瀝青混合料抗剪性能試驗(yàn)方法及影響因素研究

李　強(qiáng)， 侯　睿， 馬　翔， 李國(guó)芬

(1.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京　210037；2. 東南大學(xué) 交通學(xué)院， 江蘇 南京　210096)

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瀝青混合料抗剪性能試驗(yàn)方法及影響因素研究

李強(qiáng)1, 2， 侯睿1， 馬翔1， 李國(guó)芬1

(1.南京林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 江蘇 南京210037；2. 東南大學(xué) 交通學(xué)院， 江蘇 南京210096)

通過(guò)不同類(lèi)型室內(nèi)試驗(yàn)方法對(duì)4種瀝青混合料的抗剪性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)；并采用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)瀝青混合料抗剪性能的主要影響因素進(jìn)行了敏感性分析。研究發(fā)現(xiàn)：采用不同試驗(yàn)方法得到的抗剪強(qiáng)度參數(shù)無(wú)顯著性差異，在工程實(shí)踐中推薦采用較為簡(jiǎn)便的單軸壓縮試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)組合；試驗(yàn)條件和混合料類(lèi)型均對(duì)瀝青混合料抗剪強(qiáng)度參數(shù)有重要的影響。其中，對(duì)粘聚力影響最大的是溫度和加載速率，其次為關(guān)鍵篩孔通過(guò)率和瀝青性質(zhì)；關(guān)鍵篩孔通過(guò)率是內(nèi)摩擦角最重要的影響因素。

瀝青混合料； 抗剪強(qiáng)度參數(shù)； 室內(nèi)試驗(yàn)； 統(tǒng)計(jì)學(xué)

0　前言

非均布輪載作用下瀝青面層內(nèi)產(chǎn)生的剪切應(yīng)力容易誘發(fā)車(chē)轍，而瀝青層表面的剪切疲勞會(huì)引起路面自上而下的疲勞開(kāi)裂。因此，瀝青混合料抗剪性能與瀝青路面使用性能密切相關(guān)?？辜粜阅苁菫r青混合料的基本力學(xué)特性，根據(jù)抗剪強(qiáng)度理論，其與路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)有關(guān)。這就說(shuō)明從抗剪性能入手進(jìn)行車(chē)轍等病害研究，不但符合其形成機(jī)理，還可以同時(shí)兼顧路面結(jié)構(gòu)和材料設(shè)計(jì)。

在以往的研究中大多采用經(jīng)典的三軸壓縮試驗(yàn)來(lái)評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗剪性能。該方法雖然應(yīng)力狀態(tài)明確，但操作過(guò)程復(fù)雜，對(duì)設(shè)備要求較高。另外，如何確定側(cè)向圍壓也是一個(gè)問(wèn)題。因此，三軸壓縮試驗(yàn)在工程實(shí)踐中較少應(yīng)用[1]。也有一些學(xué)者提出了采用其它試驗(yàn)方法來(lái)代替復(fù)雜的三軸試驗(yàn)，如直接拉伸試驗(yàn)、單軸貫入試驗(yàn)、同軸剪切試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)等[2-7]。在理論上材料的抗剪強(qiáng)度并不依賴(lài)于試驗(yàn)方法，但是由于力學(xué)原理、試驗(yàn)程序、計(jì)算方法等方面的差異，采用不同的試驗(yàn)方法可能會(huì)得到不一致的結(jié)果，也尚未有研究表明哪一種方法更為準(zhǔn)確。因此，有必要對(duì)不同的瀝青混合料抗剪性能試驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比研究。另外，試驗(yàn)條件和材料參數(shù)對(duì)瀝青混合料抗剪性能影響的顯著性也有待深入研究。

本研究采用不同的試驗(yàn)方法測(cè)試4種瀝青混合料的抗剪性能，通過(guò)對(duì)比分析，提出一種既準(zhǔn)確又簡(jiǎn)便的方法以便于在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用；并對(duì)瀝青混合料抗剪性能的主要影響因素進(jìn)行敏感性分析，通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法確定各影響因素的顯著性。

