沥青混合料抗剪性能试验方法及影响因素研究

李　强， 侯　睿， 马　翔， 李国芬

(1.南京林业大学 土木工程学院， 江苏 南京　210037；2. 东南大学 交通学院， 江苏 南京　210096)



沥青混合料抗剪性能试验方法及影响因素研究

李强1, 2， 侯睿1， 马翔1， 李国芬1

(1.南京林业大学 土木工程学院， 江苏 南京210037；2. 东南大学 交通学院， 江苏 南京210096)

通过不同类型室内试验方法对4种沥青混合料的抗剪性能进行了评价；并采用统计学方法对沥青混合料抗剪性能的主要影响因素进行了敏感性分析。研究发现：采用不同试验方法得到的抗剪强度参数无显著性差异，在工程实践中推荐采用较为简便的单轴压缩试验和间接拉伸试验组合；试验条件和混合料类型均对沥青混合料抗剪强度参数有重要的影响。其中，对粘聚力影响最大的是温度和加载速率，其次为关键筛孔通过率和沥青性质；关键筛孔通过率是内摩擦角最重要的影响因素。

沥青混合料； 抗剪强度参数； 室内试验； 统计学

0　前言

非均布轮载作用下沥青面层内产生的剪切应力容易诱发车辙，而沥青层表面的剪切疲劳会引起路面自上而下的疲劳开裂。因此，沥青混合料抗剪性能与沥青路面使用性能密切相关。抗剪性能是沥青混合料的基本力学特性，根据抗剪强度理论，其与路面结构应力响应有关。这就说明从抗剪性能入手进行车辙等病害研究，不但符合其形成机理，还可以同时兼顾路面结构和材料设计。

在以往的研究中大多采用经典的三轴压缩试验来评价沥青混合料的抗剪性能。该方法虽然应力状态明确，但操作过程复杂，对设备要求较高。另外，如何确定侧向围压也是一个问题。因此，三轴压缩试验在工程实践中较少应用[1]。也有一些学者提出了采用其它试验方法来代替复杂的三轴试验，如直接拉伸试验、单轴贯入试验、同轴剪切试验、间接拉伸试验和单轴压缩试验等[2-7]。在理论上材料的抗剪强度并不依赖于试验方法，但是由于力学原理、试验程序、计算方法等方面的差异，采用不同的试验方法可能会得到不一致的结果，也尚未有研究表明哪一种方法更为准确。因此，有必要对不同的沥青混合料抗剪性能试验方法进行对比研究。另外，试验条件和材料参数对沥青混合料抗剪性能影响的显著性也有待深入研究。

本研究采用不同的试验方法测试4种沥青混合料的抗剪性能，通过对比分析，提出一种既准确又简便的方法以便于在实际工程中推广应用；并对沥青混合料抗剪性能的主要影响因素进行敏感性分析，通过统计学方法确定各影响因素的显著性。

1　抗剪性能试验

1.1原材料及配合比设计

采用4种沥青混合料进行室内抗剪性能试验。其中，AC — 13M混合料为AC — 13密级配+SBS改性沥青，SMA — 13U混合料为SMA — 13沥青玛蹄脂碎石+70#普通沥青，AC — 20U混合料为AC — 20密级配+70#普通沥青，AC — 20M混合料为AC — 20密级配+ SBS改性沥青。上面层AC — 13M和SMA — 13U混合料采用玄武岩集料，中面层AC — 20U和AC — 20M混合料采用石灰岩集料。沥青性能指标见表1，集料级配见表2。通过Superpave体积设计法确定各混合料的最佳油石比分别为4.9%(AC — 13M)、6.1%(SMA — 13U)、4.4%(AC — 20U)和4.5%(AC — 20M)。

