[科普中国]-沥青稳定碎石混合料

沥青稳定碎石混合料的抗剪性能

为了评价沥青稳定碎石混合料的抗永久变形能力，通过对三轴受力模型进行分析、简化，利用无侧限抗压强度试验和劈裂强度试验，对沥青稳定碎石混合料的力学性能和抗剪强度参数进行研究。结果表明:随公称最大粒径、粗集料含量的增大，内摩擦角增大，而粘聚力减小;提高结合料粘度可以明显提高粘聚力，而对内摩擦角影响不大;采用基于无侧限抗压强度试验和劈裂强度试验得到的抗剪强度参数，可以用于沥青稳定碎石混合料设计。1

越来越多的道路工程下面层开始使用沥青稳定碎石(ATB)。由于高速公路交通量大、重载车多和渠化交通严重，如果设计不当，极易在高温季节产生车辙病害，因此，对沥青混合料高温性能研究较多。虽然使用ATB的层次较低，受温度的影响不如上面层和中面层，但是如果ATB抗剪强度不高，也会产生剪切破坏，形成永久变形;且ATB一般厚度较大，因此其影响也不容忽视。ATB抗剪强度主要由两部分构成:一是沥青结合料产生的粘聚力;二是大小不同的集料颗粒嵌挤、摩擦产生的摩阻力，其中内摩阻力主要取决于矿料的级配、形状和表面特性等因素。就ATB在路面中的实际使用情况来看，采用三轴试验无疑最接近其真实的受力状态。但是，三轴试验需要专门的试验仪器，很难在工程单位推广应用。为此，研究人员提出了一的试验方法，如直接剪切试验、贯入试验等，这些评价方法相比三轴试验更简单，但是仍然需要专门的仪器或夹具，大规模应用仍然不方便。为此通过对三轴受力莫尔圆的受力分析，利用工程单位很容易实施的无侧限抗压强度试验和劈裂强度试验的结果来计算ATB的粘聚力和内摩擦角，从而评价其抗剪切性能。1

集料级配分形规律及其应用为了分析和利用沥青稳定碎石混合料集料级配分形规律，基于分形几何的基本理论，推导出沥青稳定碎石混合料集料的分形几何模型；以 ATB-30 为例，计算了集料级配分维值，并通过沥青混合料体积参数的测试，研究了分形维数与体积参数的关系．结果表明：规范级配范围对应的 ATB-30 分维值 范围为 2.4117 ~2.574 4；分维值D 与空隙率、矿料间隙率、沥青饱和度、稳定度等体积参数有很好的相关性．利用集料级配分形规律，可对具有不同分维值D 的沥青稳定碎石混合料的体积参数进行预估，使混合料的配合比设计更具针对性．2

沥青稳定碎石混合料是由集料、矿粉和沥青组成的非均值、多相、多层次的复合体系．集料占混合料中的质量分数约 95 % ，因此，集料特征（集料的形状、规格、级配等）决定了沥青混合料的体积组成，进而影响着混合料各种路用性能．集料往往使用机制碎石．研究表明，碎石的表面具有明显的分形特征—自相似和自仿射，不同尺度的碎石混合后，表征集料特征尺寸的粒径形成一种分布，这种分布是一种数学分形．由此导致其质量分布函数（通过率）、体积结构具有分形特征，从而使沥青混合料宏观力学性能呈现出不确定性、不规则性、模糊性和非线性的分形特点．近年来，道路研究人员利用分形几何理论对集料颗粒分形特征，混合料级配走向、抗滑性和疲劳性能进行了研究，取得一些有重要结论．但是，沥青稳定碎石混合料集料级配的分形规律及其应用，未见报道．在总结前人研究的基础上，基于集料级配的分形特征，探讨沥青稳定碎石混合料集料的分形规律，研究集料级配分形维数与沥青稳定碎石混合料体积指标的关系，以期对沥青稳定碎石混合料级配设计和性能检测更具针对性．2

级配设计方法据统计，中国90%以上的高等级公路沥青路面的基层和底基层采用了半刚性材料，这表明半刚性基层沥青路面已经成为中国高等级公路沥青路面的主要结构类型。然而，经过20余年的研究和应用发现，半刚性基层沥青路面存在着一些不可克服的技术问题，如由于半刚性基层材料的干缩和温缩特性而导致沥青路面产生反射裂缝;半刚性基层在荷载和水的综合作用下产生的唧浆、松散等水损害现象，严重影响了道路的继续服务能力，造成了较大的经济损失和不良的社会影响。虽然中国已经采取了多种措施来减少半刚性基层沥青路面的反射裂缝以及水损害，但效果均不明显。因此，中国越来越重视沥青稳定碎石基层的研究和应用。如何根据基层的受力特点，准确地设计出能够满足性能要求和结构要求的沥青混合料，已成为道路工程技术领域的重要研究课题。3

分别采用现行规范推荐法、Superpave法、主骨架空隙体积填充(CAVF)法和贝雷法设计了4种密级配沥青稳定碎石基层混合料，然后采用力学指标设计法确定了所设计的4种级配沥青稳定碎石基层混合料的最佳油石比，并对最佳油石比下的沥青稳定碎石基层混合料进行了抗永久变形性能和抗疲劳性能等路用性能的研究;根据设计过程和设计结果对4种级配设计方法进行了比较评价，在此基础上提出了新的密级配沥青稳定碎石基层混合料的级配设计方法———五控制点级配设计方法。结果表明:采用五控制点级配设计方法设计的级配与贝雷法、CAVF法的设计级配非常接近，并且总体上位于贝雷法设计级配和CAVF法设计级配之间。3