基于抗剪性能的城市道路沥青路面材料研究

张超

摘要：对于城市道路沥青路面建设的质量要求包括：压实度表面坚实、平整、嵌缝料不得浮于表面或聚积形成一层;经压路机碾压后，城市道路轮迹深度不能超过5mm。由于城市道路沥青路面施工技术应用范围的拓宽，尤其是应用在城市道路沥青路面实践中沥青材料抗剪性能的优越性已经逐渐显现出来，影响沥青材料抗剪性能的关键因素包括：沥青类型、配比、油石比、粗集料针片状含量以及细集料棱角性。抗剪性能作为衡量沥青路面材料的重要指标，一直是国内外重点研究的问题。

关键词：抗剪性能;沥青路面材料;材料配比

引言

裂缝是沥青路面最普遍的一种损坏现象，也是造成瀝青路面早期病害的主要原因之一。路面一旦出现裂缝，随着行车荷载的反复作用和自然因素的不断影响，尤其是地表水的浸入会导致路面强度迅速降低，路面很快就会产生龟裂、坑槽等病害，严重影响路面的使用性能。由于沥青路面结构始终处在交通荷载的循环作用下，其破坏主要表现为疲劳破坏特征，利用疲劳断裂力学方法分析沥青路面疲劳开裂，可获得有价值的结论。

1、高速公路路面材料中存在的主要问题

（1）路面材料自身存在问题。在高速公路的路面施工中应用的矿料非常多，虽然矿料颗粒之间具备一定的黏结性，但是在受到外界压力时，颗粒之间的凝结度会比较差，而且也会出现颗粒的位移，大幅度降低了高速公路路面施工的稳定性和可靠性，进而造成高速公路路基结构的稳定性和承载力下降，也就是说矿料主要应用在交通量比较低的公路中。块料与矿料有很大不同，块料的坚固性比较好，但是需要用人工进行铺筑，施工成本也比较高，不利于应用在高速公路施工中。天然沙砾基层是以砂砾为主要的施工原材料，在当前的高速公路路面施工中比较常见，也是应用范围最广的原材料，为了有效保障材料质量和材料性能，需要工作人员加大对天然沙砾基层的颗粒控制。（2）沥青路面问题。通常情况下，高速公路施工中是采用沥青材料，而施工人员需要结合施工单位提供的各项参数，准确配置路面施工中的沥青混合料，而且需要选取性能优越的矿料。在进行沥青材料选择时，需要根据施工地的交通条件，气候特点等合理分析，确保选择的沥青种类和标号符合施工标准，并能够在施工完成之后发挥沥青材料的价值与作用。避免在高速公路路面施工中出现大面积的车辙，降低路面可能出现的裂缝和凹陷，提升高速公路路面施工稳定性，强化施工安全。

2、设计沥青路面材料配比

城市道路沥青路面工程建设时主要采用沥青砼进行分路幅摊铺，致力于将接缝位置衬砌更加紧密，防止出现裂缝问题。沥青路面材料配比作为影响沥青路面材料抗剪性能的内在因素，应该根据我国城市道路围岩地质条件以及施工条件的使用要求，对沥青原材料进行配比调试。在城市道路沥青路面工程施工试拌、试铺的阶段做好调整配置工作。依据马歇尔稳定度、孔隙率、试件密度以及电流值，绘制马歇尔试验指标曲线图。马歇尔试验指标曲线图的具体绘制步骤包括：首先，确定城市道路沥青路面的设计级配范围;再对沥青路面材料进行选择与准备;通过设计沥青路面材料的配比，进而确定沥青最佳使用量。

3、工艺试验

（1）拌和试验。首先针对三种级配进行粘稠度调整，调整方法为外加水，结果显示编号1级配外加水量达2.0%～2.5%后具有以上表现;编号2级配外加水量达1.5%～1.8%后具有以上表现;编号3级配外加水量达1.5%左右后具有以上表现。由此可知，编号3级配用水量更小，控制难度较低，有利于质量管理。（2）渗水试验。首先将冷补材料制成固定结构，后将其放在渗水环境当中，依照《公路路基路面现场测试规程》（JTGE60-2008）中T0971-2008进行试验，结果显示以上三种冷补材料的渗水值均为0，说明三者都具有良好的防水性能，修复后可以避免水体对质量的影响。

