基于沥青路面芯样的抗剪切性能评价及应用分析

朱建平

(1.辽宁省交通科学研究院有限责任公司 沈阳市 110015； 2.高速公路养护技术交通运输行业重点实验室 沈阳市 110015)

车辆荷载作用在路面上，除了具有垂直压力之外，还具有水平作用力，这种水平作用在紧急刹车状态体现的尤为明显。如果路面结构没有足够的抗剪切能力，将会导致水平滑移、层间破坏以及拥包、波浪和车辙等病害现象。研究路面结构层材料的抗剪切强度对于控制病害发生和分析技术应用效果具有显著的意义。

1 直接剪切试验方法介绍

现有路面结构抗剪试验，施加的剪切力通常与试件的剪切面具有一定的角度，这样在剪切面除了会产生剪切应力外，还会产生垂直于剪切面的正应力，使得试验得到的沥青路面结构抗剪能力偏大，同时目前大部分路用力学试验仪受试验模具的影响，抗剪试验的试件尺寸较薄，无法较好地测试路面实际受剪时的破坏情况。

1.1 试验装置

作者采用自行设计制造的一台可用于路面钻取芯样的剪切试验装置(如图1)。安装在具有伺服系统和环境箱的试验设备中(如：MTS、LMT等)使用，这样可以根据需要调整荷载、加载速率和试验温度，此加载设备可自动采集数据并进行处理。

图1 剪切试验仪装置

按式(1)计算抗剪强度：

τb=Pmax/A

(1)

式中：τb—抗剪强度，MPa；

Pmax—作用在试件上的最大荷载，kN；

A—截面面积，m2。

图2是典型的荷载-变形图(两组平行试验取均值)。

图2 典型荷载—变形曲线

1.2 试验条件

对于直接剪切试验，试件的直径、设备的加载方式、加载速率以及环境温度都将对试验结果产生影响，为了避免数据的变异，增强试验结果的可参考性，首先根据实际情况并借鉴现有资料，确定了各影响因素的适宜参数值。

(1)试件的直径

本研究考虑到配合试验室制备的试件和路面取芯的尺寸，开发的直剪仪配有两套剪切模具，可分别对直径100mm和直径150mm的沥青混凝土试件或芯样进行剪切试验，本实验采用直径100mm的夹具。

(2)加载方式

本直剪仪配合LMT设备使用，LMT设备可以灵活地施加应变或应力模式的荷载，并且可以调整加载速率。选择的荷载模式最好和实际路面的受力状况相同，但实际路面的受力不是简单的应力或应变模式。由于许多道路用试验仪器都是以控制应变的模式加载，比如马歇尔稳定度仪和直接拉伸试验仪等，因此，本研究也采用控制位移的加载模式。

(3)加载速率

本研究采用5mm/min、10mm/min、20mm/min、50mm/min四种加载速率对AC-16沥青混合料分别在25℃和60℃条件下进行剪切试验，沥青混合料的剪切强度见图3所示。

图3 不同加载速率测得的剪切强度

由试验数据可得，同等条件下，加载速率越大，试验所得剪切强度越大。因此，加载速率为50mm/min时，所测得的剪切强度比以5mm/min、10mm/min、20mm/min进行加载时结果要大，而试验测得的数值大一些，会使条件及操作误差影响相对减小，更有利于判断试件性能的优良。为了尽量模拟静载剪切作用，综合考虑，最终采用50mm/min的加载速率进行下一步试验。

(4)环境温度

根据辽宁地区的气候条件及本次试验的目的，选取25℃和45℃温度条件下进行剪切试验，用以考察常温和高温条件下沥青路面各层及层间粘结抗剪切能力，进行试验前需将试件在设定的温度下保温4h，试验过程中用环境箱控制温度。