1　抗剪性能試驗(yàn)

1.1原材料及配合比設(shè)計(jì)

采用4種瀝青混合料進(jìn)行室內(nèi)抗剪性能試驗(yàn)。其中，AC — 13M混合料為AC — 13密級(jí)配+SBS改性瀝青，SMA — 13U混合料為SMA — 13瀝青瑪蹄脂碎石+70#普通瀝青，AC — 20U混合料為AC — 20密級(jí)配+70#普通瀝青，AC — 20M混合料為AC — 20密級(jí)配+ SBS改性瀝青。上面層AC — 13M和SMA — 13U混合料采用玄武巖集料，中面層AC — 20U和AC — 20M混合料采用石灰?guī)r集料。瀝青性能指標(biāo)見(jiàn)表1，集料級(jí)配見(jiàn)表2。通過(guò)Superpave體積設(shè)計(jì)法確定各混合料的最佳油石比分別為4.9%(AC — 13M)、6.1%(SMA — 13U)、4.4%(AC — 20U)和4.5%(AC — 20M)。

1.2試驗(yàn)方案

首先在4個(gè)溫度和加載速率組合條件下(20 ℃-0.75 mm/min、20 ℃-50 mm/min、50 ℃-0.75 mm/min、50 ℃-50 mm/min)分別采用三軸壓縮試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)和單軸貫入試驗(yàn)對(duì)AC — 13M混合料的抗剪性能進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型直徑150 mm×高度175 mm的圓柱體試件，然后通過(guò)鉆芯和切割得到直徑100 mm×高度150 mm的圓柱體試件用于單軸和三軸壓縮試驗(yàn)；單軸貫入和間接拉伸試驗(yàn)試驗(yàn)分別采用直徑150 mm×高度100 mm和直徑150 mm×高度50 mm的旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件。三軸壓縮試驗(yàn)的圍壓水平分別為0 kPa(即單軸壓縮試驗(yàn))、69、138 kPa。然后，通過(guò)對(duì)基于不同試驗(yàn)方法得到的抗剪性能進(jìn)行對(duì)比分析，確定適用于工程實(shí)踐的最優(yōu)方法。采用推薦的最優(yōu)試驗(yàn)方法在3個(gè)溫度(20 ℃、35 ℃、50 ℃)和4個(gè)加載速率(0.75、3.125、12.5、50 mm/min)水平下分別評(píng)價(jià)4種瀝青混合料的抗剪性能。所有試驗(yàn)均采用2個(gè)平行試件，取其平均值進(jìn)行分析。各抗剪性能試驗(yàn)的具體方法詳見(jiàn)文獻(xiàn)[5-7]。

表1 瀝青性能指標(biāo)Table1 Asphaltbinderproperties瀝青類(lèi)別針入度/0.1mm(25℃,100g,5s)軟化點(diǎn)/℃延度/cm(5cm/min,普通瀝青15℃/改性瀝青5℃)動(dòng)力粘度/Pa·s(60℃、真空減壓毛細(xì)管法)70#普通瀝青7247.8>150 2021SBS改性瀝青55923526000閃點(diǎn)/℃溶解度/%(三氯乙烯)薄膜加熱TFOT(163℃,5h)質(zhì)量損失/%針入度比/%(25℃)延度/cm(普通瀝青15℃/改性瀝青5℃)PG分級(jí)34599.90.16911064～2235299.90821576～22

表2 集料級(jí)配組成Table2 Aggregategradations篩孔尺寸/mm通過(guò)百分率/%AC—13SMA—13AC—2019.0100.0100.0100.016.0100.0100.089.013.295.795.080.99.571.662.565.44.7548.827.050.02.3634.820.539.01.1822.618.027.00.613.916.016.00.310.314.012.00.157.912.06.80.0754.810.03.0

