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(duì)交通安全造成威脅。相關(guān)研究表明 , 瀝青混合料在高溫時(shí)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(jì)和瀝青混合料的設(shè)計(jì)過(guò)程中忽 略了對(duì)瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的檢驗(yàn), 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(yàn)方法 在G內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上,對(duì)現(xiàn)有各種瀝青混合料 抗剪性能的試驗(yàn)方法和相關(guān)研究進(jìn)行總結(jié)和評(píng)述。 2.1 三軸試驗(yàn) 為了提高機(jī)場(chǎng)路面的抗剪切能力, 20 世紀(jì) 40年代, Smith等研究者開(kāi)發(fā)了三軸試驗(yàn)。三軸試 驗(yàn)本質(zhì)上是有側(cè)限的壓縮試驗(yàn), 軸向主應(yīng)力是試件 破壞的主要因素。按照庫(kù)侖—摩爾理論可以測(cè)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(píng)價(jià)瀝青混合料的抗剪性能 ,還可進(jìn)行重復(fù)加載三 軸試驗(yàn)、重復(fù)三軸蠕變?cè)囼?yàn)和靜三軸蠕變?cè)囼?yàn)等。 該試驗(yàn)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(gè)問(wèn)題, 因此僅用于室內(nèi)試驗(yàn)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(dòng)穩(wěn)定值 DS具有較好的相 [ 5, 6] 。三軸試驗(yàn)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(dòng)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(yàn) 直剪試驗(yàn)的原理是依據(jù)庫(kù)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(guò)若干不同垂直壓力下的抗剪強(qiáng)度值,通過(guò)摩爾 圓,可得混合料的粘聚力和內(nèi)摩擦角。直剪試驗(yàn)上下 盒界面的混合料狀況會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。 2.3 Superpave剪切試驗(yàn)儀 Superpave剪切試驗(yàn)儀由美G戰(zhàn)略公路計(jì)劃研 究提出(SHRP1994),可以進(jìn)行多種形式的試驗(yàn), 主 要進(jìn)行恒高度重復(fù)剪切試驗(yàn) (RSCH)和恒高度頻率 掃描試驗(yàn) (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(yàn)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(duì)試件進(jìn)行重復(fù)剪切。試驗(yàn)得到瀝青混合料不同剪 切次數(shù)下的剪切變形, 按計(jì)算公式可得到瀝青混合料的**剪切應(yīng)變等參數(shù)。 FSCH試驗(yàn)是應(yīng)變控制模式試驗(yàn),試驗(yàn)可得復(fù)數(shù)剪切模量和相位角。 RSCH 和 FSCH是評(píng)價(jià)瀝青混合料高溫性能的較好方法
[ 7, 8] 。但 Superpave剪切試驗(yàn)儀價(jià)格昂貴, 不適于我GG情,更不適于在工地試驗(yàn)室推廣應(yīng)用。
2.4 旋轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)儀
MuratGuler等通過(guò)研究, 在
旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀上安裝了一套系統(tǒng) ,用于測(cè)試瀝青混合料壓實(shí)過(guò)程中的剪切應(yīng)力 ,并開(kāi)發(fā)了旋轉(zhuǎn)剪切壓實(shí)儀 (GTM), 用于瀝青混合料設(shè)計(jì)
[ 9] 。該方法在G內(nèi)有應(yīng)用 , 但因設(shè)備價(jià)格昂貴,目前沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。
2.5 圓柱體扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)
Sousa研發(fā)了中空?qǐng)A柱體剪切試驗(yàn)系統(tǒng),主要用于評(píng)價(jià)瀝青混凝土在軸向和扭轉(zhuǎn)荷載作用下的動(dòng)態(tài)性能
[ 10] 。中空?qǐng)A柱體剪切試驗(yàn)系統(tǒng)可以獨(dú)立變化
σr, σθ , σz, σzθ。4個(gè)應(yīng)力變量, 即可以獨(dú)立變化 3 個(gè)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果有較大影響。中空?qǐng)A柱體剪切試驗(yàn)系統(tǒng)較復(fù)雜,不適合用于常規(guī)試
驗(yàn) ,但可用于科學(xué)研究。 Goodman利用中空?qǐng)A柱體剪切試驗(yàn)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(guò)研究,設(shè)計(jì)了可進(jìn)行工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的扭轉(zhuǎn)剪切試
驗(yàn)
[ 12] ?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(yàn)和劈裂試驗(yàn) (或馬歇爾試驗(yàn) ) 組合
趙戰(zhàn)利等利用單軸壓縮試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)測(cè)定瀝青混合料抗剪強(qiáng)度
[ 14] 。通過(guò)單軸壓縮試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)測(cè)得無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度, 進(jìn)而通過(guò)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(yàn)和馬歇爾試驗(yàn)組合來(lái)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(guò)理論和試驗(yàn)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(yàn)的關(guān)系式。該方法在G內(nèi)未見(jiàn)有應(yīng)用研究報(bào)道。通過(guò)組合試驗(yàn)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(lái)較大的試驗(yàn)誤差。
2.7 斜剪試驗(yàn)
斜剪試驗(yàn)源于《公路工程石料試驗(yàn)規(guī)程》石料剪切強(qiáng)度試驗(yàn)。同濟(jì)大學(xué)在 MTS(材料試驗(yàn)系統(tǒng) ) 試驗(yàn)機(jī)上設(shè)計(jì)了斜剪試驗(yàn)
[ 16] ,其目的是為了測(cè)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(yàn)是在正應(yīng)力和剪應(yīng)力同時(shí)變化的情況下對(duì)瀝青混合料進(jìn)行剪切試驗(yàn) , 以模擬車輛荷載通過(guò)時(shí)對(duì)路面剪切破壞的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)。斜剪試驗(yàn)的原理是:當(dāng)在上面的試模頂面施加正壓力時(shí) ,正壓力會(huì)沿平行于和垂直于剪切面分解 ,當(dāng)正應(yīng)力超過(guò)臨界值時(shí),試件就會(huì)產(chǎn)生剪切破壞。該試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單,物理意義比較明確 ,但是在試件與試模接觸受力部分會(huì)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(yàn)來(lái)進(jìn)行設(shè)置。
