瀝青混凝土高溫剪切行為參數(shù)研究

方寅兵

（蘭溪市公路管理段，浙江 金華 321100）

0 引言

到2015年底，我國(guó)高速公路通車總里程已經(jīng)達(dá)到了12.537萬(wàn)km，在使得人們生活更加便利的同時(shí)也加重了交通負(fù)擔(dān)。由于汽車數(shù)量不斷增加、交通量越來(lái)越大，交通渠化帶來(lái)的病害問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重。我國(guó)所特有的超載和重載問(wèn)題使我國(guó)的高速公路使用壽命大大減小并形成了各種破壞類型，其中車轍即為最主要的病害之一[1]。在城市道路和干線公路交叉路口段、行車渠化段以及高速公路上坡路段等區(qū)域極易出現(xiàn)車轍。車轍是瀝青路面所特有的損壞現(xiàn)象，車轍病害不但會(huì)削弱路面結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，而且還會(huì)導(dǎo)致瀝青路面的抗滑性能下降，影響車輛的行駛安全[2-3]。因此，針對(duì)車轍機(jī)理開(kāi)展研究，對(duì)確保瀝青混凝土路面的使用質(zhì)量，提高其使用壽命以及路面行車安全性具有重要意義。

由于我國(guó)的瀝青混凝土路面一般采用半剛性基層，因此車轍主要發(fā)生在瀝青混凝土的面層。研究表明抗剪強(qiáng)度較低是實(shí)際路面出現(xiàn)車轍失穩(wěn)性破壞的重要因素，因而對(duì)材料抗剪強(qiáng)度的測(cè)定顯得尤為重要[4-5]。目前，規(guī)范中還未寫(xiě)入對(duì)材料抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)的具體要求，通常研究者們利用三軸壓縮試驗(yàn)來(lái)獲得材料參數(shù)黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ來(lái)表征其抗剪性能[6-8]。但三軸試驗(yàn)的條件較苛刻、操作較復(fù)雜，且室內(nèi)試驗(yàn)條件與實(shí)際路面受力條件還有許多不同。因此，本文結(jié)合無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和單軸貫入試驗(yàn)，對(duì)材料剪切性能參數(shù)的獲取開(kāi)展研究，探究其離散性以及試驗(yàn)可操作性，以便為瀝青混合料抗剪性能試驗(yàn)方法的選擇提出建議。

1 原材料與試件

本次研究選用的瀝青為S B S改性瀝青，粗集料為玄武巖，細(xì)集料和礦粉均為石灰?guī)r，材料的性能指標(biāo)符合《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTGE20—2011）的要求。所選瀝青混凝土級(jí)配為我國(guó)公路路面上面層常用的AC-13，各級(jí)粒徑下集料的通過(guò)率見(jiàn)表1；油石比為4.9%，目標(biāo)空隙率為4.2。試驗(yàn)儀器均采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（U TM-25），溫度均設(shè)置為 60 ℃[9]。

表1 混合料設(shè)計(jì)參數(shù)

采用瀝青混合料旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件。首先成型 ?150mm×150mm的瀝青混合料試件，之后利用瀝青混合料切割機(jī)取芯，可得直徑及高度均為100mm的圓柱型試件，用于無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和單軸貫入試驗(yàn)。為使得試驗(yàn)結(jié)果較為精準(zhǔn)及合理，2種試驗(yàn)均做3組平行試驗(yàn)，并取平均值作為最終結(jié)果進(jìn)行后續(xù)分析及計(jì)算。

2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)是僅僅對(duì)試件施加豎向的壓力，試驗(yàn)過(guò)程中壓頭的壓力不斷增大，當(dāng)達(dá)到其極限值后壓力開(kāi)始減小，此時(shí)試件已經(jīng)破壞，則將測(cè)得的最大壓力作為試件的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值。

啟動(dòng)U TM（萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)），將其內(nèi)部溫度設(shè)定為60℃，并打開(kāi)電腦中的統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)U T S。將切割好的試件放入U(xiǎn) TM室內(nèi)，讓其在60℃下恒溫4 h。調(diào)整U TM，分別對(duì)試件1、2、3進(jìn)行加載，加載速率為2mm/min。利用U T S采集數(shù)據(jù)，可得到這3個(gè)試件的應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線（示例見(jiàn)圖1）以及最大主應(yīng)力值P，進(jìn)而可通過(guò)式（1）計(jì)算得到其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度值σu，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知：試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，離散性較小。

