聚酯纤维Superpave沥青混合料的高温性能浅析

摘要：提高沥青混合料的抗剪强度是解决车辙问题的主要途径。但是目前规范规定的车辙试验和动稳定度指标并不能反映混合料的剪切性能，开发评价剪切性能的新方法与新指标将有重大意义。

关键词：沥青混合料；高温性能；评价

中图分类号： 文献标识号：A 文章编号：2306-1499（2013）02-

在渠化交通下，沥青路面的车辙问题已经逐渐引起国内外同行的关注。一般而言，车辙产生于：①路面结构的二次压密，或路基的整体剪切变形；②路面表面的磨耗；③路面材料的塑性流动。经过充分的压实，结构的二次压实不应成为路面车辙的主要来源。对重交通路面而言，路面结构一般都具有足够的整体抗力，路基剪切破坏一般不会发生。路表面的磨耗性车辙，一般仅发生在北方冰雪地区。对我国普遍使用的半刚性基层路面而言，车辙的产生是由于沥青层在荷载作用下剪切变形造成的。因此，提高沥青混合料的抗剪强度是解决车辙问题的主要途径。但是目前规范规定的车辙试验和动稳定度指标并不能反映混合料的剪切性能，开发评价剪切性能的新方法与新指标将有重大意义。

1.试验方案

中华人民共和国行业标准《城市道路设计规范》（GJT37-90）中已建立了抗剪指标，其基本原则至今还是正确的，但是此规范采用闭式三轴试验来求得抗剪强度并不合适，闭式三轴试验的三向受压状态与路表面的复杂应力情况并不相符。通过检索国内外同行对抗剪方法的研究成果，发现孙立军教授提出的单轴贯入试验更加符合实际路面状态，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切力分布相似甚至重合，且其试验过程简单，试验参数容易确定，可以方便的得出沥青混合料的抗剪强度。

本课题将以贯入试验方法为基础，予以优化改进，确定该试验方法的各项具体参数，明确试验步骤，用于评价聚酯纤维superpave结构的抗剪性能，并与SMA结构和普通Superpave结构进行比较，结合车辙试验共同评价聚酯纤维Superpave结构的高温稳定性。试验方案见表1。试验采用的两种聚酯纤维分别是国产纤维泰特维（Tai）和进口纤维克耐维（Ke），下文同。

2.车辙试验

所谓车辙试验，是模拟沥青路面在车轮得反复作用下产生车辙的情况，在实验室采用一个小型车轮在沥青混合料板块状试件上进行往复行走试验，从而使板块试件形成像实际沥青路面那样的辙槽。这是一种工程试验方法，最初是由英国运输与铁路研究试验所开发的，通过测定车轮荷载作用次数与板块试件变形的关系，得出变形速率与动稳定度。这种试验方法比较直观，对沥青路面车辙形成过程的模拟性好，试验设备不需太高的精度，操作方法也不复杂。但是车辙试验是模拟车轮荷载在路面上形式而形成的工程试验方法，不易取得力学计算、车辙预估等计算时需要的力学指标，因此试验结果不能用于路面设计。

课题组对普通Superpave、聚酯纤维Superpave、SMA沥青混合料进行车辙试验，目的是与单轴贯入试验相结合，共同评价混合料的高温稳定性。试验结果见表2。

现对试验结果分析如下：

从Sup-13沥青混合料车辙试验结果看，无论是70#沥青和SBS-60，加纤维的沥青混合料动稳定度与不加纤维的相比，都有显著提高，其中进口纤维克耐维略优；改性沥青混合料的动稳定度大大高于普通沥青混合料的，可见改性沥青对混合料的抗车辙性能的提高贡献较大。

从Sup-19沥青混合料车辙试验结果看，无论是70#沥青和SBS-60，加纤维的沥青混合料动稳定度与不加纤维的相比，都略有提高；改性沥青混合料的动稳定度大大高于普通沥青混合料的，两种沥青混合料的抗车辙性能差距较大。

从SMA沥青混合料车辙对比试验结果看，三种纤维的SMA沥青混合料动稳定度差距不大，进口纤维克耐维较优，木质纤维略差。

从图4可以看出，在加入相同用量国产聚酯纤维Tai的条件下，普通沥青Sup-13较改性沥青SMA的动稳定度偏低，约为后者的1/2；而Sup-13采用改性沥青后，动稳定度大幅提高，约为改性沥青SMA的1.7倍。

