沥青混合料抗剪强度试验方法研究综述

莫达有

（广东交科检测有限公司，广东广州510550）

伴随重载交通的迅速增长，车辆荷载已表现为“多轴次、重轴载、非均布高胎压”的交通组成特性，在夏季高温和荷载反复作用下，路面抗剪强度不足，塑性剪切流动变形积累形成车辙等早期病害。

目前，国外设计规范中，只有《美国加州路面设计规范》（TEX-117-E）采用抗剪指标来验证基层厚度，却没涉及混合料的抗剪指标；我国规范中对沥青路面结构设计和沥青混合料的设计也较少考虑抗剪强度。

鉴于此不足之处，在国内外研究基础上，本文将国内外10种沥青混合料抗剪强度试验方法按受剪方式、受力特性及试验过程的差异性分为四类，分别阐述其设备、原理、优缺点及适用范围，为道路工程人员提供参考和借鉴。

1 受剪单一、受力不均、不考虑试验过程

1.1 纯剪切试验

纯剪切试验是在试件上下表面施加偏心均布荷载，加载模式及仪器如图1 所示，其原理是使沥青混合料试件在剪切面上主要受剪应力，试件沿固定垂直剪切面破坏。该方法常用以评价沥青路面结构层内、层间及含夹层材料的抗剪性能。朱玉[1]采用纯剪切试验方法解决了高速公路水泥混凝土路面沥青加铺层反射裂缝问题。

图1 纯剪切试验加载模式及仪器

纯剪切试验的受力模式可以体现材料在垂直和水平方向的单一抗剪强度，适用于“自下而上”的反射裂缝垂直破坏及层间粘结水平破坏的问题。

1.2 直剪试验

直剪试验[2]来源于土力学，试件顶面施加正压力，侧向无约束，沥青混合料试件沿水平面剪切面破坏。其依据库伦-摩尔强度理论，测得不同垂直压力下的抗剪强度，通过摩尔圆可得沥青混合料的粘聚力和内摩擦角，加载模式如图2 所示。

图2 直剪试验加载模式

直剪试验原理简单，其缺点在于固定的水平剪切面上受力不均，剪切刀具与试件边缘的硬接触会造成边界上应力集中，对抗剪强度的确定有较大影响。

1.3 斜剪试验

与纯剪、直剪相比，斜剪试验对试模加以改进，改变了荷载与试件的接触方式，施加在顶部的压力沿45°分解的正应力和切应力以相同速率线性增加直至试件破坏，斜剪试验原理与直剪试验相同，即是试件顶面有正应力下的水平剪切破坏，本质不同在于前者正应力与切应力两者之间数值变化是离散无规律的增长，而斜剪试验是同步有规律的连续线性增长，如图3所示。

2005 年，同济大学郭忠印[3]采用斜剪试验测定桥面铺装层、沥青路面粘结层间的粘结力及抗剪强度。另外，苏凯等[4]也利用斜剪试验测定山区高等级路面面层和基层层间抗剪强度。王瑞林等[5]利用斜剪试验进一步研究了沥青混合料的抗剪切性能。

图3 斜剪试验仪器

可见，斜剪试验多用于桥面铺装层、路面层间的抗剪强度试验，对沥青混合料的抗剪强度的研究中也有一定的应用。该试验操作简单，但剪切刃处应力集中且试件的高度对结果影响较大。

1.4 三轴试验

与直剪试验相比，三轴试验是有侧限、正应力的压缩试验，其原理也是按照库仑-摩尔理论通过摩尔圆计算混合料抗剪强度。该方法应力状态明确，但操作复杂，侧向围压σ2与σ3总相等而无法控制中间主应力，多用于室内试验研究，工程应用较少。

1.5 同轴剪切试验

同轴剪切试验试件侧向受限，轴向荷载通过钢柱作用于中空圆柱体试件内壁，使试件在竖直方向剪切破坏，如图4 所示。其原理是先通过三维有限元建模，计算确定单位荷载下同轴剪切试验剪切强度系数（1 kN荷载作用在试件钢柱体上时的最大剪应力），通过实际荷载相乘确定沥青混合料抗剪强度。

图4 同轴剪切试验半截面示意图(单位：mm)

冯俊岭[11]研究并运用同轴剪切试验评价沥青混合料抗剪性能并论证了其可靠性。同轴剪切试验是侧面受限的剪切试验，体现的是沥青混合料微观结构之间相互作用下的抗剪强度，接近沥青路面高温永久剪切变形的实际过程，而粒径大的骨料会对试验结果有较大影响。

1.6 圆柱体扭转剪切试验

Sousa[6-7]设计了中空圆柱扭剪试验法，相比于同轴剪切试验，试件形状及试模有相似之处，但可独立施加σ1、σ2、σ3，且σ1、σ2、σ3大小、方向均可变，施加扭矩可实现主应力轴可旋转。其原理是通过模拟混合料发生塑性剪切流动变形时的各种应力状态分布来研究沥青混合料的抗剪强度。该法较仅能控制σ1、σ2的三轴试验，研究更深刻、更接近实际情况。

Schneider利用中空圆柱体剪切试验研究了沥青混合料的抗剪切能力，其结果与沥青混合料车辙试验结果相关性较好[8]，此外Lee 还开发了可应用于现场检测的扭转剪切试验[9]。Cao[10]采用中空圆柱体试件定性和定量的研究σ1、σ2、σ3之间数值的差异性对抗剪强度的影响。