4、计算沥青路面材料容许剪应力

考虑到沥青路面材料抗剪性能的强弱，是引起城市道路沥青路面在短期内出现裂缝的根本原因。因此，本文以沥青路面材料配比为控制沥青路面材料抗剪性能的内在因素，对控制沥青路面材料抗剪性能的外在因素容许剪应力进行计算。容许剪应力主要是由于城市道路沥青路面承受行车荷载重复作用条件下，所能够承受的最大疲劳应力。设沥青路面材料容许剪应力为rR，则其计算公式，如公式（1）所示。rR=rspKsKs=0.011Aa?N0.316f/Ac（1）在公式（1）中，rsp指的是通过单轴贯入试验确定的沥青路面材料结构层的剪切强度;Ks指的是沥青路面材料抗剪强度的结构系数;Aa指的是沥青路面材料配比系数，在城市道路沥青路面的适用范围下，本文采用配比为1：1;Nf指的是累计轴载作用次数，为实数;Ac指的是城市道路等级系数，其中，一级城市道路系数为1.0;二级城市道路系数为1.1;三级城市道路系数为1.2，四级城市道路系数与三级相同。本文设计的沥青路面材料要求其计算出的容许剪应力必须小于沥青路面材料结构层内最大剪应力，也就是必须满足沥青路面材料的抗剪要求。

5、基于垂向载荷的层间抗剪强韧度

每一次实验，先施加垂向载荷P于试样的上方，之后逐级加施水平推力T，直至Tmax最大推力出现损坏。沿续实验至发生相对较大的切剪移位为止，以利于获取切剪损坏后的残存强韧度特性。考虑车轮在标准载荷作用下的垂向载荷0.7MPa和100%超载时约在1.4MPa，实验决定取为0.7MPa和14MPa的垂向载荷，分别实施60℃、40℃、25℃的层间切剪实验。

6、随荷载次数的增加劲度模量的变化规律

从试验结果可知，半柔性路面的初始劲度随着温度的增加而有所降低。当温度为5°C以及15°C时，半柔性路面的初始劲度受应力水平的影响较小，但当温度在40°C时，半柔性路面的初始劲度受应力水平的影响较大，随着不断增大的应力水平，其初始劲度不断降低。综上对劲度模量的分析可知，半柔性路面材料在温度增加时其性能应出现了一定的变化，在较高温度条件下，半柔性路面材料具有较为显著的柔性特征。半柔性材料在40°C的温度条件下，随着不断增加的荷载，当材料出现裂缝时，其劲度模量的降低速度趋于平缓，具有较为平滑的线形变化，表现出渐变的过程。

7、确定沥青路面材料结构层内最大剪应力

基于沥青路面材料的抗剪要求，本文采用BIS?GDFLEWBV5.0计算程序确定沥青路面材料结构层内最大剪应力。首先，在BISGDFLEWBV5.0中输入计算得到的沥青路面材料容许剪应力以及测得的水平力和垂直力;再设计垂直荷载、rR、轴载以及当量圆直径等参数。沥青路面材料各结构层具体参数，如表1所示。

结束语

（1）半柔性水泥沥青混合料可以达到路面设计标准，各项试验性能均展现了较好的结果，并且对路面车辙的病害方面有着比较明显的改善。（2）半柔性水泥沥青混合料的骨料级配十分重要。设计孔隙率的改变对路面整体性能会带来十分显著的影响，随着设计孔隙率的增加，半柔性路面材料力学性能得到提升，质地变得更脆。（3）对于实际工程中应用的半柔性路面材料，通过严格控制骨料级配、水灰比、施工顺序，可以明显改善其力学性能，同时改善路面病害。

参考文献

[1]田源.土工合成材料对沥青路面抗裂性能的影响[J].中国科技论文，2019，14（12）：1305-1310.

[2]郑小渝.沥青路面维修和病害处治中再生材料使用的探讨[J].绿色环保建材，2019（12）：13+16.

[3]银廷俊.沥青路面坑槽冷态修补材料设计及修补工艺[J].中国公路，2019（14）：106-107.