3.单轴贯入试验

同济大学孙立军教授在《沥青路面结构行为理论》一书中对单轴贯入试验的原理与方法作了详细介绍。试验原理不是本文的重点，不作讨论，下面对该试验作详细介绍。

3.1试验方法

所谓单轴贯入试验，就是在试件上通过一个钢压头进行加压，压头的直径r小于试件的直径R，利用r/ R来表示两个物体直径的比值。如图5所示，首先可以将路面模型简化为一定尺寸的圆柱体，其上施加一定的荷载，当r/ R比值足够小，则其受力状态应与路面的较为一致；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。试验方法如图5所示。

贯入试验条件：①加载速率：1mm/min；②试验温度：试件在60℃条件下保温6h，然后在60℃控温箱里进行试验；③压头尺寸：28.5mm；④加载波形：直线波。

3.2数据的分析处理方法

为了能通过单轴贯入试验来求解混合料的抗剪强度，利用三维有限元进行力学分析，提出了在贯入强度为1 MPa、泊松比为0.35 时的强度参数，如表1 所示. 表中C1，C3，Cτ分别代表求σ1（第一主应力）、σ3 （第三主应力）、τ（最大剪应力）时的强度参数。

有了以上强度参数，就可以利用贯入试验获得的力，通过下式方便地计算出两个主应力和剪应力：S=CP

式中：S表示所求的各应力，具体为σ1，σ3，τ；C表示强度参数；P表示试验获得贯入压力。

为了求得混合料中c（粘聚力）及φ内摩擦角）两个重要参数，同时进行了一组试验，即采用同样的试件进行无侧限抗压强度试验。通过该试验，可以得到侧限σ3 = 0时的一组σ1值。这样，结合单轴贯入的一组σ1，σ3，便可画出莫尔圆，从而求出c 和φ。也可以通过下式求解：

式中：σg1为贯入试验中求得的第一主应力；σg3为贯入试验中求得的侧向应力；σu 为无侧限抗压试验求得的压应力。

图6是单轴贯入试验和无侧限抗压试验得到的典型图。通过分析，把该过程划分为图中所示的几个阶段，并找出几个关键点。在实际应用中，试件的破坏点取破坏拐点而非极值点。把破坏拐点作为混合料破坏阶段的起始点，在求解混合料抗剪强度时，贯入压力也取该点值。

现举例：由单轴贯入试验，得到试件的拐点压强为1.5MPa，无侧限抗压强度为0.5MPa，则：

σ1 = 1.5 × 0.765 = 1.1475 MPa

σ3 = 1.5 × 0.0782 = 0.1308 MPa

τmax= 1.5 × 0.339 = 0.5085 MPa

可得：

φ = arcsin = 41.6°

c = 0.5/2 * = 0.1124MPa

3.3试验结果与分析

用同样的方法对本课题中Sup-13、聚酯纤维Sup-13、SMA三种材料的单轴贯入试验结果，进行计算，结果如下（所用沥青为改性沥青）：

从试验结果来看，改性Sup-13沥青混合料在加入聚酯纤维后，其抗剪强度得到明显提高，约提高了41.8%，接近SMA的抗剪强度。聚酯纤维的加筋、增韧作用提高了混合料的粘结力，并增大了抗摩阻角，使得聚酯纤维沥青混合料抗剪强度得到显著提高。对于沥青混合料的抗剪指标，同济大学教授林绣贤在《关于沥青混凝土路面设计抗剪指标的建议》一文，对抗剪指标做了详细探讨。路面结构的最大剪应力τm和沥青混合料实测的抗剪强度τd有如下关系式：τm≤τd/K；其中，K为路面结构的安全系数。

《城市道路设计规范》中，在最不利季节高温条件下，安全系数取1.2。而对于高速公路爬坡路段以及城市交叉口刹车路段，本文建议安全系数取1.5。从林绣贤教授计算的结果来看，半刚性基层路面结构的最大剪应力约为0.53MPa，那么τd应大于0.80MPa。对应的路面材料建议使用聚酯纤维Sup-13及SMA等抗剪强度较高的材料。

4.结语

本文通过聚酯纤维Superpave沥青混合料抗剪性能与SMA结构和普通Superpave结构比较分析，结合车辙试验共同评价聚酯纤维Superpave结构的高温稳定性。从车辙试验结果来看，聚酯纤维的加入，能够显著提高Superpave沥青混合料的抗车辙性能。

本文采用单轴贯入试验对Sup-13、聚酯纤维Sup-13与SMA三种混合料进行对比分析后，发现聚酯纤维的添加，大大提高了改性Superpave的抗剪强度。

参考文献

[1]孙立军.沥青路面结构行为理论[M].同济人学出版社，2004

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