低围压沥青混合料抗剪性能试验及影响因素分析

张玉秀 李萍 范鑫源

摘 要：针对沥青路面由于抗剪性能不足而发生车辙病害的现象，对影响沥青混合料抗剪强度的因素进行分析。通过三轴剪切试验和单轴贯入试验发现，试验温度、集料的最大粒径、级配类型和沥青类型对沥青混合料抗剪强度的影响很大。结果表明：沥青混合料的抗剪强度随着温度的上升而降低，温度从20 °C上升到40 ℃时，抗剪强度下降幅度较大，温度从40 ℃上升到60 ℃时，抗剪强度下降幅度较小；从集料粒径对抗剪强度的影响来看，抗剪强度随着集料最大公称粒径的增大而逐渐减小；就相同集料粒径的混合料而言，骨架密实型混合料的抗剪强度大于悬浮密实型的抗剪强度；相同级配下，胶结料为改性沥青的混合料抗剪强度大于以胶结料为基质的沥青混合料抗剪强度。通过2种试验结果对比可知，2种试验方法所得变化规律有良好的一致性。

关键词：沥青混合料；抗剪切性能；三轴剪切试验；单轴贯入试验

中图分类号：U414.75 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.03.007

0 引言

沥青路面在高温、重载时，极易出现车辙、推挤、波浪、拥包等病害，其中车辙是主要破坏形式之一[1-3]。其原因主要是在车辆荷载作用下沥青路面的抗剪性能不足，从而导致沥青路面的路用性能下降，使用寿命也大大缩短。因此，为了进一步提高沥青路面的使用性能和使用寿命[4-5]，研究沥青混合料抗剪性能势在必行。

近年来，国内外学者对道路中的车辙病害[6-8]和沥青混合料抗剪性能评价进行了较为系统、全面的试验研究。张小元等[9]分析了不同温度下，对2种级配混合料进行零围压和有围压的三轴剪切试验，得到了抗剪强度参数值随温度的变化规律，并得出在2种级配类型的沥青混合料中加入纤维或抗车辙剂时，抗剪强度参数值均有所提高。李强等[10]通过不同类型试验，研究了4种沥青混合料的抗剪性能，发现试验方法的差异对所得抗剪强度参数的影响并不明显，在工程实际中推荐采用单轴压缩试验和间接拉伸试验组合测试所得的混合料抗剪强度参数，并分析出温度、加载速率和混合料类型对抗剪强度参数的重要影响。刘贵应等[11-12]利用单轴贯入试验及其他一些相关试验综合分析了集料公称粒径大小、集料级配等多个参数对沥青混合料的抗剪性能的影响。徐世法等[13-15]通过单轴贯入试验分析了沥青混合料抗剪强度的影响因素。

上述研究成果从不同试验类型分析了沥青混合料的抗剪性能及其影响因素，但是没有对比分析沥青路面在低围压条件下，不同试验方法测定沥青混合料剪切性能的差异性。沥青路面在服役过程中多处于低围压状态，而目前多数沥青混合料抗剪切试验是在围压较高的条件下进行试验，与沥青路面服役环境不符。故本研究采用单轴贯入试验以及低围压条件下的三轴剪切试验进行沥青混合料抗剪性能的对比研究，为进一步完善沥青混合料的抗剪强度理论提供技术参考。

1 原材料性能及配合比设计

1.1 原材料及性能

本文试验采用SK-90基质沥青、KL-90基质沥青以及SBS改性沥青，相关基本技术指标检测结果见表1、表2，各项指标均满足《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）[16]的要求。集料为辉绿岩，矿粉为石灰岩矿粉，材料均符合《公路工程集料试验规程》（JTG E42—2005）[17]各项技术要求。

1.2 配合比设计

对3种沥青混合料进行级配设计。以AC-13为例，进行油石比为4.2%、4.7%、5.2%、5.7%、6.2%的马歇尔试验以对其体积指标进行测定，确定最佳油石比为5.2%，结果见表3。

AC-16、AC-20、SMA-13矿料级配设计和马歇尔试验的过程与上述AC-13相同，各级配矿料筛孔通过率见表4，各级配最佳油石比见表5。

2 沥青混合料剪切性能试验分析

2.1 沥青混合料抗剪能力的评价指标

沥青混合料高温抗剪强度由黏聚力（[c]）与内摩擦角（[φ]）组成。三轴剪切试验通过测定沥青混合料的黏聚力和内摩擦角这2项指标，以此评价混合料的抗剪强度（[τ]），即：

