沥青路面剪切问题研究

路面剪切问题的研究, 可以从以下几个方面考虑。

1路面剪应力分析

确定了路面结构设计指标, 并获得设计所需要的各种参数后, 就可以进行路面结构的设计, 提出初步的结构方案, 然后进行力学计算分析。力学计算分析主要的针对对象是其剪切性能。

2提出控制剪应力水平的合理的模量组合

路面结构不同的模量组合, 不同的材料参数, 其受剪特性会有较大的变化。根据力学计算结果, 提出合理的模量组合, 从而降低沥青混合料的剪切影响。

3材料的剪切研究

合理的模量组合, 是要把沥青层内的剪切响应降低。然而, 沥青混合料受温度、老化的影响, 其模量变化幅度较大, 从而造成其受力特性, 尤其是剪切应力特性有很大的变化。因此, 需要从沥青混合料材料本身的抗剪切性能出发, 进行其抗剪切性能设计。

(1) 剪切强度实验系统。

实验方案:进行沥青混合料剪切特性分析的最主要难点是抗剪切特性的测定。传统上采用三轴压缩试验测定沥青混合料的剪切特性, 至于这种试验方法到底是否适用于沥青混合料则很少有人去研究。

选择抗剪切试验方法时, 应该考虑如下几个原则: (1) 与路面结构的受力具有相似性, 试件的受力状态与路面结构的受力状态相似; (2) 试件的损坏过程能够反应该类材料强度产生的本质特点, 即能够反应损坏的机理; (3) 除能够测得抗剪强度外, 最好能够评价沥青和集料的性能; (4) 试验过程简单, 试验参数容易确定。可能用来作为抗剪试验方法考虑的有三轴试验和直接剪切试验, 以及课题组提出的单轴贯入试验, 或称简单贯入试验。

在三轴试验中, 试件的应力分布与实际路面不同, 而且更困难的是无法确定侧压力 (围压) 的大小。在路面结构中, 材料之所以具有抗剪切能力, 是因为具有沥青的粘结力、集料之间的嵌锁力和外围材料的侧向约束力, 产生的侧向力大小因沥青混合料的性能不同而不同, 因荷载的大小而不同, 因此试验中如何施加侧向力比较困难。

实际上, 剪切应力是复杂应力状态的简洁表达方式。试验中人为地施加了围压, 实际上抵消了沥青的作用, 试验结果无法评价沥青的作用, 试件的损坏过程也无法反映沥青混合料的强度机理。

另一方面, 三轴试验的试验过程复杂, 难以使用。直接剪切试验的受力状况与路面结构的受力状况也不一致, 比较适应于具有明确滑动面结构的抗剪切特性的测量, 同样, 正压力的大小也是难以确定的试验参数。单轴贯入试验能够较好地满足上面提到的4个原则。首先, 在单轴贯入试验中, 试件内产生的剪切应力分布与实际路面在车轮荷载作用下产生的剪应力分布相似, 甚至可以重合。其次, 由于压头直径大大小于试件的直径, 在加载过程中周边的材料将形成对压头下圆柱体的侧向约束, 试件的破坏意味着约束的破坏, 这反映了沥青混合料抗剪强度的形成机理。再次, 侧向约束的大小与沥青的性能和混合料的性能密切相关。实际上, 贯入压力不同, 所受到的侧向约束也不同;在这个过程中, 竖向压力是主动的, 侧向压力是被动的, 侧向约束的大小与竖向压力有关。这个过程与实际路面相同, 可以评价沥青的作用和集料的作用。最后, 试验十分简单。

与三轴试验相比, 贯入试验可以直接测出的是路面结构中沥青混合料的抗剪强度, 而三轴试验则只能通过测量c, Φ间接得出抗煎强度。

(2) 试验参数的确定。

可以把该问题划分成如下几个方面。

(1) 试件大小的确定。从方便试件制备的角度考虑采用圆柱体试件, 需要确定试件采用多大的直径和高度, 其径高比为多少。

(2) 压头大小的确定。对于单轴贯入试验, 其贯入压头是关键部件之一。采用多大的压头合适呢?根据以往试验的经验, 初步拟定出三种压头尺寸, 直径分别为19mm、28.5 mm以及38mm。拟定的依据是分别为磨耗层常用沥青混合料最大公称粒径的1.5、3和4倍。

