀝青膠泥的性質(zhì)、集料和瀝青界面的剪切強(qiáng)度和集料之間的嵌擠情況共同決定。
4 瀝青混合料抗剪性能設(shè)計研究
為預(yù)防車轍,在設(shè)計階段考慮瀝青混合料的抗剪性能,我G《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTGD50 -2006) 規(guī)定,瀝青路面“中、下面層應(yīng)具有高溫抗車轍、抗剪切、密實、基本不透水的性能 ”、“剛性基層瀝青路面應(yīng)采取措施加強(qiáng)瀝青層與剛性基層間的結(jié)合,并提高瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度”。但是“抗剪強(qiáng)度測定、容許剪應(yīng)力等問題均需進(jìn)一步研究, 目前尚不能納入規(guī)范”。瀝青混合料抗剪性能設(shè)計主要方法有兩種。
4.1 容許剪應(yīng)力法
為保證瀝青路面不發(fā)生剪切破壞, 需滿足
[ 35] :
式(3)中,
m為**大允許剪應(yīng)力; d為混合料抗剪強(qiáng)度 ;K為路面結(jié)構(gòu)安全系數(shù)。
林繡賢通過研究指出 , 對于坡道、彎道多的道路:高溫時
m =0.53 MPa, K值可選用 1.2;對于平原區(qū)道路 ,
m =0.25 MPa, K值可選用 3.0,只有高溫偶然緊急制動時 ,
m =0.5 MPa, K值可選用 1.2?？辜魪?qiáng)度
d可用單軸貫入方法測定, 一般等于貫入強(qiáng)度的 1/3
[ 36] 。
葉G錚等通過研究提出, 通過剪切疲勞試驗 ,確定剪切強(qiáng)度安全系數(shù)與疲勞次數(shù)關(guān)系式, 進(jìn)而根據(jù)
設(shè)計交通量 ,確定抗剪安全系數(shù)
[ 37] 。
GTM設(shè)計法要求瀝青混合料抗剪強(qiáng)度系數(shù) (安全系數(shù) )GSF即試件壓實結(jié)束時的抗剪強(qiáng)度與所要求的**大剪應(yīng)力之比值大于或等于 1.0。 GTM設(shè)計法在我G已經(jīng)有一定應(yīng)用
[ 38, 39] , 吳瑞祥通過研究提出 GSF≥1.3比較適合我G目前的交通狀況
[ 40] 。
4.2 預(yù)估方法
包含瀝青混合料抗剪性能因子的車轍預(yù)估模型尚處于研究階段 ,尤其是如何使室內(nèi)剪切試驗結(jié)果與現(xiàn)場軸載作用相聯(lián)系。 Sousa等通過研究發(fā)現(xiàn) , 預(yù)測車轍深度與室內(nèi)恒高度重復(fù)剪切試驗結(jié)果具有較好相關(guān)性 ,并提出了確定瀝青混凝土路面潛在永
|
久變形的方法[ 41] 。 |
|
|
RD=11 ×mpss |
(4) |
式 (4)中 , mps為路面臨界溫度下 RSCH試驗觀測到的**大**剪應(yīng)變。
Fwa等人基于瀝青混凝土的剪切流動變形原理 ,采用 C-φ模型進(jìn)行瀝青混凝土路面的車轍預(yù)估 ,模型如下
[ 42] :
n
RD =C∑[ (Ni)
a· (Li)
b· (Ti)
c· (ti)
d] (5)
i=1
式 (5)中 , RD為車轍深度 ;C為輪跡分布影響系數(shù) ;
Ni為輪載作用次數(shù);Li為實際受力與路面能承受的**大抗力的比值;Ti為路面溫度;ti為輪載作用時間 ;a, b, c, d為根據(jù)試驗或觀測結(jié)果回歸分析得到的模型常數(shù)。
蘇凱等通過研究,確立了包含溫度、作用次數(shù)、剪應(yīng)力、材料抗剪強(qiáng)度、行車速度等因子的車轍預(yù)估模型
[ 43] :
n
RD=0.357 2· (1 +Lp)· ∑10
-5.881 ·
i=1
|
2.512 |
0.58 |
0.743· |
i 0.472 |
|
|
[ ] |
i |
6 |
|
i |
|
|
|
|
|
|
V · NV |
|
|
|
|
T · |
|
|
|
() |
式 (6)中 , RD為瀝青層總變形 , mm;Lp為隆起系數(shù) , 取 0.46;Ti為瀝青路面溫度 , ℃;i為瀝青路面在行車荷載作用下產(chǎn)生的**大剪應(yīng)力 , MPa;[
]i為瀝青路面材料抗剪強(qiáng)度 , MPa;NV為軸載作用次數(shù);V為行車速度 , km/h。
這些模型的建立僅限于室內(nèi)試驗, 還需要現(xiàn)場數(shù)據(jù)的進(jìn)一步修正。
5 結(jié)語
1)對G內(nèi)外瀝青混合料剪切試驗方法機(jī)理和特點(diǎn)進(jìn)行了分析、評價 ,有助于G內(nèi)道路工程設(shè)計、施工和科研人員借鑒和采用這些試驗方法。
2)瀝青混合料抗剪機(jī)理和影響因素研究表明 , 通過選擇嵌擠級配、合適的瀝青用量、高黏度瀝青、高棱角性集料、摻加纖維、確保壓實等措施, 提高瀝青混合料抗剪性能。
3)瀝青混合料抗剪設(shè)計尚需進(jìn)一步研究, 包括試驗方法的可靠性、容許剪應(yīng)力問題,室內(nèi)試驗如何與現(xiàn)場軸載相匹配問題等。基于抗剪性能的車轍預(yù)估模型在用于抗剪設(shè)計前,尚需深入研究。