[τ=c+σtanφ]. （1）

式中：[τ]为沥青混合料的抗剪强度；[c]为黏聚力；[σ]为法向应力，可根据路面的实际荷载情况确定；[φ]为内摩擦角。

2.2 三轴剪切试验方法和条件

三轴剪切试验中，沥青混合料试件在三轴仪压力室中处于三维受力的状态，此混合料的受力状态与实际路面的三面受力状态非常接近，因此可以测得混合料的抗剪强度参数。试验采用LSZ-100B型微机沥青混合料三轴压缩试验系统，所用试件是150 mm×Ф100 mm的圆柱体，采用旋转压实成型后，再用切割机和钻芯机将试件切割而成。加载速率为0.05 mm/min，围压分别为0、12.5、25.0、50.0 kPa。研究温度对沥青混合料抗剪性能的影响时试验温度为20、40、60 ℃，研究其他因素对抗剪强度的影响时试验温度均为60 ℃。

2.3 单轴贯入试验方法和条件

单轴贯入试验的原理来自于CBR试验，通过在试件上用钢压头加载模拟路面在荷载作用下的实际受力状况来反映沥青混合料在高温下的抗剪强度。但仅凭单轴贯入试验无法直接测得混合料的抗剪强度，需将其试验结果与无侧限抗压强度试验结果结合方能得出2个莫尔圆，再基于三轴剪切试验求得抗剪强度参数的方法来求得[c]值和[φ]值。其应力计算见式（2）：

[σ=FA]. （2）

式中：[σ]为竖向应力值，F为贯入应力峰值，A为钢压头横截面面积。

试验采用SNAS万能试验机，试验装置如图1所示。选用直径为42 mm的钢压头，所用试件是100 mm×Ф150 mm的圆柱体，采用旋转压实仪进行成型，加载速率为1 mm/min，每组试验进行4组平行试验，试验溫度与三轴剪切试验时的温度相同。

3 沥青混合料抗剪强度的影响因素分析

3.1 温度对沥青混合料抗剪强度的影响

沥青混合料是一种黏弹塑性材料，其黏结力受温度的影响很大。低温状态时沥青混合料表现为黏弹性，高温或长期重载的情况下则表现为黏弹塑性，此种情况下沥青混合料的黏结力变小，抗剪强度降低，最容易出现塑性流动变形或形成车辙。为测试不同温度与围压下沥青混合料的抗剪强度参数变化，本试验采用SMA-13沥青混合料，试验温度选取20、40、60 ℃，胶结料采用SBS改性沥青，试验结果如表6所示，其中，σ1、σ3分别为莫尔圆中的最大、最小主应力。由此得出的抗剪强度及其指标变化趋势图如图2、图3所示。

由图2可知，黏聚力以及内摩擦角都随着温度的升高而降低。在温度由20 ℃升高到40 ℃时，黏聚力下降了39%，内摩擦角下降了2%；当温度由40 ℃升高到60 ℃时，黏聚力下降了24%，内摩擦角下降了7%。由此可得到：黏聚力和内摩擦角都随着温度的升高而降低，黏聚力变化显著，而内摩擦角变化较小，说明温度对黏聚力的影响较大，而对内摩擦角影响较小。对抗剪强度而言（图3），20 ℃条件下SMA-13沥青混合料的抗剪强度高于40 ℃、60 ℃下的抗剪强度。随着温度的升高，SMA-13沥青混合料的抗剪强度降低。原因是沥青混合料作为一种复杂的黏弹塑性材料，会随着温度的变化而表现出不同的特性，温度升高时，沥青混合料会出现软化的现象，其胶结料也会随着温度的上升表现出流体的性质，导致沥青混合料原本的结构出现破坏，致使内摩擦角降低，从宏观角度表现为沥青混合料抗剪强度下降。

3.2 级配对沥青混合料抗剪强度的影响

3.2.1 集料粒径对沥青混合料抗剪强度的影响

为研究集料最大公称粒径对沥青混合料抗剪强度以及抗剪参数的影响，试验采用AC-13、AC-16、AC-20沥青混合料，试验温度选取60 ℃，胶结料采用KL-90基质沥青，试验结果得出3种沥青混合料的抗剪强度及其指标的变化趋势，如图4、图5所示。

