溫拌瀝青混合料的抗剪切性能分析

詹 慶

（山西省公路局 大同分局，山西 大同 037006）

0 引言

溫拌瀝青混合料的施工溫度遠(yuǎn)低于普通熱拌瀝青混合料，因而其能夠大量地減少能源消耗，并降低溫室氣體、有毒氣體及粉塵等排放[1]，從而帶來巨大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。有機(jī)溫拌瀝青混合料是指根據(jù)添加劑自身的物理性能，在相同溫度時(shí)達(dá)到降低瀝青黏度的效果，通常添加劑的主要成分為蠟狀物[2]，如Sasobit FT硬蠟、Asphaltan-B酯化蠟等。

在車輛荷載復(fù)雜的特殊路段，路面往往承受著較大的剪切作用，如長(zhǎng)大縱坡路段、道路交叉口、匝道等車輛轉(zhuǎn)向頻繁的路段等，當(dāng)混合料的抗剪性能不足時(shí)易出現(xiàn)推移、松散等剪切破壞[3]。現(xiàn)有研究通常認(rèn)為，瀝青路面出現(xiàn)車轍、波浪等病害也與混合料的抗剪性能下降有較大的關(guān)聯(lián)[4]。對(duì)于交通行為復(fù)雜的特殊路段在應(yīng)用有機(jī)溫拌劑時(shí)，應(yīng)關(guān)注混合料抗剪性能是否滿足要求。本文將研究混合料中添加溫拌劑后抗剪強(qiáng)度及相應(yīng)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的變化規(guī)律，為有機(jī)溫拌添加劑在工程應(yīng)用中提供參考。

1 瀝青混合料抗剪強(qiáng)度測(cè)試

抗剪強(qiáng)度是表征瀝青混合料抵抗剪切作用而不發(fā)生破壞的極限強(qiáng)度值，常用的測(cè)試方法有三軸壓縮法和直剪法。三軸壓縮法測(cè)試抗剪強(qiáng)度的應(yīng)力狀態(tài)較明確，能模擬破壞形態(tài)，但這種方法的測(cè)試設(shè)備復(fù)雜，測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，操作要求高，并且試驗(yàn)是在軸對(duì)稱情況下進(jìn)行，與實(shí)際情況有所不同[5]。直剪試驗(yàn)的儀器構(gòu)造簡(jiǎn)單，操作方便，且試驗(yàn)中試件的受力特點(diǎn)也能夠滿足本文研究。因此，文中抗剪強(qiáng)度的測(cè)試采用瀝青混合料直剪試驗(yàn)，試件用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件，測(cè)試儀器為瀝青混合料直剪試驗(yàn)儀。

試驗(yàn)中記錄剪應(yīng)力出現(xiàn)的峰值F，通過剪應(yīng)力F與試件橫截面積S計(jì)算出抗剪強(qiáng)度τ，具體的計(jì)算公式如式（1）：

式中：τ為瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度，MPa；F為試件破壞時(shí)的水平剪力，kN；S為試件所受的剪切面積，m2。

試驗(yàn)選擇測(cè)試抗剪強(qiáng)度時(shí)的正應(yīng)力分別為0.1 MPa、0.3 MPa、0.5 MPa 和 0.7 MPa，根據(jù)庫(kù)倫理論和抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線[6]，將混合料試件的抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果和相應(yīng)剪切試驗(yàn)的正應(yīng)力進(jìn)行線性回歸，得出試件的抗剪強(qiáng)度參數(shù)φ、c。