用r/R来表示压头和试件直径的比值, r为压头的直径, R为试件的直径。r/R的比值越小, 越能模拟荷载作用在路面上的实际情况。如果试件直径太大, 试件成型比较困难。因此, 采用多大的r/R值, 应该首先采用力学分析加以比较, 确定出初步的合理比值, 然后通过下一步的试验进行验证。

据此, 可以将路面模型图简化为一定尺寸的圆柱体, 其上施加一定荷载。当r/R比值足够小时, 其受力状态应与路面的受力完全一致。因此, 采用单轴贯入试验方法评价沥青混合料的抗剪强度是合理的, 一方面其受力模式与路面一致, 另一方面其试验方法易操作, 设备简单, 适合工程应用。

为了进一步了解简化模型的受力情况, 我们进行了三维受力分析, 并分别给出了沿深度和水平方向的应力分布图。在进行分析时, 采用的试件尺寸为D×H=100mm×1 0 0 m m、D×H=1 0 0 m m×6 3.5 m m、D×H=100mm×150mm (D、H分别为试件直径、高度) ;压头采用钢制压头, 其尺寸为直径19、28.5和38mm, 高度为20mm。分析表明, 对于直径×高度=150×100mm的试件, 其最大剪应力在压头为28.5mm和试件尺寸为100×100mm时相差不到1%。但是, 从试验成型试件的方便性来看, 选用100×100mm的试件应该是最为合适的。根据轮胎实测接地压力的有限元计算结果, 在60℃时的半刚性基层道路中的剪应力平均值为0.236Mpa, 与压头为28.5在试件尺寸为100×100mm时的应力计算值0.237Mpa十分接近。所以建议采用压头直径为28.5mm, 试件尺寸为100×100mm。

试验温度采用60℃, 加载速率为1mm/s。

(3) 试验数据的处理。

试件的加载至破坏过程可以分成几个阶段, 即压密阶段、线性变形阶段、破坏阶段和彻底破坏阶段。将破坏阶段的贯入应力定义为贯入强度。

(4) 沥青混合料C、Ф值的测试和计算。

采用单轴贯入试验虽然可以测出沥青混合料的抗剪强度, 但无法得出混合料的内聚力C和内摩擦角Ф。就抗剪强度计算而言, C、Φ值已没有什么意义, 但这里希望通过φ值的测定, 达到评价集料表面纹理特性、控制集料质量的目的;而集料表面纹理是目前无法定量的重要指标。为此, 将目前的贯入试验理解为特定围压的三轴试验, 由此可以得出一个破坏时的莫尔圆;补充一个相同试件规格的无侧限单轴压缩试验——可以将其理解为围压为“零的三轴试验, 由此可以得出另一个破坏时的莫尔圆, 这样, 可以计算出内聚力 (C) 和内摩擦角 (Ф) 。

从上述的分析可知, 单轴贯入试验是一种非常方便的测定沥青混合料抗剪强度的实验方法, 不需要复杂的实验设备。这种方法为沥青混合料抗剪强度的检验, 为路面结构的设计, 为路面车辙的控制以及Top-down开裂的控制提供了基础。

摘要：造成沥青路面早期损坏的主要原因是半刚性基层模量的过大, 造成沥青面层内剪应力过大, 导致车辙、推挤、拥包损坏, 甚至与水、荷载综合作用而发生各种早期破坏。因此, 进行路面剪应力分析, 确定主要影响因素, 提出控制路面剪切破坏的结构设计和材料设计方法, 应该是路面结构设计的一个值得注意并加以考虑的环节。

关键词：沥青路面,剪切问题