乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面强度形成机理的研究

【摘 要】本文结合乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面结构的特点，采用对比分析的方法，阐述了乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面强度形成的机理。

【关键词】乳化沥青稀浆混合料；贯入式；沥青路面；强度

Emulsified asphalt slurry mixture study the formation mechanism of the asphalt pavement strength penetration formula

Yang Ming-yan

（Pingdingshan City Jia Yang Road and Bridge Engineering Co.， Ltd Pingdingshan Henan 467000）

【Abstract】In this paper， emulsified asphalt slurry mix asphalt pavement characteristics penetration structure， using comparative analysis method， described the mechanism of emulsified asphalt slurry material penetration asphalt pavement strength mixed form.

【Key words】Emulsified asphalt slurry mixture；Penetration type；Asphalt pavement；Strength

1. 前言

乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面的结构如图1所示，它的施工方法是：首先用层铺法把起主支撑作用的碎石粘结在下承层上，再把拌和好的乳化沥青稀浆混合料贯入碎石间隙中，然后经过养生、碾压等成型即为沥青路面，它是不同于典型的沥青路面结构（悬浮密实型结构、骨架空隙型结构和骨架密实型结构）的新结构，沥青路面的性能是由结构决定的。因此，开展对乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面强度形成机理的研究十分必要。

2. 乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面结构特点的研究

（1）乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面结构是一种复杂的由多种组分组成的混合材料而形成的路面结构，其“结构”概念也是极其复杂的。其组成材料的各种不同特点，如集料颗粒的大小及其不同粒径的分布、相同粒径颗粒的相互位置、沥青在路面结构中的分布特征和集料颗粒在沥青层中的性质、空隙率及其分布、空隙（间隙）的特征等等，都与结构概念联系在一起。沥青路面结构包括沥青结构、集料骨架结构和沥青胶泥结构等，是这种材料单一结构和相互联系结构的概念的总和。上述每一结构中的每种性质，都对沥青路面的性质产生很大的影响。

（2）乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面是骨架-悬浮密实复合型结构，在这种结构中，最大碎石的粒径（D）和路面结构的厚度（h）大致相同（h/D≈1），分布在一个平面上（即呈二维分布），形成“顶天立地”的强大的骨架结构，并且这种骨架结构是而自然形成的，不是象传统的路面结构依赖于碎石之间的嵌挤锁结和沥青的粘结形成的，碎石之间保持一定的距离，其间隙是开放性的（即碎石不叠加，不形成“桥空”），同时骨架间隙填充的是由其它粒径的碎石和沥青胶泥形成的悬浮密实型沥青混合料，经过车辆轮胎的碾压揉搓作用，其必定达到密实，也就是说，经过一段时间使用后在乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面结构实体中，空隙率是极小的（达到能够忽略不计的程度），可以认为是完全密实的。最大粒径碎石起主支撑作用，是行车荷载的主要承受者和传递者，降低了沥青对承受荷载和传递荷载的作用；最大粒径碎石间隙的悬浮密实型沥青混合料作用起填充、粘连接和密封等作用。乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面中“顶天立地”的强大的骨架在车辆荷载作用下路面厚度不会减薄。如图2（a）所示。

（3）典型的沥青路面结构（h/D≥2的悬浮密实结构、骨架空隙结构和骨架密实结构）中，粗骨料上下分布2～3层（即呈三维分布），依赖于碎石之间的嵌挤锁结和沥青的粘结形成骨架（悬浮密实结构还形不成骨架），骨架有可能形成“桥空”，碎石和结构沥青共同承受和传递行车荷载，高温会使沥青软化，荷载能使碎石位移，结果导致产生车辙是不治之症。如图2（b）所示。

3. 乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面强度形成机理特征的研究

3.1 在乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面结构中，最大碎石的粒径和路面厚度相同，形成“顶天立地”的强大的骨架结构。因此，在车辆荷载作用下路面厚度不会减薄。在垂直于路面方向上，不论是高温、低温还是通常温度，其都表现出接近线弹性，它不像典型的沥青路面那样是一种典型的粘、弹、塑性综合体。

3.2 沥青路面的强度形成理论有：表面理论和胶浆理论。

3.3 表面理论认为沥青路面是由集料骨架（由粗集料、细集料和填料组配而成）和沥青组成，沥青分布在集料骨架表面，将集料骨架胶结成为具有较高强度的整体。这种理论可用图3表示。