圖1 試件2的軸向荷載變化圖

表2 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)應(yīng)力摩爾圓受力情況，無(wú)側(cè)限受壓破壞狀態(tài)下試件的最小主應(yīng)力σ3=0MPa，最大主應(yīng)力σ1=1.20MPa。

3 單軸貫入試驗(yàn)

目前，研究者多數(shù)仍通過(guò)三軸試驗(yàn)來(lái)獲得材料的抗剪參數(shù)值。然而，三軸試驗(yàn)所提供的圍壓也僅僅是一個(gè)定值，其與實(shí)際路面的受力狀態(tài)差別較大。為了使室內(nèi)試驗(yàn)所提供的圍壓更符合實(shí)際情況，研究者提出了單軸貫入試驗(yàn)方法。本次研究選用了畢玉峰等[10]提出的單軸貫入試驗(yàn)方法，并以此結(jié)合無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)獲得材料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ值。

單軸貫入試驗(yàn)與無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備、試件及過(guò)程基本相同，只是改變了加載所用壓頭的大小。本文單軸貫入試驗(yàn)選用直徑為28.5mm的壓頭。其通過(guò)材料自身來(lái)提供圍壓，使試驗(yàn)中圍壓更符合實(shí)際情況，且研究者已經(jīng)利用三維有限元計(jì)算出了抗剪強(qiáng)度參數(shù)，研究只需通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得貫入破壞時(shí)壓頭提供的最大壓應(yīng)力值，再乘以相應(yīng)系數(shù)即可求出三軸狀態(tài)下的主應(yīng)力值。具體可用式（2）表示：

式中：S表示所求的各應(yīng)力值，具體為最大主應(yīng)力σ1、最小主應(yīng)力σ3和剪應(yīng)力τ；Ci表示強(qiáng)度參數(shù)（i=1，13，子），具體數(shù)值見(jiàn)表 3（貫入強(qiáng)度為 1MPa）；P＇為試驗(yàn)所得的最大貫入壓應(yīng)力值。

3組平行試驗(yàn)的應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線示例見(jiàn)圖2，進(jìn)而可根據(jù)最大主應(yīng)力值P＇（見(jiàn)表4），通過(guò)式（2）計(jì)算出最大、最小主應(yīng)力σ1和σ3。由結(jié)果可知：試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，離散性較小。

圖2 試件6的軸向荷載變化圖

根據(jù)應(yīng)力摩爾圓受力情況，單軸貫入破壞狀態(tài)下試件的 σ3=C3×P＇=0.256 8 MPa，σ1=C1×P＇=2.253 3MPa。

表4 單軸貫入試驗(yàn)結(jié)果

4 抗剪強(qiáng)度參數(shù)

以莫爾-庫(kù)倫理論為前提，將上述2個(gè)試驗(yàn)獲得的莫爾圓力學(xué)參數(shù)在同一個(gè)坐標(biāo)系下進(jìn)行表示，如圖3所示。通過(guò)增設(shè)輔助線，采用幾何求解可得材料的黏聚力c、內(nèi)摩擦角φ的計(jì)算公式，如式（3）、式（4）所示。

圖3 c、φ值求解示意圖

式中：σ1=2.253 3MPa，σ3=0.256 8MPa，σu=1.20 MPa，代入式（3）和式（4）可得：φ=37.44°，c=0.296 3 MPa。

由此可得試件在無(wú)側(cè)限受壓破壞時(shí)破壞面上的剪應(yīng)力τ0為：

試件在單軸貫入破壞時(shí)破壞面上的剪應(yīng)力τ'0為：

5 結(jié)語(yǔ)

（1）介紹了通過(guò)無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和貫入試驗(yàn)來(lái)研究瀝青混合料抗剪強(qiáng)度參數(shù)的原理及方法，為后續(xù)抗剪性能試驗(yàn)的選擇提供了參考。

（2）無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與貫入試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果均比較穩(wěn)定，數(shù)值的離散性較小，試驗(yàn)方法較可靠。

（3）本文的研究進(jìn)一步證明了相比條件苛刻、操作復(fù)雜的三軸試驗(yàn)，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)與貫入試驗(yàn)的結(jié)合使用更加方便可行。