1.2试验方案

首先在4个温度和加载速率组合条件下(20 ℃-0.75 mm/min、20 ℃-50 mm/min、50 ℃-0.75 mm/min、50 ℃-50 mm/min)分别采用三轴压缩试验、单轴压缩试验、间接拉伸试验和单轴贯入试验对AC — 13M混合料的抗剪性能进行测试。通过旋转压实仪成型直径150 mm×高度175 mm的圆柱体试件，然后通过钻芯和切割得到直径100 mm×高度150 mm的圆柱体试件用于单轴和三轴压缩试验；单轴贯入和间接拉伸试验试验分别采用直径150 mm×高度100 mm和直径150 mm×高度50 mm的旋转压实试件。三轴压缩试验的围压水平分别为0 kPa(即单轴压缩试验)、69、138 kPa。然后，通过对基于不同试验方法得到的抗剪性能进行对比分析，确定适用于工程实践的最优方法。采用推荐的最优试验方法在3个温度(20 ℃、35 ℃、50 ℃)和4个加载速率(0.75、3.125、12.5、50 mm/min)水平下分别评价4种沥青混合料的抗剪性能。所有试验均采用2个平行试件，取其平均值进行分析。各抗剪性能试验的具体方法详见文献[5-7]。

表1 沥青性能指标Table1 Asphaltbinderproperties沥青类别针入度/0.1mm(25℃,100g,5s)软化点/℃延度/cm(5cm/min,普通沥青15℃/改性沥青5℃)动力粘度/Pa·s(60℃、真空减压毛细管法)70#普通沥青7247.8>150 2021SBS改性沥青55923526000闪点/℃溶解度/%(三氯乙烯)薄膜加热TFOT(163℃,5h)质量损失/%针入度比/%(25℃)延度/cm(普通沥青15℃/改性沥青5℃)PG分级34599.90.16911064～2235299.90821576～22

表2 集料级配组成Table2 Aggregategradations筛孔尺寸/mm通过百分率/%AC—13SMA—13AC—2019.0100.0100.0100.016.0100.0100.089.013.295.795.080.99.571.662.565.44.7548.827.050.02.3634.820.539.01.1822.618.027.00.613.916.016.00.310.314.012.00.157.912.06.80.0754.810.03.0

2　试验方法对比

根据摩尔 — 库仑抗剪强度理论，无论采用哪种试验方法，至少需要建立两个摩尔圆，才能求得材料的破坏包络线和抗剪强度参数(粘聚力C和内摩擦角φ)，如图1所示。本研究分别采用三轴压缩试验、单轴压缩试验和间接拉伸试验组合以及单轴压缩试验和单轴贯入试验组合三种方案测试AC — 13M混合料的抗剪强度参数。C和φ的计算公式如下：

三轴压缩试验：

(1)

(2)

φ=sin-1(tanα)

(3)

(4)

式中：p为平均正应力；q为最大剪应力；σ1为最大主应力；σ3为最小主应力；α为p-q直线的斜率；a0为p-q直线的截距。其中，p-q直线通过三个不同围压下的三轴压缩试验数据回归得到[6]。

单轴压缩试验和间接拉伸试验组合：

(5)

φ=sin-1(tanα1)

(6)

(7)

式中：σUCS为单轴压缩强度；σIDT为间接拉伸强度；α1为斜率参数。

单轴压缩试验和单轴贯入试验组合：

(8)

(9)

式中：σ1和σ3分别为最大主应力和最小主应力，由单轴贯入强度和通过有限元分析得到的强度参数确定[7]。

图1　采用不同试验方法建立的摩尔圆Figure 1　　　　Mohr’s circles developed using different testing methods

基于不同试验组合获取的抗剪强度参数如图2所示。从图中可以看出: 无论在哪种试验条件下，采用这3种方案均能得到一致的结果。对于C和φ来说，相对差异的变化范围分别在6.6%～12.7%和6.3%～20.8%之间，符合工程实践所需的精度要求。在置信度95%的条件下进行方差分析，得到F(0.004)

图2　基于不同试验方法计算得到的抗剪强度参数Figure 2　　　　Shear properties calculated using different testing methods

