王 民，汪 昊，肖 丽，杨心瑶，王 滔
(1. 重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；
2. 重庆市智翔铺道技术工程有限公司，重庆 401336)
浇注式沥青混合料(GA)是一种悬浮密实型结构的沥青混合料，与其他普通或改性沥青混合料相比，具有非常小的空隙率[1-3]。有着高密水性、高耐疲劳性以及高整体性等优点，已经广泛应用钢桥面铺装。但由于沥青含量较高，导致高温抗变形能力不足，服役过程中易产生车辙病害[4-6]。SHRP研究结果发现，在汽车荷载作用下，当沥青混合料的剪应力大于剪切强度时，路面容易形成流动性车辙[7-8]。为提高浇注式沥青混合料高温变形能力，减少车辙病害出现，对其抗剪强度的研究必不可少。
近年来，从事路面结构及材料方面研究的学者对沥青混合料的抗剪性能从不同方面进行了探索。张海州等[9]通过三轴剪切试验，分析了温度、围压、沥青胶结料等级以及级配类型四个方面对SMA及Sup沥青混合料抗剪切性能的影响；
袁峻等[10]利用数字图像处理技术和MATLAB软件，对粗集料的形状、棱角及表面纹理进行了二维形态描述，确定了与沥青混合料高温抗剪强度有关的指标；
张小元等[11]通过三轴压缩试验，研究了AC沥青混合料抗剪强度参数与级配、温度和添加剂关系，并建立了混合料与围压、温度相关的材料破坏面抗剪强度预测模型；
王民[12]采用单轴贯入试验，从油石比和温度两方面测试并计算GA-10的抗剪强度及参数，同时与SMA-10和AC-10两种沥青混合料做对比，对浇注式沥青混合料抗剪强度机理进行了分析；
杨军等[13]对SMA-13、AC-13、Sup-13以及PA-13四种沥青混合料进行三轴剪切试验，同时结合离散元方法对其进行了模拟，并与试验室结果进行分析验证了模型的正确性。
综上所述，目前对浇注式沥青混合料抗剪强度的研究主要以普通改性沥青混合料为对象，或者从模型角度和剪切试验方法等方面进行探讨，而且在影响因素分析方面主要考虑的是材料的结构以及施工工艺，抗剪强度未引起足够的重视。因此，笔者以浇注式沥青混合料材料组成和试验条件为出发点，分析各指标对其抗剪性能的影响规律，为后期浇注式沥青混合料用于钢桥面铺装并减少车辙病害的出现提供借鉴和指导。
1.1 试验方案
根据浇注式沥青混合料结构组成特点，JTG/T 3364-02—2019《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》的相关要求，从材料组成(沥青类型、油石比、级配)和试验条件(温度、加载速率)两个方面进行测试，表1列出了具体的试验方案。
表1 试验方案Table 1 Test program
1.2 测试方法
采用澳大利亚IPC公司生产的三轴室及UTM-100型动态伺服液压沥青混合料系统对剪切强度进行测试。首先利用土工试模成型成150 mm(直径)×172 mm(高度)的筒体，再用钻芯机钻取芯样，最后按照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0718—2011试验方法切割最终试件尺寸为100 mm(直径)×150 mm(高度)。
试验过程中，除考虑加载速率因素外，其他影响因素下试验时加载速率均为7.5 mm/min；
围压取0、138、276、414 kPa四个水平；
当监测到轴向荷载到达峰值且数据稳定后，在轴向荷载回落速度变快的拐点处停止加载，得到最大破坏荷载和轴向变形。
根据库伦-摩尔理论原理可知[14]，黏聚力和内摩擦角材料是决定抗剪强度的两个重要参数。根据试验得到最大破坏荷载和轴向变形，利用JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T0718—2011试验的算法，计算得到沥青混合料的抗剪强度参数黏聚力c、内摩擦角φ，并基于式(1)确定抗剪强度。
τ=c+σtanφ
(1)
式中：τ为抗剪强度， MPa；