由图4可知，随着集料颗粒粒径的增大，沥青混合料的黏聚力[c]值呈下降趋势，级配AC-13的[c]值要大于级配AC-16和级配AC-20，研究表明：粒径较小的集料颗粒比表面积大，与沥青的接触面积大，而自由沥青比例较少，在相同的温度以及荷载条件下，自由沥青较少的沥青混合料的黏聚力越大，反之，黏聚力越小；内摩擦角随着集料颗粒粒径的增大而增大，即AC-20>AC-16>AC-13，原因是粒径大的集料占比较大，粗集料的接触较好，矿料能形成稳定的骨架结构。由图5可知，當沥青混合料的结构同为悬浮密实型结构时，混合料的抗剪强度由大到小依次为AC-16>AC-13>AC-20。

3.2.2 不同级配对沥青混合料抗剪强度的影响

为了研究级配类型对沥青混合料抗剪强度的影响，试验采用悬浮密实型沥青混合料AC-13和骨架密实型沥青玛蹄脂碎石SMA-13，胶结料均采用SBS改性沥青，采用旋转压实法使试件成型，试验温度选取60 ℃，试验结果如表7所示。

由表7得知，对于黏聚力而言，悬浮密实型沥青混合料AC-13大于骨架密实型结构的沥青混合料SMA-13，原因是悬浮密实型结构中含有较多的细集料和矿粉，它们和胶结料形成的沥青胶浆能够为混合料提供较大的黏聚力。就内摩擦角和抗剪强度而言，却是骨架密实结构大于悬浮密实结构沥青混合料，这是由于悬浮密实型结构中的沥青胶浆在高温的作用下会软化，这些沥青胶浆在混合料中同时又起到润滑作用，使集料与沥青胶浆之间的黏附性减弱，从而导致内摩擦角下降，抗剪强度降低。

3.3 沥青类型对沥青混合料抗剪强度的影响

为了研究沥青性质对混合料性能的影响，针对AC-13沥青混合料，集料性质不变，选用KL-90基质沥青、SK-90基质沥青和SBS改性沥青3种沥青，试验温度选用60 ℃。AC-13沥青混合料在不同沥青类型下的黏聚力等指标的变化趋势如图6、图7所示。

由图6可知，SBS改性沥青混合料的黏聚力和内摩擦角都远大于基质沥青混合料，故而抗剪强度也是如此（图7）。其原因是：在高温条件下，黏度越大的沥青，其沥青混合料的抗剪强度越高。由于改性沥青与集料的黏附力优于普通沥青，因此拥有更大的抗剪强度。

4 沥青混合料剪切试验对比分析

三轴剪切试验和单轴贯入试验都能够很好地体现路面在高温和重载复合应力状态下的受力特征，但为了进一步表征二者的差别，进行了与三轴剪切试验工况相同的单轴贯入试验，并将试验结果进行比较。

4.1 不同温度下单轴贯入试验与三轴剪切试验结果对比分析

将SMA-13在20 ℃、40 ℃以及60 ℃时的单轴贯入试验与三轴剪切试验进行对比分析，作出2种试验所得黏聚力等指标的对比图，如图8—图10所示。

由图8—图9可知，随着温度的升高，黏聚力和内摩擦角都有所降低，黏聚力的下降幅度大于内摩擦角下降幅度，说明温度对黏聚力的影响大于对内摩擦角的影响，2种试验方法所得抗剪强度的变化规律一致，单轴贯入试验所得结果都大于三轴剪切试验所得结果（图10）。

4.2 不同级配单轴贯入试验结果与三轴剪切试验结果对比分析

4.2.1 集料粒径对沥青混合料抗剪强度的影响

将AC-13、AC-16、AC-20沥青混合料在60 ℃下进行单轴贯入试验与三轴剪切试验，将试验结果进行对比分析，如图11—图13所示。

当沥青混合料的结构同为悬浮密实型结构时，黏聚力随着集料最大粒径的增大而减小（图11）；而内摩擦角随着集料的最大粒径的增大而增大（图12）；根据式（1）计算，抗剪强度随着集料的最大公称粒径的增大而逐渐减小（图13）。但就2种试验方法所得结果来看，单轴贯入试验所得试验结果大于三轴剪切试验所得结果，2种试验方法所得的黏聚力差别较大，内摩擦角差别较小。