2　試驗(yàn)方法對(duì)比

根據(jù)摩爾 — 庫(kù)侖抗剪強(qiáng)度理論，無(wú)論采用哪種試驗(yàn)方法，至少需要建立兩個(gè)摩爾圓，才能求得材料的破壞包絡(luò)線(xiàn)和抗剪強(qiáng)度參數(shù)(粘聚力C和內(nèi)摩擦角φ)，如圖1所示。本研究分別采用三軸壓縮試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)組合以及單軸壓縮試驗(yàn)和單軸貫入試驗(yàn)組合三種方案測(cè)試AC — 13M混合料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。C和φ的計(jì)算公式如下：

三軸壓縮試驗(yàn)：

(1)

(2)

φ=sin-1(tanα)

(3)

(4)

式中：p為平均正應(yīng)力；q為最大剪應(yīng)力；σ1為最大主應(yīng)力；σ3為最小主應(yīng)力；α為p-q直線(xiàn)的斜率；a0為p-q直線(xiàn)的截距。其中，p-q直線(xiàn)通過(guò)三個(gè)不同圍壓下的三軸壓縮試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸得到[6]。

單軸壓縮試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)組合：

(5)

φ=sin-1(tanα1)

(6)

(7)

式中：σUCS為單軸壓縮強(qiáng)度；σIDT為間接拉伸強(qiáng)度；α1為斜率參數(shù)。

單軸壓縮試驗(yàn)和單軸貫入試驗(yàn)組合：

(8)

(9)

式中：σ1和σ3分別為最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力，由單軸貫入強(qiáng)度和通過(guò)有限元分析得到的強(qiáng)度參數(shù)確定[7]。

圖1　采用不同試驗(yàn)方法建立的摩爾圓Figure 1　　　　Mohr’s circles developed using different testing methods

基于不同試驗(yàn)組合獲取的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如圖2所示。從圖中可以看出: 無(wú)論在哪種試驗(yàn)條件下，采用這3種方案均能得到一致的結(jié)果。對(duì)于C和φ來(lái)說(shuō)，相對(duì)差異的變化范圍分別在6.6%～12.7%和6.3%～20.8%之間，符合工程實(shí)踐所需的精度要求。在置信度95%的條件下進(jìn)行方差分析，得到F(0.004)

圖2　基于不同試驗(yàn)方法計(jì)算得到的抗剪強(qiáng)度參數(shù)Figure 2　　　　Shear properties calculated using different testing methods

3　影響因素敏感性分析

3.1溫度

在不同的溫度和加載速率水平下對(duì)各種瀝青混合料進(jìn)行單軸壓縮試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)，然后采用式(5)～式(7)計(jì)算對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度參數(shù)，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以看出: 對(duì)于任一混合料來(lái)說(shuō)，隨著溫度的升高，膠結(jié)料粘度逐漸降低，導(dǎo)致混合料粘聚力C值也逐漸減小，但是減小趨勢(shì)逐漸變緩?？傮w來(lái)說(shuō)，C值對(duì)溫度變化還是非常敏感的，溫度從20 ℃升高到50 ℃，各種混合料的C值至少減小了75%。另外，由于瀝青改性后溫度穩(wěn)定性提高，因此溫度對(duì)改性瀝青混合料(AC — 13M和AC — 20M)粘聚力的影響要小于對(duì)普通瀝青混合料(SMA — 13U和AC — 20U)粘聚力的影響。

圖3　溫度對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響Figure 3　Effects of temperatures on shear properties

