沥青混合料抗剪性能试验方法及影响因素研究

1 抗剪性能试验
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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 55 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） 。
φ = sin -1 (tan α1 )
C=(
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： φ = arcsin( （8） （9）
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
C=
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σUCS 1- sin φ ( ) 2 cos φ
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]。 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，采用这三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
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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*
5 （1. 南京林业大学土木工程学院，南京 210037； 2. 东南大学交通学院，南京 210096） 摘要： 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。 关键词：沥青混合料；抗剪强度参数；室内试验；统计学 中图分类号：U416. 217
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单轴压缩试验和间接拉伸试验组合： tan α1 = 90
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σUCS - 4 σ IDT σUCS - 2 σ IDT
2 - tan α1 )σ IDT cos φ
σ1 - σ 3 - σUCS ) σ1 + σ 3 - σUCS
（5） （6） （7）
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下进行方差分析，得到 F（0.004）< Fcritical（3.467），也证实了这三组数据无显著性差异。 最终， 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测试沥青混合料 的抗剪强度参数。
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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 45 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。
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Testing Methods and Factors for Shear Properties of Asphalt Mixtures
LI Qiang1,2, HOU Rui1, MA Xiang1, LI Guofen1
20 (1. School of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037; 2. School of Transportation, Southeast University, Nanjing 210096) Abstract: 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. Key words: Asphalt mixture; Shear strength parameter; Laboratory test; Statistics
基金项目：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) 作者简介：李强（1982-），男，副教授，主要研究方向：路面结构与材料. E-mail: lq2526@163.com
φ = sin -1 (tan α )
（1） （2） （3） （4）
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C=
a0 cos φ
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]。
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 75 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：
表1 Tab. 1 试验指标 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） 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 表2 集料级配组成 Aggregate gradations 通过百分率/% AC-13 100.0 100.0 95.7 71.6 48.8 34.8 22.6 13.9 10.3 7.9 4.8 SMA-13 100.0 100.0 95.0 62.5 27.0 20.5 18.0 16.0 14.0 12.0 10.0 AC-20 100.0 89.0 80.9 65.4 50.0 39.0 27.0 16.0 12.0 6.8 3.0 沥青性能指标 70#普通沥青 72 47.8 >150 2021 345 99.9 0.1 69 110 64-22 SBS改性沥青 55 92 35 26000 352 99.9 0 82 15 76-22 Asphalt binder properties
剪应力
内摩擦角
包络线 单轴压缩试验
间接拉伸试验
粘聚力 正应力 三轴压缩试验
单轴贯入试验
图1
采用不同试验方法建立的摩尔圆
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Fig. 1
Mohr’s circles developed using different testing methods
三轴压缩试验：
σ1 + σ3 2 σ -σ q= 1 3 2 p=
60
Tab. 2 筛孔尺寸/mm 19.0 16.0 13.2 9.5 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
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1.2 试验方案
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首先在 4 个温度和加载速率组合条件下（ 20 ℃ -0.75mm/min 、 20 ℃ -50mm/min 、 50 ℃ -0.75mm/min、50℃-50mm/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 150mm× 65 高度 175mm 的圆柱体试件， 然后通过钻芯和切割得到直径 100mm× 高度 150mm 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 150mm×高度 100mm 和直径 150mm× 高度 50mm 的旋转压实试件。三轴压缩试验的围压水平分别为 0kPa （即单轴压缩试验）、69kPa、138kPa。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℃、 70 35℃、50℃）和 4 个加载速率（0.75mm/min、3.125 mm/min、12.5 mm/min、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]。
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0 引言
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。 35 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 40 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