中空圆柱体试件壁较薄，级配较粗的沥青混合料的抗剪强度有一定的影响，且试验应力控制较为复杂，目前还没有推广应用。

上述6 种试验方法的理论来源于材料力学、土力学简单的受力破坏模式，通过改变试件形状和加载方式使受剪方式从简单纯剪、直剪向复杂的斜剪、扭剪发展，但均是单一受剪，因此破坏面固定；受力特性中边界条件均存在应力集中，截面受力不均匀；没有考虑试验过程的连续性，得出的值仅是最大值。与沥青路面复杂受力环境相比，仅考虑材料单一的抗剪性能不全面，精度较差。

2 受剪单一、受力均匀、考虑试验过程

2.1 Superpave剪切试验

Superpave剪切试验仪[12]是美国公路战略研究计划SHRP研制出的，如图5所示。直径150 mm、高50 mm的圆柱体试件被胶结在两钢板之间，在试件的顶面和底面施加半正弦剪切应力，主要有恒高度重复剪切试验（RSCH）和恒高度频率扫描试验（FSCH）。

图5 Superpave剪切试验机

FSCH 试验保持应变恒定，试验可得复数剪切模量和相位角；RSCH 试验通过随时间的变化的剪切、轴向荷载保证试件的高度恒定使试件发生塑性剪切变形而体积恒定，模拟了实际交通条件，合理地反映了沥青路面高温永久剪切变形的过程。

Liao 和FSCH 是评价沥青混合料高温性能的较好方法[13-14]。黎霞[15]运用RSCH 评价不同级配、沥青、剪切应力、油石比和温度对混合料抗剪切性能的影响。

塑性剪切流动变形体积恒定，故试件的应力、变形状态接近的真实破坏情况，结果能反映混合料剪切破坏的机理，能有效地评估混合料抗永久变形性能。而试验仪价格昂贵，目前国内应用不多。

2.2 旋转剪切试验（GTM）

GTM（Gyratory Testing Machine）是美国工程兵于20世纪60年代为解决空军重型轰炸机机场跑道的设计而研究发明的，试件成型的本质是模拟实际路面在压路机碾压压实过程中揉搓、剪切作用，当旋转100 次试件的密度变化率为小于等于0.016 g/cm3时认为达到平衡状态，试验终止。GTM能采集试验中的应力、应变数据，并显示抗剪强度变化曲线，可用于沥青混合料设计[16]。该方法在国内有应用，但因设备价格昂贵，推广应用收到限制。

整个试验过程中，Superpave 恒定试件高度或应变，GTM考虑密度变化率，与前6个试验方法相比，两者并不是单一的得到最大抗剪强度，对抗剪强度的研究贯穿于整个试验过程，因此沥青混合料受力也较均匀，但受剪模式仍较为单一，没有考虑复杂外界条件的影响，且试验方法来自国外，试验仪器价格昂贵，多用于理论研究，在国内推广应用受到限制。

3 受剪综合、受力均匀、考虑试验过程

单轴贯入试验通过确定合理的压头直径与试件直径的比值，使试件与实际路面内应力分布、应力路径一致来衡量沥青混合料的抗剪强度，如图6所示。

图6 单轴贯入受力模式

试验过程中通过加载波形可变压力保持加载速率恒定来记录载应力、应变数据，并显示抗剪强度变化曲线，最终可得到最大抗剪强度。

毕玉峰等[17]通过研究提出单轴贯入试验方法；陈红等[18]应用其方法模拟了现场车辙的产生。此外，可对室内成型试件和现场钻取的芯样进行剪切试验，并提出了非标准试件的修正系数，精度可满足工程要求[19]。

与之前的8 个试验方法相比，单轴贯入试验的受剪方式综合考虑了在车轮荷载和复杂围压环境下整个结构的微观受力响应；试验过程中，试件受力均匀，与实际路面受力模式一致；并从整个过程来考虑试件的抗剪强度。

4 其他形式：多种试验组合

赵战利[20]根据库仑-摩尔理论利用单轴压缩、劈裂试验得无侧限抗压强度、抗拉强度，通过摩尔圆得到沥青混合料的抗剪强度。伊凡诺夫教授在假定沥青混合料的破坏极限由最大剪应力决定的前提下，组合单轴压缩试验和马歇尔试验得到的单一指标，根据沥青混合料变形所做的功，计算得到不同配合比下沥青混合料的剪切指标，并建立了沥青混合料抗剪强度与单轴受压和马歇尔试验的关系式[21]。

通过组合计算沥青混合料抗剪强度所需的单一指标，在理论上可行，但实际中误差累积导致精确度不高。

5 结语

本文将国内外10种沥青混合料的剪切试验方法按受剪方式、受力特性及试验过程的差异性分为四类，分别介绍其设备、原理、优缺点和适用范围，为我国道路工程设计、施工、养护、维修提供参考和借鉴。

受剪单一、受力不均、不考虑试验过程的试验方法仅考虑材料单一的抗剪性能，精度较差，适用于沥青加铺层、桥面铺装层、粘结层间的粘结力及抗剪强度这类受力模式简单的应用；受剪单一、受力均匀、考虑试验过程的试验方法来自国外，对抗剪强度的考虑贯穿于整个试验过程，多用于理论研究；受剪综合、受力均匀、考虑试验过程的试验方法从宏观上考虑整个结构的受力状态，反映其损坏机理，工程应用广泛；试验组合误差可能较大，应用不多。

各方法的原理、适用性不一，在评价沥青路面抗剪性能时，工程人员可根据需要选取合适的试验方法，并可进行平行试验可使结果具有可比性、可信性。这对于解决我国沥青路面车辙、拥包推移等早期损坏具有重要意义。