式中：τj為混合料試件的抗剪強(qiáng)度，MPa；σj為剪切試驗(yàn)的正應(yīng)力，MPa；c、φ為回歸參數(shù)。

對(duì)直剪試驗(yàn)結(jié)果與三軸壓縮試驗(yàn)測(cè)得的抗剪強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，得到直剪試驗(yàn)與三軸壓縮試驗(yàn)得到結(jié)果的規(guī)律相同[7]，且結(jié)果與實(shí)際道路破壞相似并且真實(shí)可靠。試驗(yàn)中將成型好的標(biāo)準(zhǔn)瀝青混合料馬歇爾試件置于溫度為40℃的烘箱中3 h，如無特殊說明，文中采用混合料直剪試驗(yàn)的試驗(yàn)速率為50 mm/min，最大抗剪強(qiáng)度為0.7 MPa的正應(yīng)力對(duì)應(yīng)的剪切強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果。

2 原材料

2.1 有機(jī)溫拌劑

文中試驗(yàn)選用Sasobit-LM有機(jī)溫拌劑，為工程中常用Sasobit降黏劑的一種類型。產(chǎn)品是煤在液化過程中提煉得到的物質(zhì)，組成上屬于一種硬蠟，根據(jù)Sasobit-LM溫拌劑對(duì)瀝青性質(zhì)的影響及在工程中的應(yīng)用[8]，試驗(yàn)中選定摻量為3.0%。溫拌添加劑的物理指標(biāo)見表1。

表1 Sasobit-LM溫拌劑的物理指標(biāo)

2.2 瀝青及礦料

試驗(yàn)采用的瀝青為90號(hào)基質(zhì)瀝青和SBS I-C改性瀝青，礦料為石灰?guī)r，對(duì)原材料性能進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果滿足規(guī)范要求。文中選用的混合料采用路面常用的AC-16、SMA-16和OGFC-16型瀝青混合料，無特殊要求時(shí)其各篩孔的通過率均取級(jí)配范圍的中值。通過試驗(yàn)確定混合料的最佳油石比分別為4.6%、5.8%和4.1%，對(duì)級(jí)配與瀝青用量結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證滿足要求。

3 不同溫拌劑摻量下抗剪強(qiáng)度變化

3.1 基質(zhì)瀝青中添加溫拌劑后

通過直剪試驗(yàn)測(cè)試不同摻量Sasobit-LM溫拌劑下90號(hào)基質(zhì)瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度，試驗(yàn)選用AC-16型瀝青混合料，測(cè)試指標(biāo)結(jié)果見表2。

表2 不同Sasobit-LM摻量的90號(hào)基質(zhì)瀝青混合料抗剪強(qiáng)度變化

在基質(zhì)瀝青混合料中添加Sasobit-LM后，混合料的抗剪強(qiáng)度出現(xiàn)了明顯的下降，表明有機(jī)溫拌劑對(duì)瀝青混合料的抗剪性能形成了負(fù)面作用，因此在應(yīng)用有機(jī)溫拌劑時(shí)應(yīng)注意摻量的控制。隨著溫拌劑摻量的增加，內(nèi)摩阻角φ有一定的增大，但變化并不明顯，這是由于有機(jī)溫拌劑本身有潤(rùn)滑作用，能夠使集料相互之間嵌擠的更為密實(shí)[9]。黏聚力c隨溫拌劑摻量增加而明顯下降，表明溫拌劑對(duì)瀝青本身的黏結(jié)性能和黏聚性能形成較大影響。

3.2 SBS改性瀝青

在AC-16型SBS改性瀝青混合料中添加不同摻量的溫拌劑后，抗剪強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果見表3。

表3 不同Sasobit-LM摻量的SBS改性瀝青混合料抗剪強(qiáng)度變化

在SBS改性瀝青混合料中添加Sasobit-LM后，其抗剪強(qiáng)度的變化與基質(zhì)瀝青混合料相同。對(duì)比基質(zhì)與改性混合料抗剪強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果，SBS改性劑能夠提高混合料的抗剪性能，并一定程度上減弱有機(jī)溫拌劑對(duì)瀝青性能的負(fù)面作用。SBS改性瀝青混合料中內(nèi)摩阻角φ隨溫拌劑摻量的變化較小，且結(jié)果與基質(zhì)瀝青混合料相近，同時(shí)黏聚力c明顯大于基質(zhì)瀝青混合料，表明SBS改性瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的提高主要源于瀝青混合料及瀝青本身黏聚性能的提高。

