随着国民经济的发展,交通量迅速增大,车辆大型化、严重超载、车辆渠道化等问题接踵而来,沥青路面出现了抗车辙能力不足和早期破损增多的现象,使用寿命大大缩短。特别是由于夏季“高温”情况下,车辆超载引起的车辙达到了惊人的地步,尤其在渠化交通处更为明显。要从根本上解决这个问题,就必须从提高沥青混合料的抗剪能力入手,但是目前路面结构的抗剪性能力学指标在我国乃至其他大部分国家的设计规范或手册中很少涉及。
1 抗剪性能的国内外研究概况
在国外进行沥青混合料的抗剪研究美国居多。Norman W.Mcleod详细阐述了已有试验方法和设计方法中存在的不足,指出利用马歇尔方法中的稳定度从严格意义上讲只是一种经验的方法,不足以描述路面的实际受力状态如剪切强度和其他的基本物理性能,也不能表明道路实际的使用性能。在后来的研究中他还给出了基于曲线包络线时的路面抗剪的设计方法。为了消除重载对道路产生的破坏,尤其是剪切破坏,他后来还提出了一种新的轮胎样式,改进的轮胎可以随着车辆轴重的增大,其相应的接地面积也增大,进而使路面产生的剪应力降低到可承受的水平。
V.A.Endersby提出了如何制备在三轴试验条件下的沥青混凝土试件和具体的试验方法,利用弹性理论的方法系统全面的阐述了道路的剪切受力状态,分别给出了三轴试验方法所采用的类型,加载速度和温度对试件的抗剪能力的影响。W.S.Housel,利用三轴试验方法对沥青混合料进行了力学方面的解释,指出了粒料的真实受力特性其实是一种拱联效应,力的传递就是通过拱联效应进行传递的,并给出了相应的剪切计算公式。
BH.Subbaraju,为了研究应力在道路中的分布规律,制作了试件并在其中埋入了传感器,同时施加荷载进行剪应力的测试和分析,并给出了具体的力学计算公式。Edward S.Barber,给出了路面在水平剪应力和垂直力同时作用条件下道路的受力状态,并且指出,道路设计中必须考虑水平剪应力的作用,在水平力和垂直力共同作用下,道路中产生的剪应力大大增加。
我国沥青路面的初期损坏现象日益严重,已经成为影响我国交通事业进一步发展的瓶颈,沥青混合料的抗剪性能研究引起了越来越多的关注。已有研究包括:1996年西安公路大学的延西利、吕篙巍等人通过简单的拉压试验对沥青混合料的内在参数C、φ值的研究[1];近年同济大学的毕玉峰的博士论文中采用单轴贯入法进行了沥青混合料的抗剪研究[2];长沙理工大学的谢泽华在她的硕士论文中运用三轴试验评价沥青混合料的高温稳定性,通过三轴试验对沥青混合料抗剪指标C、Φ值的影响因素进行分析[3]。
综上所述,目前沥青混合料的高温抗剪特性在我国乃至其他大部分国家沥青混合料和路面结构的设计方法中很少涉及。因此通过对高温条件重载作用下各种路面结构的力学分析,进行沥青混合料高温抗剪性能研究,更好地分析材料的组成结构和力学性能,这对沥青混合料的设计和沥青路面损坏防治措施的研究具有重要的指导意义和实用价值。
2 评价沥青混合料抗剪性能的方法
目前常用的评价沥青混合料抗剪能力的指标有以下几种。
(1)三轴压缩试验。
三轴试验假定沥青混合料近似为各向同性均质体,采用摩尔-库仑理论来解释混合料的抗剪性能,即认为材料的破坏是由于颗粒间产生了剪切滑移。试验结果可以获得材料在极限平衡状态时的一族应力圆,由该应力圆族构成的包络线以表示材料符合材料库仑方程的抗剪强度规律,进而求得材料的抗剪参数粘结力c和内摩擦角[3]。该试验方法操作比较复杂,因此在工程中应用较少。
(2)单轴蠕变试验。
采用圆柱试件,施加一定的荷载σ,则试件将产生压缩变形,以变形随时间变化速率来评价沥青混合料抵抗流动变形的能力。
(3)轮辙试验。
模拟实际路面的受力状态,采用轮碾成型的方形试件,其上施加可以以一定速率行走的车轮,其接触压力为0.7MPa,试件变形1mm车轮走行的次数即动稳定度值评价沥青混合料抗永久变形的能力。这种方法虽然是目前沥青混合料高温稳定性的评价方法和沥青混合料设计过程中的控制指标,但是,这一方法在评价沥青混合料抗剪强度方面有一定的局限性,并不能反映路面实际的抗剪能力。
另外,国内同济大学提出了一种简易剪切方法,即单轴贯入剪切[4],单轴贯入试验是一种全新的试验方法,类似于土工试验方法中的CBR试验。其原理就是在试件上使用小于试件直径的钢压头进行加载,通过这个试验来模拟路面中的实际受力状态,然后通过力学公式的推导,从而求出混合料的抗剪性能。这是一种区别与以往三轴试验的、更简单易行的、更能反映沥青路面实际受力情况的试验方法。
为评价高温对沥青混合料变形特性的影响,SHRP项目推荐采用三轴重复蠕变试验,对试件施加半正弦脉冲荷载,每次作用时间0.1s,停歇时间0.9s,持续时间3h或重复作用10000次,由标志第三阶段起点的作用次数作为出现剪切变形的流动指数Fn,能更好模拟实际路面材料受力状态和行车荷载特性。NCHRP的研究表明:对于有侧限的重复荷载蠕变试验,流变次数Fn与混合料的高温性能相关性最好,Fn越大,混合料劲度越大,高温性能越好。
3 结语
(1)沥青混合料是一种粘弹性材料,其力学性能与温度和荷载密切相关。高温重载是影响沥青路面产生车辙的重要因素,因而,研究高温重载对沥青混合料剪切流动变形的影响十分必要。
(2)高温对于沥青路面的影响本质上是对于沥青混合料模量的影响,沥青面层模量降低会使结构剪应变迅速增加,只有提高整个面层结构的模量,才能够控制高温时沥青面层的剪切变形。
摘要：为评价高温条件对沥青路面结构的影响,总结了国内外对沥青路面高温抗剪性能的研究成果,提出降低沥青面层剪应力的措施,并推荐了评价抗剪性能的方法。
关键词：沥青路面,高温,抗剪性能
参考文献
[1] 延西利,等.沥青混合料内在参数的实验研究[J].西安公路交通大学学报, 1997,9:35-39.
[2] 毕玉峰.沥青混合料抗剪试验方法及抗剪参数研究[D].同济大学博士学位论文,2004.
[3] 谢泽华.沥青混合料高温稳定性三轴试验研究[D].长沙理工大学硕士学位论文,2006,5.
[4] 毕玉峰,孙立军.沥青混合料抗剪试验方法研究[J].同济大学学报,2005,8: 1036-1040.