蘇凱等為了測(cè)定山區(qū)高等級(jí)路面基層和面層層間抗剪強(qiáng)度,也利用斜剪試驗(yàn)進(jìn)行了研究,并設(shè)計(jì)了斜剪試驗(yàn)儀
[ 17] ,原理同上。**瑞林等利用斜剪試驗(yàn)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(yàn)
同軸剪切試驗(yàn)方法由馮俊嶺等研究并提出
[ 19] 。同軸剪切試驗(yàn)的試件是把外徑 150 mm, 內(nèi)徑 55 mm, 高 50 mm的中空?qǐng)A柱體試件用環(huán)氧樹(shù)脂粘貼在鋼筒和鋼柱之間, 軸向荷載通過(guò)鋼柱作用于中空?qǐng)A柱體試件內(nèi)壁,同時(shí)試件的外側(cè)面受限,使試件產(chǎn)生剪切破壞,通過(guò)三維有限元建模 ,計(jì)算確定同軸剪切試驗(yàn)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(yàn)的結(jié)果對(duì)比表明 , 同軸剪切試驗(yàn)測(cè)定瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度精度較好 , 但粒徑大的骨料會(huì)對(duì)試驗(yàn)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(yàn)
單軸貫入試驗(yàn)方法由畢玉峰等通過(guò)研究提出
[ 20] 。單軸貫入試驗(yàn)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(jì)算抗剪強(qiáng)度系數(shù)。相關(guān)研究表明,單軸貫入試驗(yàn)指標(biāo)和瀝青混合料的高溫性能有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,試驗(yàn)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(shí) ,粒徑的大小會(huì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大的影響。研究表明, 對(duì)于瀝青混合料公稱**大粒徑大于或等于 20 mm時(shí), 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(yàn)方法目前已經(jīng)有較多應(yīng)用報(bào)道。
選擇瀝青混合料抗剪試驗(yàn)方法應(yīng)考慮如下幾個(gè)
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(guò)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(cè)得瀝青混合料的抗剪性能外 ,**好能夠評(píng)價(jià)瀝青和集料的性能。
4)試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單, 試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(duì)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(jí)配的公稱**大粒徑、級(jí)配類型等因素影響 ,對(duì)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(jí)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(kù)倫定律,瀝青混合料在外力作用下不發(fā)生剪切滑動(dòng)應(yīng)具備以下條件:
=σtgφ+C (1)
瀝青混合料的抗剪性能同時(shí)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(jí)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(shí)包括相當(dāng)數(shù)量的細(xì)料成分來(lái)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(shí), 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(jí)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(lái)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(jiàn)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(jì)研究
為預(yù)防車轍,在設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)、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(cè)定、容許剪應(yīng)力等問(wèn)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(jì)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(guò)研究指出 , 對(duì)于坡道、彎道多的道路:高溫時(shí)
m =0.53 MPa, K值可選用 1.2;對(duì)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(dòng)時(shí) ,
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(cè)定, 一般等于貫入強(qiáng)度的 1/3
[ 36] 。
葉G錚等通過(guò)研究提出, 通過(guò)剪切疲勞試驗(yàn) ,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(jì)交通量 ,確定抗剪安全系數(shù)
[ 37] 。
GTM設(shè)計(jì)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(shí)結(jié)束時(shí)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(jì)法在我G已經(jīng)有一定應(yīng)用
[ 38, 39] , 吳瑞祥通過(guò)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(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)軸載作用相聯(lián)系。 Sousa等通過(guò)研究發(fā)現(xiàn) , 預(yù)測(cè)車轍深度與室內(nèi)恒高度重復(fù)剪切試驗(yàn)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(yàn)觀測(cè)到的**大**剪應(yīng)變。
Fwa等人基于瀝青混凝土的剪切流動(dòng)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(shí)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(shí)間 ;a, b, c, d為根據(jù)試驗(yàn)或觀測(cè)結(jié)果回歸分析得到的模型常數(shù)。
蘇凱等通過(guò)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(yàn), 還需要現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的進(jìn)一步修正。
5 結(jié)語(yǔ)
1)對(duì)G內(nèi)外瀝青混合料剪切試驗(yàn)方法機(jī)理和特點(diǎn)進(jìn)行了分析、評(píng)價(jià) ,有助于G內(nèi)道路工程設(shè)計(jì)、施工和科研人員借鑒和采用這些試驗(yàn)方法。
2)瀝青混合料抗剪機(jī)理和影響因素研究表明 , 通過(guò)選擇嵌擠級(jí)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(shí)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(jì)尚需進(jìn)一步研究, 包括試驗(yàn)方法的可靠性、容許剪應(yīng)力問(wèn)題,室內(nèi)試驗(yàn)如何與現(xiàn)場(chǎng)軸載相匹配問(wèn)題等。基于抗剪性能的車轍預(yù)估模型在用于抗剪設(shè)計(jì)前,尚需深入研究。
