沥青混合料层间剪切试验研究

摘要

沥青路面在使用过程中将承受较大的剪应力，而沥青混合料在设计过程中并未考虑抗剪因素，这使得沥青路面可能在一次或几次荷载作用下产生剪切或剪切疲劳破坏。目前，国内外各种测定沥青混合料抗剪强度的试验方法都有缺点。因此，有必要设计一种既能测定沥青混合料抗剪强度和剪切疲劳寿命，又有明显剪切破坏面的试验。本文根据此设计了一种简单而又容易操作的试验方法。

关键词：沥青混合料；剪切试验；抗剪强度；层间剪切；超载

中图分类号： TU535 文献标识码： A 文章编号：

0 引言

行驶在道路上的车辆对路面的作用力包括垂直压力、水平力以及振动冲击力等，沥青路面结构在车辆荷载作用下，其内部应力分布较为复杂。经研究表明，路面结构在车辆荷载作用下产生的内部剪应力是造成沥青路面结构破坏的主要原因之一，常见的破坏形式有拥包和裂缝，主要由层间纵向剪应力和横向剪应力引起，而垂直剪应力是导致路面出现车辙的主要原因［1］。

经研究表明，我国的重载车辆与日俱增，沥青路面早期损坏日益严重，与之息息相关的沥青混合料抗剪性能越来越引起人们的重视。剪切性能是沥青混合料最基本的力学性能，然而在以往的混合料设计方法中没有得到足够的重视［2］。本文模拟道路的实际使用情况，对沥青混合料在不同超载情况下的层间剪切试验做了研究。

1 试验研究的原理

大量路面结构破坏的实例证明，半刚性基层沥青路面结构层间破坏主要原因是由于层间结合面上的剪应力超过沥青路面结构层间所能承受的最大剪应力，路面结构就发生剪切破坏［3］。沥青路面所能承受的最大剪应力即为层间抗剪强度。

若用τ表示截面上的剪应力，τf表示层间抗剪强度，则沥青路面层间剪切破坏用公式可表示为：

ττf（1.1）

式中层间抗剪强度τf可用莫尔―库仑破坏理论来求解，计算公式如下：

τf= σtanφ+c(1.2)

式中：τf― 最大剪应力（MPa）；

σ― 剪切面法向应力（MPa）；

φ― 材料的内摩擦角（°）；

c― 材料的粘聚力（MPa）。

对路面结构层取样进行直接剪切试验是获得层间剪切强度较为简单易行的方法。图1.1为沥青路面结构层层间剪切试验示意图，图中上层为上面层，下层为下面层，A-A面为层间接触面。在剪切试验中，将下面层固定，上面层施加垂直压力P＇，下面层施加水平推力P，随着P不断增大，A-A面承受剪应力不断增大，直到达到试样所能承受的最大剪应力τ，试样发生破坏。

图1.1层间剪切试验示意图

试样的剪切强度计算可用以下公式描述：

τ=（1.3）

式中：τ ― 剪切强度； ― 最大剪切力； ― 试样截面积。

2 沥青混合料层间剪切试验过程及结果分析

2.1沥青混合料层间剪切试验设备

2.1.1加载试验设备

本实验水平与垂直方向都采用千斤顶和测力环进行人工加载，同时需要制作一些垫片和固定沥青混合料试件的模具。

2.1.2试件制备仪器

旋转压实仪是模拟了压路机的现场碾压状态，成型后的试件与实际路面在密度、集料排列和结构特性等方面比较接近。因此，本实验采用旋转压实仪制备试件，旋转压实仪如图2.1所示。

图2.1SHRP旋转压实仪

旋转压实仪可由设备自动产生600KPa的恒定压实压力，同时，机器底座在压实开始之前能自动产生一个压力轴线与混合料旋转轴线成一定偏角的压实角，以30r/min的速度旋转，模拟压路机对路面的现场压实过程来压实试件混合料。

Superpave根据路面的使用特性来选择旋转压实的设计参数（初始压实次数、设计压实次数与最大压实次数），其选择原则按表2.1确定。

表2.1 Superpave设计旋转压实次数

2.2 沥青混合料层间剪切试验试件制备

用SHRP旋转压实仪成型沥青混合料试件，可根据需要选择压实次数控制或高度控制。推荐采用压实高度控制，在确定最佳油石比之后，直径采用φ100mm，根据道路的实际摊铺厚度，首先压实成型第一层高度为50mm，稍微冷却一会儿，再在成型试件的上表面涂刷一层SBR改性乳化沥青作为粘结层，涂刷乳化沥青时要注意涂刷均匀。待乳化沥青完全破乳以后，然后压实成型第二层高度为40mm，成型后的试件如图2.2所示。