4.2.2 级配类型对沥青混合料抗剪强度的影响

将悬浮密实型混合料AC-13和骨架密实型混合料SMA-13于60 ℃下进行单轴贯入试验与三轴剪切试验，将试验结果进行对比分析，得出2种试验在不同级配类型下沥青混合料的內摩擦角、黏聚力、抗剪强度变化趋势，如图14—图16所示。

悬浮密实结构混合料的黏聚力大于骨架密实型混合料的黏聚力（图14）；而就内摩擦角来说，SMA-13沥青混合料的内摩擦角大于AC-13沥青混合料的内摩擦角（图15）。通过计算，SMA-13沥青混合料的抗剪强度大于AC-13沥青混合料（图16），这与三轴剪切试验所得规律一致。综合来看，单轴贯入试验所得试验结果大于三轴剪切试验所得结果。

4.3 不同沥青类型单轴贯入试验与三轴剪切试验对比分析

将SK-90、KL-90沥青以及SBS改性沥青作为胶结料成型AC-13沥青混合料试件，对比分析在60 ℃下的单轴贯入试验与三轴剪切试验结果，作出2种试验所得抗剪强度及其变化趋势，如图17—图19所示。

由图17—图19可知，三轴剪切试验和单轴贯入试验所得的结果规律一致。在黏聚力方面，改性沥青混合料的黏聚力大于基质沥青混合料。在内摩擦角方面，三轴剪切试验中，SK-90沥青混合料的内摩擦角略小于KL-90沥青混合料的内摩擦角，而单轴贯入试验中的结果却是与之相反，SK-90沥青混合料的黏聚力小于KL-90沥青混合料的黏聚力，而内摩擦角却略大于KL-90沥青混合料的内摩擦角，但两者内摩擦角的差异十分微小。综合来看，单轴贯入试验的结果仍大于三轴剪切试验的结果。

5 结论

通过对比分析沥青混合料的三轴剪切试验和单轴贯入试验结果，得到以下主要结论：

1）黏聚力和内摩擦角都随着温度的升高而降低，温度对黏聚力的影响程度大于其对内摩擦角的影响程度。2种试验方法所得到的结果都符合沥青混合料抗剪性能指标的变化规律。但从数值上来说，单轴贯入试验所得抗剪强度都大于三轴剪切试验所得抗剪强度。

2）混合料的黏聚力随着集料颗粒粒径的增大而减小，而内摩擦角随着集料颗粒粒径的增大而增大。就相同集料粒径的混合料而言，骨架密实型的抗剪强度大于悬浮密实型。

3）相同级配下，改性沥青混合料的黏聚力和内摩擦角均大于基质沥青。为提高沥青混合料的高温抗剪强度，优先选用改性沥青。

4）三轴剪切试验与单轴贯入试验均能较好地反映混合料抗剪强度指标的变化规律。2种试验测得的黏聚力差别较大，而内摩擦角变化不大，说明三轴剪切试验中围压的变化对黏聚力的影响大于对内摩擦角的影响。

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Test on shear performance of asphalt mixture with low confining

pressure and analysis of its effect factors

ZHANG Yuxiu1， LI Ping2， FAN Xinyuan2

（1. School of Civil Engineering， Jiuquan Vocational and Technical College， Jiuquan 735000， China;

2. School of Civil Engineering， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China）

Abstract： In view of the rutting disease of asphalt pavement due to insufficient shear performance， the factors affecting the shear strength of asphalt mixture are analyzed. Through triaxial shear test and uniaxial penetration test， it is found that the shear strength of asphalt mixture is affected by test temperature， aggregate maximum particle size， gradation type and asphalt type. The results show that the shear strength of asphalt mixture decreases with the increase of temperature， when the temperature increases from 20 ℃to 40 ℃， the decrease of shear strength is larger， while when the temperature increases from 40 ℃ to 60 ℃， the decrease of shear strength is smaller; From the effect of aggregate particle size on shear strength， the shear strength decreases with the increase of aggregate maximum nominal particle size; For the mixtures with the same aggregate size， the shear strength of the skeleton dense mixture is greater than that of the suspension dense mixture; and the shear strength of the mixture with modified asphalt as binder is greater than that of the mixture with base asphalt as binder under the same gradation. Through the comparison of the two test results， it can be seen that the variation laws obtained by the two test methods are consistent.

Key words： asphalt mixture; shear performance; triaxial shear test; uniaxial penetration test

（責任编辑：罗小芬）