3.4 据此理论，沥青路面的强度由两部分构成：一部分是集料骨架的强度，表现为颗粒材料的摩擦力，由内摩擦角φ表示；另一部分是沥青的胶结强度，表现为粘结力、凝聚力、抗拉力，用粘结力c表示。矿质集料属于散体材料，其强度（在一定约束条件下抵抗应力应变作用的能力）主要由散体颗粒间的接触压力和接触表面摩擦力组成，颗粒间的摩擦力性质与固体间摩擦力性质完全一样，矿质集料的强度是大量固体颗粒材料的压应力、摩擦力的矢量和。根据固体摩擦力学可知，摩擦力的本源是固体表面的微观不平整纹理的存在，即表面的粗糙。粗糙的表面有啮合、锁结等阻止物体发生相对位移的作用，即能产生摩擦力。摩擦力的大小不但与表面的粗糙度（用表面粗糙度系数f表示）有关，而且与固体接触面上的垂直压力N有关，即摩擦力F=f·N。如果将表面粗糙度系数f用正切函数tgφ表示，则表面的粗糙度可用内摩擦角φ来表示。对于散体颗粒材料内摩擦角φ则度量了材料内部颗粒之间的综合表面粗糙度和颗粒形状，内摩擦角φ的大小决定了集料的抗剪切应力的能力。根据莫尔-库仑理论，材料的抗剪强度τ=σ·tgφ，σ为材料的正应力，是外部施加的力，属于抗剪强度的外因，而tgφ则为材料的本质属性，为抗剪强度的内因。对于沥青路面混合料，其强度本源则来自于沥青分子胶团之间的吸引力，这些吸引力的大小决定了沥青粘结力c的大小。沥青分子胶团之间的吸引力与材料温度高低、沥青分子量的大小、沥青分子胶团的化学结构、化学键之间的作用力大小等因素有关。当然，沥青路面的强度参数c、φ绝不是沥青的粘结力c和集料的内摩擦角φ的简单组合，它们是相互作用，互相影响的。内摩擦角φ在高温稳定性方面全主要作用，粘结力c则在抗剪切、抗弯拉等荷载作用中发挥较大作用。

图3 表面理论

3.5 无论沥青路面混合料属于哪一种类型，其力学强度都可以按莫尔-库仑理论予以表征，即在外力作用下材料不发生剪切滑移时以满足的条件是：

τ≤c+σ·tgφ （1）

式中：τ——剪切应力；

c——材料粘结力；

σ——正应力；

φ——内摩擦角。

3.6 胶浆理论认为沥青路面混合料是一种三级空间网状结构的分散系：以粗集料为分散相分散在沥青砂浆中，沥青砂浆则以细集料为分散相分散在沥青胶浆中，沥青胶浆又以填料为分散相分散在沥青介质中。这三种分散系以沥青胶浆最为重要，它的组成结构决定了沥青路面的高低温性能。这种理论可用图4表示。

3.7 据此理论，沥青路面的强度由分散系中分散相数量多少和分散介质的强度性质决定：分散相数量越多，分散系的模量就越大，则路面的抗压强度越大；分散介质的稠度越大，路面的抗拉强度就越大。在沥青路面混合料中的三级分散系中，沥青胶浆对沥青路面强度起着决定性作用，它的组成结构决定了沥青路面的高低温稳定性。因此，改善沥青路面混合料路用性能主要从改善沥青胶浆的性能入手，增加沥青稠度，增加矿粉用量。

3.8 综合表面理论和胶浆理论，普遍观点认为，构成沥青路面强度的因素包括两方面，即由集料颗粒之间的内摩擦力和嵌挤力，以及沥青结合料及其集料之间的粘结力和内聚力所构成。

图4 胶浆理论

3.9 综上所述，FH沥青路面强度形成的机理明显与表面理论和胶浆理论不符，这种路面的抗剪强度是由 “顶天立地”的最大粒径碎石提供的，其骨架不需要碎石间的嵌挤锁结，也不需要沥青粘结，同时降低了沥青混合料粘结力和内聚力对形成抗剪强度的作用。由于乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面的抗剪强度不是靠集料之间的摩擦力和沥青混合料之间的粘结力及内聚力提供，而莫尔-库仑理论是通过测定沥青的粘结力c和集料的内摩擦角φ来判定沥青路面的抗剪强度的，因此，莫尔-库仑理论并不适应于评价乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面的抗剪性能。乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面结构中最大碎石“顶天立地”，是主要受力者，使得路面的抗剪强度理论变得非常简单，无论是高温、常温或者低温，它都接近线弹性，可以用胡克定律来表征。

4. 乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面应力——应变特性分析

（1）与典型的沥青路面相比，乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面的应力——应变特性则不同。

（2）典型的沥青路面，应力——应变特性是沥青和碎石的混合料的表征，而更多反映的是沥青材料的特征。在低温小变形范围内表现为线性粘弹性体，在高温大变形流动范围内表现为粘塑性体，在通常温度的国度范围内则一般为粘弹性体。

（3）对于乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面，应力——应变特性绝大部分反映的是碎石的特征。无论是高温、低温，还是常温，都表现出一种性能——接近线弹性。

5. 乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面分散荷载应力特性分析

虽然沥青路面都是非均质体，但和乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面相比，典型的沥青路面中各种材料分布还是相对均匀的，当受到荷载作用时，分散荷载也比较均匀；而乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面中，最大碎石“顶天立地”，其间隙填充悬浮密实型沥青混合料，最大碎石是荷载的主要承受者和传递者，悬浮密实型沥青混合料辅助承受和传递荷载，当受到荷载作用时，分散荷载比较不均匀。

6. 结束语

三种典型的沥青路面强度形成的机理符合表面理论和胶浆理论，其表现出粘弹塑性体，抗剪强度都可以用莫尔-库仑理论表征；而乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面强度形成的机理明显与表面理论和胶浆理论不符，其表现为接近弹性体，抗剪强度不能用莫尔-库仑理论表征，适合运用虎克理论表征。

参考文献

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[5] JTG F40-2004.公路沥青路面施工技术规范[S].

[6] JTG H10-2009.公路养护技术规范[S].

[基金项目]2015 年度第一批河南省交通运输科技计划项目（J03）：乳化沥青稀浆混合料贯入式沥青路面关键技术研究。

[文章编号]1619-2737（2015）08-18-750

[作者简介] 杨明艳（1969-），男，学历：本科，籍贯：河南鲁山县人，职称：高级工程师，研究方向：路桥工程