2 路面芯样直接剪切试验

为详细研究路面芯样的抗剪切能力，选择了有代表性的病害路段和罩面类维修养护处置后的路段，分别钻取一定数量的路面芯样，通过芯样侧面级配变化关系区分出罩面层、上面层、中面层和下面层以及半刚性基层，利用记号笔画出层间位置和结构层中间位置。

2.1 路面芯样

代表性病害路段选择了发生车辙位置的路段，分别选择了不同车辙深度的路面芯样。罩面类维修养护处置路段选择了超薄磨耗层技术应用路段，分别选择了通车时间为1年、3年和4年的路面芯样。路面芯样剪切后效果如图4所示。

图4 直接剪切试验后路面芯样

2.2 试验设计

对于车辙病害代表性路段，利用直接剪切试验的主要目的是分析研究面层各结构层的抗剪切能力变化，用以辅助判断车辙病害的成因和机理。超薄磨耗层路面芯样的抗剪切试验目的是分析罩面层与原路面结构层的粘结性能，辅助判断养护技术的应用效果。超薄磨耗层路面芯样的剪切位置如图5所示，车辙病害路段芯样的剪切位置如图6所示。

图5 罩面类路面芯样检测测试位置

图6 车辙病害类路面芯样检测测试位置

3 试验结果

根据设计的试验方法开展的超薄磨耗层技术路面芯样的剪切试验，将25℃条件下试验数据结果汇总如图7所示，45℃条件下试验数据结果汇总如图8所示。

图7 超薄磨耗层路面芯样层间剪切强度结果(25℃)

图8 超薄磨耗层路面芯样层间剪切强度结果(45℃)

由图7试验结果可知，在25℃试验条件下，超薄磨耗层罩面与原路面剪切强度τ0随着使用年限的增加而呈明显的线性减小趋势，总体趋势缓慢且未出现性能衰变较大的拐点，运行4年时间较1年的层间剪切强度τ0仅降低了10%左右，同时随着通车年限增加，罩面层与原路面层间剪切强度τ0与原路面上中面层间剪切强度τ1的比值基本无变化，均在0.95以上。由图8试验结果可知，在45℃试验条件下，剪切强度τ0随着使用年限的变化规律与25℃基本一致。

以上结果初步证明了通车4年以内的超薄磨耗层罩面技术与原路面粘接效果较好，整体稳定性优良，且间接证明了该技术的正常使用年限不小于4年。

对于车辙病害代表性路段路面芯样的剪切试验结果如表1所示，分别将25℃和45℃试验条件下的试验结果进行汇总分析如图9和图10所示。

表1 车辙代表路段芯样抗剪强度试验结果(单位：MPa)

图9 路面芯样剪切试验结果(25℃)

图10 路面芯样剪切试验结果(45℃)

由图9和图10车辙代表路段剪切试验结果表明：常温(25℃)条件下路面各层抗剪强度，上、中面层大于下面层；高温条件下(45℃)路面各层抗剪强度与路面车辙深度相关性较大，车辙较大段路面各层抗剪强度较低。常温条件下(25℃)路面各层抗剪强度路段1略大于路段2，高温条件下(45℃)路段1上面层抗剪强度大于路段2，中下面层相当。

4 结论与建议

(1)通过对路面芯样的直接剪切试验，初步探索分析车辙病害路段和罩面类技术应用路段的层间抗剪切能力的方法，得到了不同温度条件下的各结构层间剪切强度，对工程应用具有一定的借鉴意义。

(2)由于仅仅是通过对路面芯样的剪切强度进行的相关性能分析，能够对病害分析、技术应用效果的判断起到一定的辅助作用，但不足以完全具有代表性，关键还是要以现场的实际作用效果为依据。

(3)针对某一项养护技术的抗剪切能力评价，本文所钻取芯样的样本空间也偏小，更系统性的研究需要考虑交通荷载、气候环境、路面结构、施工等因素条件，才更加具有可靠性。若能进行更多通车年限路面取芯，分析层间剪切强度与技术应用年限的关系，将会对养护技术的抗剪切能力提出相对准确的评价。