c为黏聚力， MPa；
φ为内摩擦角(°)；
σ为法向压应力， MPa。
选用SK-70# 基质沥青，复配热塑性弹性体、增塑剂、降黏剂等外加剂，自行生产加工得到聚合物复合改性沥青。同时，为了比较其对沥青性能的影响，另选湖沥青复合改性沥青与硬质沥青复合改性沥青为研究对象，主要技术指标如表2。
表2 沥青胶结料主要性能指标Table 2 Main performance indexes of asphalt binder
浇注式沥青混合料(GA-10)用集料为玄武岩，矿粉为磨细石灰石粉，材料与混合料性能指标均符合JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》与JTG/T3364-02—2019《公路钢桥面铺装设计与施工技术规范》要求，如表3。
表3 不同沥青类型浇注式沥青混合料主要性能指标Table 3 Main performance indexes of gussasphalt mixture with different asphalt types
制备浇注式沥青混合料(GA-10)的矿料级配曲线如图1。
图1 浇注式沥青混合料矿料级配曲线Fig. 1 Aggregate gradation curve of gussasphalt mixture
3.1 材料组成对沥青混合料抗剪性能影响
3.1.1 沥青类型
采用聚合物复合改性沥青、湖沥青复合改性沥青以及硬质复合改性沥青三种沥青，制备浇注式沥青混合料，在60 ℃条件下进行三轴剪切试验，计算得到抗剪强度及参数，结果如表4。
表4 不同沥青类型浇注式沥青混合料抗剪强度及参数Table 4 Shear strength and parameters of the gussasphalt mixture with different asphalt types
由表4可见，三种改性沥青制备的浇注式沥青混合料抗剪强度及参数差别不是很大。其中，黏聚力和抗剪强度的变化趋势一致，均为聚合物复合改性沥青混合料>湖沥青复合改性沥青混合料>硬质沥青复合改性沥青混合料。采用聚合物复合改性沥青制备的浇注式沥青混合料具有最大的内摩擦角(18.87°)和黏聚力(0.82 MPa)，抗剪强度最高(1.06 MPa)，综合抗剪性能最好。采用湖沥青复合改性沥青制备的浇注式沥青混合料内摩擦角最小，主要是因为混合料在220～240 ℃温度拌合下，改性剂对沥青的老化作用明显减弱，几乎丧失。采用硬质复合沥青制备的浇注式沥青混合料的黏聚力最小、内摩擦角相对较大，相对其他两组材料，骨料提供的嵌挤作用对混合料的抗剪性能影响更明显。
3.1.2 油石比
采用聚合物复合改性沥青，选用7.6%、7.8%、8.0%、8.2%、8.4%五个油石比制备浇注式沥青混合料，进行60 ℃三轴剪切试验，计算得到抗剪强度及参数，结果如表5。
表5 不同油石比浇注式沥青混合料抗剪强度及参数Table 5 Shear strength and parameters of the gussasphalt mixture with different asphalt aggregate ratios
从表5可以看出，油石比为7.8%时，混合料的抗剪强度达到最大值(1.15 MPa)。对于内摩擦角，随着油石比的不断增大，浇注式沥青混合料内部含有较多的自由沥青，导致沥青膜变厚，从而降低了集料之间的摩擦阻力，使得内摩擦角减小，且两者间线性相关性较明显。对于黏聚力而言，相对低沥青用量时，混合料内部沥青与矿粉形成的胶浆使黏聚力增大，当油石比为7.8%时达到最大值(0.875 MPa)；
随着沥青用量逐渐增加，沥青与矿粉组成的胶浆粉胶比减小，导致混合料黏聚力也开始下降；
因此，黏聚力随油石比的增加呈现先增加后减小得趋势。
3.1.3 级 配
采用聚合物复合改性沥青，利用粗、中、细三种级配制备浇注式沥青混合料，在60 ℃条件下进行三轴剪切试验，计算得到抗剪强度及参数，如表6。