3　影响因素敏感性分析

3.1温度

在不同的温度和加载速率水平下对各种沥青混合料进行单轴压缩试验和间接拉伸试验，然后采用式(5)～式(7)计算对应的抗剪强度参数，结果如图3所示。从图中可以看出: 对于任一混合料来说，随着温度的升高，胶结料粘度逐渐降低，导致混合料粘聚力C值也逐渐减小，但是减小趋势逐渐变缓。总体来说，C值对温度变化还是非常敏感的，温度从20 ℃升高到50 ℃，各种混合料的C值至少减小了75%。另外，由于沥青改性后温度稳定性提高，因此温度对改性沥青混合料(AC — 13M和AC — 20M)粘聚力的影响要小于对普通沥青混合料(SMA — 13U和AC — 20U)粘聚力的影响。

图3　温度对抗剪强度参数的影响Figure 3　Effects of temperatures on shear properties

粘聚力主要取决于沥青胶结料的技术特性，而内摩擦角主要受矿料特性的影响，如级配、最大公称粒径、棱角性等[8]。从图3中可以发现: 温度对内摩擦角φ值的影响规律在不同加载速率下并不一致。在低加载速率水平下(0.75,3.125 mm/min)，多数情况下φ值随着温度的升高而减小；而在高加载速率水平下(12.5,50 mm/min)，φ值大多随着温度的升高而增大。在低速率荷载作用下，矿料骨架可以有效地完成空间重组，混合料应力松弛完成程度也较高，内摩擦角较小。在高速率荷载作用下，矿料骨架由于没有足够的时间完成空间重组和应力松弛，因此表现出较强的嵌挤作用和内摩擦力[9]。随着温度升高，胶结料流动性变强，一方面有利于矿物集料形成更好的骨架结构，另一方面也可能在集料颗粒间起到润滑作用，反而逐渐消弱嵌挤作用。另外，温度越高，在材料强度组成中粘聚力的贡献越小而内摩擦力的贡献越大，温度对抗剪强度的影响主要通过集料特性方面的改变来体现。

3.2加载速率

加载速率对抗剪强度参数的影响规律如图4所示。从图中可以看出，各种沥青混合料的C值均随着加载速率增大而不断增大，但是增长趋势逐渐减小。加载速率从0.75 mm/min提高到50 mm/min，不同混合料的C值增大了1-4倍不等。在高温条件下，加载速率对粘聚力的影响更为显著。加载速率对普通沥青混合料粘聚力的影响也要略大于对改性沥青混合料粘聚力的影响。类似地，加载速率对内摩擦角φ值影响规律也不明确。在高温条件下(35 ℃和50 ℃)，φ值基本随着加载速率的增大而增大；而在低温条件下(20 ℃)，φ值大致随着加载速率的增大而减小。

图4　加载速率对抗剪强度参数的影响Figure 4　Effects of loading rates on shear properties

加载速率和温度对抗剪强度参数的影响机理在本质上是相同的。这是由于沥青混合料属于热流变性材料，其力学行为遵循时间-温度等效原理，即长时间和高温度(或者短时间和低温度)对其影响是等效的。这一点在线弹性小应变水平、非线性大应变水平甚至破坏状态下均得到了验证[10]。因此，可以借鉴动态模量主曲线构建方法，通过时间-温度换算法则(如Williams-Landel-Ferry公式、Arrhenius公式等)把不同温度和加载速率下的抗剪强度参数(尤其是粘聚力)进行移位分析，建立统一的材料特性主曲线，从而实现在较大的应变率和温度变化范围内更为准确和简便地描述沥青混合料的抗剪性能。

3.3混合料类型

分别在高温慢速(50 ℃、0.75 mm/min)和低温快速(20 ℃、50 mm/min)条件下分析沥青混合料类型对抗剪强度参数的影响，结果如图5所示。从图中可以看出，较之于普通沥青混合料(SMA — 13U和AC — 20U)，改性沥青混合料(AC — 13M和AC — 20M)的C值有明显的增加。这是因为SBS改性沥青的针入度较小，软化点和粘度较大，在承受剪切作用时能提供给混合料较大的粘滞阻力，在高温慢速条件下更为显著。集料因素(矿料种类和级配)对C值的影响较小。另外，在不同试验条件下采用骨架密实型结构的SMA — 13U混合料均具有最大的内摩擦角。