图2.2试件成型示意图

试件成型后无需等待完全冷却即可脱模，检查成型试件是否合格，使用游标卡尺量取试件不同位置的高度，若最高部位的高度和最低部位的高度差超过2mm时试件作废。

将试件放置在室温下24h。按公路工程沥青与沥青混合料试验规程规定的方法测定试件的密度、空隙率等各项物理指标。

2.3沥青混合料层间剪切试验及数据处理

2.3.1试验环境

相关研究表明，随着温度的升高沥青混合料的层间抗剪强度在逐渐下降［4］。根据道路的实际使用情况，本实验拟定温度为60℃。

首先，根据实验温度要求将试件放置在控温箱保温4小时以上，然后把试件放置在已固定好的模具中，同时安装千斤顶和测力环。在实验开始前，以最小荷载对试件进行预加载，以使试件及加载设备之间接触良好。

2.3.2 垂直方向加载类型和水平方向加载速率

根据道路实际使用中超载情况，本实验垂直荷载超载系数分别取 ：0,50％，100％ , 150％ , 200％ ；即垂直荷载分别为：0.70MPa ,1.05MPa ,1.40MPa , 1.75MPa 和2.10MPa。

加载速度对沥青混合料抗剪强度影响很大。众所周知，车辆的速度对路面的力学响应有很大影响，在不考虑其它环境因素的条件下，车速越快，对路面的荷载作用时间越短，路面的力学响应就比较小；路面不利的受力状态时是车速很慢或车辆停止状态。研究表明，试验加载速度愈慢，愈能反映沥青混合料的抵抗变形能力。沥青混合料的单轴抗压试验、静三轴试验、蠕变试验等加载速度采用1mm/min―2mm/min。所以，沥青混合料层间剪切试验加载速度采用1mm/min。加载方式采用位移控制方式，由百分表读出水平位移，由测力环读出垂直方向荷载和水平剪力。

2.3.3 试验结果数据处理

面层沥青混合料在垂直压力0.70、1.05、1.40、1.75、2.10MPa时，沥青混合料试件级配为：第一层AC―20C,第二层AC―16C，中间涂抹SBR改性乳化沥青作为粘结层；剪切速率为1mm/min；试验温度为60℃时的层间剪切强度变化规律。剪切试验结果见表2.2所示。

表2.2不同垂直压力时层间剪切试验结果

对不同垂直压力时层间剪切试验结果进行回归分析见图2.3所示。

图2.3垂直压力与层间剪切强度的关系

试验结果表明：随着垂直压力的增加，层间的剪切强度近似呈线性增加；可认为路面面层层间剪切强度适合于莫尔―库仑强度理论 τf= σtanφ+c ，其中τf 为路面面层间的抗剪强度；σ为层间剪切滑动面上的垂直应力；c为上面层与下面层间的粘聚力；φ为上面层与下面层间的内摩阻角。不同垂直压力时的剪切强度回归方程及相应的c、φ见表2.3。

表2.3不同级配的沥青混合料层间粘聚力和内摩阻角

3 结束语

.对于沥青混合料层间剪切试验参数（加载速率、温度等）有待于进一步的研究，下一步应当着眼于试验参数与材料路用性能的结合，建立不同路面条件下试验参数的选择标准。

.利用沥青混合料层间剪切试验进行沥青混合料抗剪性能的研究还是一个比较新的研究，需要进行更多种类的及更多试验条件下的沥青混合料层间剪切试验，以进一步完善沥青混合料层间剪切试验。

参考文献

［1］李明国，牛晓霞，申爱琴。山区高速公路沥青路面的抗车辙能力，长安大学学报，2006，vol.26:19―22.

［2］沙庆林.高速公路沥青路面早期破坏现象及预防［M］.北京：人民交通出版社，2001.5.

［3］苏凯.山区公路沥青路面基面层滑移分析［D］.长安大学硕士论文，西安，2004,3

［4］岳学军，黄晓明.沥青混合料高温稳定性评价指标的试验研究.公路交通科技，2006，vol.23:37―40.

［5］Norman W.Mcleod,A rational approach to the design of bituminous paving mixture,A.S.T.M,1951.