表6 不同级配下浇注式沥青混合料抗剪强度及参数Table 6 Shear strength and parameters of the gussasphalt mixture with different gradations
从表6可以看出，三种矿料级配下浇注式沥青混合料抗剪强度大小为：中级配>细级配>粗级配。矿料由细变粗的过程中，内摩擦角呈现增大趋势，说明此过程中混合料的嵌挤作用变大。黏聚力和抗剪强度变化趋势一致，先增大后减小，悬浮密实结构的浇注式沥青混合料抗剪性能更依赖于黏结作用。
3.2 试验条件对沥青混合料抗剪性能影响
3.2.1 温 度
采用聚合物复合改性沥青制备浇注式沥青混合料，在25、40、60 ℃三种温度下进行三轴剪切试验，计算得到抗剪强度及参数，结果如表7。
表7 不同温度下浇注式沥青混合料抗剪强度及参数Table 7 Shear strength and parameters of the gussasphalt mixture at different temperatures
由表7能够看出，随着温度的升高，由于沥青胶结料的黏度大幅度下降，混合料变成黏塑性，降低了抵抗荷载作用的能力，导致抗剪强度和黏聚力不断减小，当温度从25 ℃升到60 ℃时，抗剪强度和黏聚力分别降低了原来的33%和37%，可见温度对浇注式沥青混合料的影响较大。对于内摩擦角而言，其大小主要取决于混合料内部的沥青含量和矿料分布，虽然温度的升高使集料滑移导致内摩擦角有所减小，但浇注式沥青混合料作为一种悬浮密实型结构，集料滑移造成的影响较小。而且细集料大部分是填充间隙的作用，相对粗集料棱角性不足，因此没有较高的内摩擦角。
3.2.2 加载速率
采用聚合物复合改性沥青制备浇注式沥青混合料，在60 ℃下进行6.00、6.75、7.50、8.25、9.00 mm/min 五种加载速率的三轴剪切试验，计算得到抗剪强度及参数，结果如表8。
表8 不同加载速率下浇注式沥青混合料抗剪强度及参数Table 8 Shear strength and parameters of the gussasphalt mixture at different loading rates
从表8能够看出，抗剪强度、黏聚力以及内摩擦角都随加载速率的增大而逐渐增大，但趋势较缓慢。其中内摩擦角对加载速率几乎没有影响，最大差值仅为1.52°。当加载速度小于8.0 mm/min时，黏聚力增加速率缓慢。和其他影响因素对比发现，加载速率对混合料抗剪性能影响并不显著。
笔者基于三轴剪切强度试验，对不同材料组成和试验条件下浇注式沥青混合料抗剪强度进行研究，分析了各因素对其抗剪性能的影响规律，为减少桥面铺装浇注式沥青混合料车辙病害，提供了理论指导和数据支撑，形成了以下主要结论：
1)三种复合改性沥青下，混合料抗剪强度大小为：聚合物复合改性>湖沥青复合改性沥青>硬质沥青复合改性，聚合物复合改性沥青混合料抗剪强度最大，综合抗剪性能最优。
2)随油石比的增加，混合料抗剪强度和黏聚力先增大后减小，内摩擦角保持逐渐减小的趋势，油石化为7.8%时分别达到最大值，τ=1.15 MPa、c=0.82 MPa，两者之间相关性明显。
3)中级配下混合料抗剪性能最好，级配由细变粗时，黏聚力与抗剪强度变化趋势一致，影响更为显著，可见悬浮密实结构的浇注式沥青混合料抗剪性能更依赖于黏结作用。
4)温度对浇注式沥青混合料抗剪性能影响较大，抗剪强度和黏聚力随温度的升高而不断减小，当温度从25 ℃升到60 ℃时，抗剪强度和黏聚力分别降低了原来的33%和37%。内摩擦角虽也有减小，但变化趋势不大。
5)随着加载速率的增大，抗剪强度指标均逐渐变大，但趋势十分缓慢，其中内摩擦角对加载速率影响很小。当加载速度小于8.0 mm/min时，黏聚力增加速度变缓，和其他影响因素对比发现，加载速率对混合料的抗剪性能影响并不显著。
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