粘聚力主要取決于瀝青膠結(jié)料的技術(shù)特性，而內(nèi)摩擦角主要受礦料特性的影響，如級(jí)配、最大公稱(chēng)粒徑、棱角性等[8]。從圖3中可以發(fā)現(xiàn): 溫度對(duì)內(nèi)摩擦角φ值的影響規(guī)律在不同加載速率下并不一致。在低加載速率水平下(0.75,3.125 mm/min)，多數(shù)情況下φ值隨著溫度的升高而減?。欢诟呒虞d速率水平下(12.5,50 mm/min)，φ值大多隨著溫度的升高而增大。在低速率荷載作用下，礦料骨架可以有效地完成空間重組，混合料應(yīng)力松弛完成程度也較高，內(nèi)摩擦角較小。在高速率荷載作用下，礦料骨架由于沒(méi)有足夠的時(shí)間完成空間重組和應(yīng)力松弛，因此表現(xiàn)出較強(qiáng)的嵌擠作用和內(nèi)摩擦力[9]。隨著溫度升高，膠結(jié)料流動(dòng)性變強(qiáng)，一方面有利于礦物集料形成更好的骨架結(jié)構(gòu)，另一方面也可能在集料顆粒間起到潤(rùn)滑作用，反而逐漸消弱嵌擠作用。另外，溫度越高，在材料強(qiáng)度組成中粘聚力的貢獻(xiàn)越小而內(nèi)摩擦力的貢獻(xiàn)越大，溫度對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響主要通過(guò)集料特性方面的改變來(lái)體現(xiàn)。

3.2加載速率

加載速率對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響規(guī)律如圖4所示。從圖中可以看出，各種瀝青混合料的C值均隨著加載速率增大而不斷增大，但是增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸減小。加載速率從0.75 mm/min提高到50 mm/min，不同混合料的C值增大了1-4倍不等。在高溫條件下，加載速率對(duì)粘聚力的影響更為顯著。加載速率對(duì)普通瀝青混合料粘聚力的影響也要略大于對(duì)改性瀝青混合料粘聚力的影響。類(lèi)似地，加載速率對(duì)內(nèi)摩擦角φ值影響規(guī)律也不明確。在高溫條件下(35 ℃和50 ℃)，φ值基本隨著加載速率的增大而增大；而在低溫條件下(20 ℃)，φ值大致隨著加載速率的增大而減小。

圖4　加載速率對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響Figure 4　Effects of loading rates on shear properties

加載速率和溫度對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響機(jī)理在本質(zhì)上是相同的。這是由于瀝青混合料屬于熱流變性材料，其力學(xué)行為遵循時(shí)間-溫度等效原理，即長(zhǎng)時(shí)間和高溫度(或者短時(shí)間和低溫度)對(duì)其影響是等效的。這一點(diǎn)在線(xiàn)彈性小應(yīng)變水平、非線(xiàn)性大應(yīng)變水平甚至破壞狀態(tài)下均得到了驗(yàn)證[10]。因此，可以借鑒動(dòng)態(tài)模量主曲線(xiàn)構(gòu)建方法，通過(guò)時(shí)間-溫度換算法則(如Williams-Landel-Ferry公式、Arrhenius公式等)把不同溫度和加載速率下的抗剪強(qiáng)度參數(shù)(尤其是粘聚力)進(jìn)行移位分析，建立統(tǒng)一的材料特性主曲線(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)在較大的應(yīng)變率和溫度變化范圍內(nèi)更為準(zhǔn)確和簡(jiǎn)便地描述瀝青混合料的抗剪性能。

3.3混合料類(lèi)型

分別在高溫慢速(50 ℃、0.75 mm/min)和低溫快速(20 ℃、50 mm/min)條件下分析瀝青混合料類(lèi)型對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，較之于普通瀝青混合料(SMA — 13U和AC — 20U)，改性瀝青混合料(AC — 13M和AC — 20M)的C值有明顯的增加。這是因?yàn)镾BS改性瀝青的針入度較小，軟化點(diǎn)和粘度較大，在承受剪切作用時(shí)能提供給混合料較大的粘滯阻力，在高溫慢速條件下更為顯著。集料因素(礦料種類(lèi)和級(jí)配)對(duì)C值的影響較小。另外，在不同試驗(yàn)條件下采用骨架密實(shí)型結(jié)構(gòu)的SMA — 13U混合料均具有最大的內(nèi)摩擦角。

圖5　混合料類(lèi)型對(duì)抗剪強(qiáng)度參數(shù)的影響Figure 5　Effects of mix types on shear properties