4 不同類型瀝青混合料抗剪強(qiáng)度變化

4.1 不同級(jí)配混合料

比較同種類型不同級(jí)配混合料的抗剪性能隨溫拌劑摻量的變化，文中選用AC-16混合料的3種不同級(jí)配，分別為偏細(xì)型AC-16F、中值A(chǔ)C-16M和偏粗型AC-16C，其級(jí)配曲線見圖1。其中，為便于結(jié)果對(duì)比，不同級(jí)配的瀝青用量均設(shè)置相同。

圖1 混合料級(jí)配曲線示意圖

文中只選用90號(hào)基質(zhì)瀝青進(jìn)行試驗(yàn)，對(duì)上述3種級(jí)配的瀝青混合料進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)試，在添加不同摻量Sasobit-LM溫拌劑后的測(cè)試結(jié)果及相應(yīng)變化見表4。

表4 不同級(jí)配下不同Sasobit-LM摻量的90號(hào)基質(zhì)瀝青混合料抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表4，隨溫拌劑摻量的增加，瀝青混合料最大抗剪強(qiáng)度τ和黏聚力c都出現(xiàn)下降，而內(nèi)摩阻角φ的變化不明顯，表明有機(jī)溫拌劑使瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的降低主要源于瀝青本身黏結(jié)及黏聚性能的下降。對(duì)3種級(jí)配的混合料測(cè)試結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，級(jí)配居中混合料的抗剪強(qiáng)度結(jié)果要大于偏粗、偏細(xì)型，因此在工程中應(yīng)注意混合料關(guān)鍵篩孔通過率的控制。對(duì)比瀝青混合料內(nèi)摩阻角φ結(jié)果，可以得到混合料中的骨料顆粒越大，其嵌擠效果越明顯，相對(duì)應(yīng)混合料的內(nèi)摩阻角越大。對(duì)比瀝青混合料黏聚力c的測(cè)試結(jié)果，偏粗型的混合料黏聚力要差，這是由于石料的顆粒大而導(dǎo)致比表面積小，使自由瀝青的含量偏多進(jìn)而使混合料整體的黏聚力下降。

4.2 不同結(jié)構(gòu)類型的混合料

比較AC-16、SMA-16和OGFC-16三種結(jié)構(gòu)類型的瀝青混合料在添加溫拌劑后抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，見表5。

表5 不同結(jié)構(gòu)類型不同Sasobit-LM摻量的90號(hào)基質(zhì)瀝青混合料抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

分析表中測(cè)試結(jié)果，AC-16和SMA-16瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度相近，但明顯高于OGFC-16型瀝青混合料，表明特殊路段處應(yīng)用OGFC等大孔隙骨架結(jié)構(gòu)的混合料應(yīng)謹(jǐn)慎，并盡量避免有機(jī)溫拌劑在OGFC等混合料中的應(yīng)用。對(duì)比不同混合料內(nèi)摩阻角φ的測(cè)試結(jié)果，SMA-16的內(nèi)摩阻角要大于AC-16，AC-16的內(nèi)摩阻角大于OGFC-16，同時(shí)溫拌劑對(duì)OGFC-16內(nèi)摩阻角的影響表現(xiàn)更明顯，即有機(jī)溫拌劑的潤(rùn)滑效果在空隙較大的結(jié)構(gòu)中體現(xiàn)更顯著。對(duì)比瀝青混合料黏聚力c的變化結(jié)果，OGFC-16混合料的黏聚力小于AC-16和SMA-16，且其隨溫拌劑摻量的增加下降更明顯，即有機(jī)溫拌劑對(duì)瀝青性能的影響極大地降低了OGFC-16型混合料的抗剪性能。

