材料及环境参数对沥青路面结构剪应力的影响

尹湃

摘 要：路面结构的剪应力除了受结构层厚度和材料模量影响外，还与材料组成参数、原材料性质以及环境因素关系密切。利用沥青混合料动态模量将材料及环境参数与路面结构相联系，应用双圆荷载层状弹性体系理论分析各层位沥青混合料油石比、级配、空隙率、沥青软化点、沥青针入度等材料参数变化及气温变化对沥青路面结构各层位剪应力的影响，得到以下结论：沥青混合料材料参数变化对中面层剪应力的影响最大；材料参数中，沥青软化点对沥青路面剪应力影响最为显著，其次为级配；气温对路面结构上、中面层剪应力的影响不显著，对于下面层，随着气温升高，下面层剪应力降低。

关键词：道路工程；材料参数；层状弹性体系；剪应力

一、沥青混合料动态模量

沥青混合料为粘弹性材料，它的性质不仅与本身的材料参数有关，也与外界参数，包括荷载、环境参数等密切相关，对于这一力学特性，国外多采用动态模量进行表征。沥青混合料的动态模量与沥青粘度、针入度、混合料的级配、油石比、空隙率、温度、加载频率等有直接关系，其目前常用的预估公式如下所示：

其中：为动态模量；为沥青粘度；为加载频率；为空隙率；为19mm筛孔累计筛余；为9.5mm筛孔累计筛余；为4.75mm筛孔的累计筛余；为0.075mm筛孔的质量通过百分率；为有效沥青含量，体积百分比；

二、计算参数

为了分析材料参数及环境参数对路面结构剪应力的影响，选取固定的路面结构形式：4cm AC-13+6cm AC-20+10cm ATB-25，通过变换原材料性质（沥青软化点、针入度）、混合料材料组成参数（油石比、空隙率、级配）以及外部环境温度，分析路面结构各层位的剪应力变化情况。气温作为沥青路面最重要的一个环境参数，选取20℃、25℃、30℃、35℃、40℃等5个气温水平进行分析。同时，不同气温下路面各结构层温度有将有所差异，采用LTTP沥青路面高温预估模型计算得到对应不同气温的沥青路面上、中、下面层温度分别如表1所示。

三、剪应力计算结果与分析

（一）各层位沥青混合料不同油石比

应用双圆均布荷载弹性层状体系理论，分别变化上面层（AC-13）、中面层（AC-20）、下面层（ATB-25）油石比分析各层位沥青混合料采用不同油石比对沥青路面结构各层位剪应力的影响，结果如图1所示。

（二）各层位沥青混合料采用不同软化点沥青

分别变化上面层（AC-13）、中面层（AC-20）、下面层（ATB-25）沥青软化点分析各层位沥青混合料采用不同软化点沥青对沥青路面结构各层位剪应力的影响，结果如图2所示。

（三）各层位沥青混合料采用不同级配

分别变化上面层（AC-13）、中面層（AC-20）、下面层（ATB-25）级配分析各层位沥青混合料采用不同级配对沥青路面结构各层位剪应力的影响。

分析表2、表3、表4，可看出，各层位沥青混合料级配变化对上面层剪应力的影响较小；对中面层及下面层剪应力有所影响，其中，随着上面层（AC-13）级配由细变粗，中面层剪应力减小，下面层剪应力增大；随着中面层（AC-20）级配由细变粗，中、下面层剪应力均减小；随下面层（ATB-25）级配由细变粗，中面层剪应力增大，下面层剪应力减小。

四、结语

从以上研究可得到以下结论：

1、随着上面层油石比减小、软化点升高、针入度减小、级配变细、空隙率减小，上、中面层剪应力增大，下面层剪应力减小；随着中面层油石比增大、软化点降低、针入度增大、级配变粗、空隙率增大，上面层剪应力增大，中、下面层剪应力减小；随着下面层油石比增大、软化点降低、针入度增大、级配变粗、空隙率增大，上、中面层剪应力增大，下面层剪应力减小；

2、沥青混合料油石比、软化点、针入度、级配、空隙率等材料参数变化对中面层剪应力的影响最大，说明中面层沥青混合料材料设计不仅影响抗剪强度，而且关系到路面结构剪应力分布，应尤为重视。

3、材料参数中，沥青软化点对沥青路面剪应力影响最为显著，其次为级配，说明在以高温稳定性为主的路面设计中，沥青选择与级配设计是最为重要的两个因素。

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