3.4顯著性分析

對(duì)瀝青混合料抗剪強(qiáng)度參數(shù)的主要影響因素進(jìn)行極差分析，結(jié)果如圖6所示。其中，主要通過(guò)動(dòng)力粘度或者軟化點(diǎn)來(lái)表征瀝青性質(zhì)，集料性質(zhì)中包含了集料類(lèi)型和公稱(chēng)最大粒徑的綜合影響，關(guān)鍵篩孔選取了4.75 mm和0.075 mm。從圖中可以看出: 對(duì)粘聚力而言，影響因素的重要性從大到小依次為溫度、加載速率、關(guān)鍵篩孔通過(guò)率、瀝青性質(zhì)以及集料性質(zhì)。對(duì)內(nèi)摩擦角而言，關(guān)鍵篩孔通過(guò)率是最重要的影響因素，其次為溫度、加載速率和瀝青性質(zhì)。一般認(rèn)為，礦料公稱(chēng)最大粒徑越大，骨架作用越強(qiáng)，內(nèi)摩擦角越大。另外，玄武巖的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)要優(yōu)于石灰?guī)r，受力后能相互嵌擠鎖結(jié)而具有較大的內(nèi)摩擦角。但是從圖5和圖6中均可以發(fā)現(xiàn)，集料性質(zhì)對(duì)內(nèi)摩擦角的影響并不顯著。主要原因是在本研究中不同層位的混合料采用了不同類(lèi)型的集料，公稱(chēng)最大粒徑13 mm的上面層混合料采用了玄武巖集料，而公稱(chēng)最大粒徑20 mm的中面層混合料則采

用了石灰?guī)r集料。在同一混合料中，集料類(lèi)型和公稱(chēng)最大粒徑的影響相互抵消，造成不同混合料內(nèi)摩擦角的差異較小。

圖6　抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響因素的極差分析Figure 6　Range analysis of factors on shear properties

4　結(jié)論

① 采用三軸壓縮試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)組合以及單軸壓縮試驗(yàn)和單軸貫入試驗(yàn)組合測(cè)試得到的抗剪強(qiáng)度參數(shù)無(wú)顯著性差異，綜合權(quán)衡精確性與簡(jiǎn)便性要求后，在工程實(shí)踐中推薦采用單軸壓縮試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)組合用于評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗剪性能。

② 粘聚力隨著溫度的升高或者加載速率的降低逐漸減小，在普通瀝青混合料中表現(xiàn)得更為顯著；溫度和加載速率對(duì)內(nèi)摩擦角的影響規(guī)律較為復(fù)雜，在不同的溫度或者加載速率水平下表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)；改性瀝青混合料具有較大的粘聚力而SMA混合料具有較大的內(nèi)摩擦角。

③ 對(duì)粘聚力影響最大的是溫度和加載速率，其次為關(guān)鍵篩孔通過(guò)率和瀝青性質(zhì)；對(duì)內(nèi)摩擦角影響最大的是關(guān)鍵篩孔通過(guò)率。

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Testing Methods and Factors for Shear Properties of Asphalt Mixtures

LI Qiang1, 2, HOU Rui1, MA Xiang1, LI Guofen1

(1.School of Civil Engineering, Nanjing Forestry University, Nanjing, Jiangsu 210037, China;2. School of Transportation, Southeast University, Nanjing, Jiangsu 210096, China)

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.

asphalt mixture; shear strength parameter; laboratory test; statistics

2015 — 03 — 17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51308303)；江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃(自然科學(xué)基金)資助項(xiàng)目(BK20130980)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)科研基金資助課題(20123204120011)；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)計(jì)劃項(xiàng)目(2013 — K4 — 9)；江蘇省普通高校專(zhuān)業(yè)學(xué)位研究生科研實(shí)踐計(jì)劃項(xiàng)目(SJLX — 0396)

李強(qiáng)(1982 — )，男，江蘇新沂人，副教授，博士，主要從事路面結(jié)構(gòu)與材料研究工作。

U 416.217

A

1674 — 0610(2016)04 — 0050 — 05