图5　混合料类型对抗剪强度参数的影响Figure 5　Effects of mix types on shear properties

3.4显著性分析

对沥青混合料抗剪强度参数的主要影响因素进行极差分析，结果如图6所示。其中，主要通过动力粘度或者软化点来表征沥青性质，集料性质中包含了集料类型和公称最大粒径的综合影响，关键筛孔选取了4.75 mm和0.075 mm。从图中可以看出: 对粘聚力而言，影响因素的重要性从大到小依次为温度、加载速率、关键筛孔通过率、沥青性质以及集料性质。对内摩擦角而言，关键筛孔通过率是最重要的影响因素，其次为温度、加载速率和沥青性质。一般认为，矿料公称最大粒径越大，骨架作用越强，内摩擦角越大。另外，玄武岩的各项力学指标要优于石灰岩，受力后能相互嵌挤锁结而具有较大的内摩擦角。但是从图5和图6中均可以发现，集料性质对内摩擦角的影响并不显著。主要原因是在本研究中不同层位的混合料采用了不同类型的集料，公称最大粒径13 mm的上面层混合料采用了玄武岩集料，而公称最大粒径20 mm的中面层混合料则采

用了石灰岩集料。在同一混合料中，集料类型和公称最大粒径的影响相互抵消，造成不同混合料内摩擦角的差异较小。

图6　抗剪强度参数影响因素的极差分析Figure 6　Range analysis of factors on shear properties

4　结论

① 采用三轴压缩试验、单轴压缩试验和间接拉伸试验组合以及单轴压缩试验和单轴贯入试验组合测试得到的抗剪强度参数无显著性差异，综合权衡精确性与简便性要求后，在工程实践中推荐采用单轴压缩试验和间接拉伸试验组合用于评价沥青混合料的抗剪性能。

② 粘聚力随着温度的升高或者加载速率的降低逐渐减小，在普通沥青混合料中表现得更为显著；温度和加载速率对内摩擦角的影响规律较为复杂，在不同的温度或者加载速率水平下表现出不同的趋势；改性沥青混合料具有较大的粘聚力而SMA混合料具有较大的内摩擦角。

③ 对粘聚力影响最大的是温度和加载速率，其次为关键筛孔通过率和沥青性质；对内摩擦角影响最大的是关键筛孔通过率。

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Testing Methods and Factors for Shear Properties of Asphalt Mixtures

LI Qiang1, 2, HOU Rui1, MA Xiang1, LI Guofen1

(1.School of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing, Jiangsu 210037, China;2. School of Transportation, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 210096, China)

Shear properties of four types of asphalt mixtures were evaluated using different testing methods. The sensitivity analysis of factors on shear properties was conducted based on statistical methods. It is found that there is no significant difference among different testing methods. The combination of the uniaxial compression test and indirect tension test is finally recommended for practice due to its simplicity. Testing conditions and mix types have significant effects on shear strength parameters of asphalt mixtures. Temperature and loading rate have the greatest effects on the cohesion, followed by the passing rate of the key sieves and binder properties. The most important factor for the angle of internal friction is the passing rate of the key sieves.

asphalt mixture; shear strength parameter; laboratory test; statistics

2015 — 03 — 17

国家自然科学基金资助项目(51308303)；江苏省基础研究计划(自然科学基金)资助项目(BK20130980)；高等学校博士学科点专项科研基金资助课题(20123204120011)；住房和城乡建设部科学技术计划项目(2013 — K4 — 9)；江苏省普通高校专业学位研究生科研实践计划项目(SJLX — 0396)

李强(1982 — )，男，江苏新沂人，副教授，博士，主要从事路面结构与材料研究工作。

U 416.217

A

1674 — 0610(2016)04 — 0050 — 05