5 不同試驗(yàn)速率的溫拌瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的變化

比較分析不同試驗(yàn)速率對(duì)混合料添加溫拌劑后抗剪強(qiáng)度的影響，文中選用混合料直剪試驗(yàn)3個(gè)不同的剪切速率，選用AC-16瀝青混合料的測(cè)試結(jié)果見表6。

表6 不同試驗(yàn)速率不同Sasobit-LM摻量的90號(hào)基質(zhì)瀝青混合料抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

根據(jù)表6結(jié)果，在不同的試驗(yàn)速率下，瀝青混合料抗剪強(qiáng)度都隨溫拌劑摻量的增加而降低，但試驗(yàn)速率越小，混合料抗剪強(qiáng)度降低速率相對(duì)越小，說明在試驗(yàn)速率較低時(shí)瀝青性能變化對(duì)混合料抗剪切破壞的影響在減弱。對(duì)比相同溫拌劑摻量混合料在不同試驗(yàn)速率下的抗剪性能測(cè)試結(jié)果，隨試驗(yàn)速率的減小，抗剪強(qiáng)度發(fā)生顯著降低，混合料黏聚力下降，同時(shí)內(nèi)摩阻角沒有明顯的變化，說明剪切速率對(duì)混合料的黏聚力影響較大。

對(duì)于陡坡路段、重載或超載路段，車輛往往行駛速度較慢，車輛輪胎對(duì)瀝青路面的作用時(shí)間就遠(yuǎn)大于高速行駛狀態(tài)下，這種情況下輪胎對(duì)路表面混合料進(jìn)行剪切作用的速率就顯著降低，致使混合料更容易發(fā)生推移、擁包和車轍等剪切性破壞[10]。因此，對(duì)于縱坡或重載路段瀝青混合料的設(shè)計(jì)更應(yīng)該采取有效措施來提高混合料的抗剪強(qiáng)度，以彌補(bǔ)車輛慢速作用下混合料易發(fā)生剪切破壞的不足。提高混合料抗剪性能可通過提高混合料本身的抗剪強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn)，也可通過添加纖維等可以加筋的外摻材料；對(duì)于有機(jī)溫拌劑的使用應(yīng)注意摻量的合理選擇與控制，可通過與SBS改性劑制備雙復(fù)合改性瀝青來提高混合料的使用性能。

6 結(jié)論

a）添加有機(jī)溫拌劑后，瀝青混合料抵抗剪切破壞性能變差，在應(yīng)用有機(jī)溫拌劑時(shí)應(yīng)關(guān)注混合料抗剪強(qiáng)度結(jié)果。隨著溫拌劑摻量增加，混合料抗剪強(qiáng)度τ和黏聚力c值下降，而內(nèi)摩阻角φ稍微增大。

b）SBS改性瀝青混合料的抗剪性能優(yōu)于相同條件下基質(zhì)瀝青，SBS改性劑能夠提高瀝青本身性能進(jìn)而提高混合料的抗剪強(qiáng)度。

c）隨有機(jī)溫拌劑摻量的增加，不同級(jí)配類型混合料的抗剪強(qiáng)度及抗剪參數(shù)變化規(guī)律相似，級(jí)配居中混合料的抗剪強(qiáng)度大于偏粗、偏細(xì)型混合料，因此工程中應(yīng)注意混合料關(guān)鍵篩孔通過率的控制。

d）有機(jī)溫拌劑對(duì)OGFC-16瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度影響較為顯著，對(duì)于OGFC等大孔隙骨架結(jié)構(gòu)的混合料使用有機(jī)溫拌劑時(shí)應(yīng)慎重，并注意溫拌劑優(yōu)選和摻量的控制等。

e）隨剪切試驗(yàn)速率的減小，瀝青混合料抗剪強(qiáng)度發(fā)生顯著降低，混合料黏聚力下降，且隨溫拌劑的作用在減弱。對(duì)于縱坡或重載路段瀝青混合料應(yīng)提高抗剪強(qiáng)度，以彌補(bǔ)車輛慢速作用下混合料易發(fā)生剪切破壞的不足。