沥青混合料剪切试验方法研究综述

公路交通科技应用技术版

沥青混合料剪切试验方法研究综述

冯俊领，徐绍国

(青岛市公路管理局，山东

摘

青岛

266061)

要：在国内外沥青混合料剪切试验方法研究的基础上，文章提出一种好的剪切试验方法应是不但比较简便，

而且试件受力特点符合路面的实际状况。对各种沥青混合料剪切试验方法的设备、试验原理和特点等进行了分析和评价，有助于我国道路工程的设计、施工及科研人员借鉴和采用这些试验方法，对于解决我国沥青路面普遍存在的车辙、拥包推挤等剪切损害具有重要意义。

关键词：道路工程；剪切损害；沥青混合料；剪切试验方法中图分类号：U416

文献标识码：B

随着交通量的快速增长，车辆超载严重，出现“多轴次、重轴载、高轮压的非均布性”的特点，在沥青路面的长、大纵坡地段、弯道、交叉路口等路段上，易出现车辙、拥包推挤等病害[1]。沥青路面的抗剪性能研究引起了越来越多的关注[2～6]，特别是在夏季高温季节，路面强度降低，在车轮的水平和垂直荷载综合重复作用下，较小的剪应力作用也容易使沥青面层产生剪切破坏；然而在沥青路面结构设计和沥青混合料的设计过程中忽略了对沥青混合料抗剪强度的检验，这也是导致沥青路面早期损坏发生的重要原因之一。

沥青路面的拥包推挤、车辙等永久变形主要是由于剪切变形所引起的，所以最适当的抗剪试验方法是能够直接测量沥青混合料的剪应力和变形。目前，由于三轴试验方法操作复杂，应用较少，国内外的道路工作者一直致力研究采用一种比较简便的方法来测试沥青混合料的

抗剪性能。不少学者认为[7，8]，选择沥青混合料抗剪试验方法时应考虑如下几个原则：

（1）与路面结构的受力具有相似性，试件的受力状态与路面结构的受力状态相似。

（2）试件的损坏过程能够反映该类材料强度产生的本质特点，能够反映其损坏的机理。

（3）除能够测得沥青混合料的抗剪性能外，最好能够评价沥青和集料的性能。

（4）试验过程简单，试验参数容易确定。（5）抗剪强度试验方法能模拟路面的真实温度。如何提高夏季高温季节沥青路面的抗剪性能，以及如何在沥青混合料设计过程中提出一种有效快捷的剪切

试验方法来评价其抗剪性能，都是当前亟待解决的问题。

1沥青混合料剪切试验方法

在国内外研究的基础上，对现有的各种沥青混合料抗剪性能试验方法的优缺点进行总结和评述。1.1三轴试验

三轴试验的试件受力模式能够模拟路面材料在荷载作用下的受力状态。三轴试验是测定混合料的粘结力C 和内摩擦角φ两项指标，以此计算混合料的抗剪强度τ。

τ=C +σtan φ

（1）

三轴试验（如图1所示），通过变化侧向应力σ3，以一定速率施加竖向应力σ1，即可得到σ3-σ1的关系曲线，由曲线中的直线段的斜率S 和截距L 即可求出粘结力C 和内摩擦角φ值。为了评价沥青混合料的抗剪性能还可进行重复加载三轴试验、重复三轴蠕变试验、静三轴蠕变试验等。

图1三轴试验

作者简介：冯俊领(1975-)，男，河南汝南人，工学博士，研究方向为路面工程和道路安全。

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三轴试验固然有其优点，但缺点也是很明显的。从原理的角度，它来源于对土力学的研究，试验原理、假设条件和材料参数的不同局限了其对沥青混合料的适用性；三轴试验的显著不足则在于不能模拟移动轮载条件下主应力轴的旋转和剪切应力反向引起的“各向异性”。此外，动三轴试验通过液体或者气体媒质对圆柱型试件施加围压已经假定其中两个主应力σ2，σ3总是相等的而无法控制中间主应力。

1.2Superpave 剪切试验(Superpaveshear test)

美国公路战略研究计划SHRP 为研究沥青混合料的抗剪切变形性能研制出Superpave 剪切试验仪SST (Superpaveshear tester)

[8]

同济大学为了用于测定桥面铺装层、高等级路面基层和面层层间粘结力和抗剪强度的模拟试验，设计出在MTS-810材料试验系统上做斜剪试验[9]。斜剪试验原理（如图4所示）是将面层与基层的接触面（层间）放置于上、下试模之间，在上面的试模顶面施加正压力F ，压力大小可由力传感器测定。当剪切面成45度角时，则此正压力会沿45度角分解，压力F 分解成两个力，一个平行于剪切面FH ，一个垂直于剪切面FV 。这样当F 超过临界值时，在垂直力和水平力的综合作用下，试件就会产生剪切破坏，可模拟路面在行车荷载作用下基层与面层剪切作用的情况。该试验虽然操作简便，但其缺点是试件与试模接触受力部分会出现应力集中现象，会对试验结果产生一定的影响。

，如图2所示。简单剪切试验

的试件为圆柱体，直径为150mm ，高为50mm 。试件被胶结在两钢板之间，在试件的顶面和底面施加外力，如图3所示。

简单剪切试验由于基本上消除了体积变形，试件的应力状态接近于纯剪切状态，试验结果能突出反映混合料产生永久变形的机理，因而能有效地应用于比较和预估各种混合料的抗永久变形性能。

简单剪切实验有各种各样的形式，主要有恒高度重复剪切试验(RSCH)和恒高度频率扫描试验(FSCH)。最常用的是恒高度重复剪切试验(RSCH)，能较好地评价不同级配、沥青、剪切应力、油石比和温度对混合料抗剪切性能的影响，其试验特点：（1）在试件上施加一个轴向力以保持试件的高度不变，保证在整个试验2）试件的应力状态接近于过程中试件的体积不变；（

3）该试验易于进行，但不能测量试件纯剪切状态；（

4）既可以作蠕变试验也可以作重复的剪切偏应变；（荷载试验。

但是在剪切试验过程中，试件上下顶面的边界层会对试验结果产生一定误差。此外简单剪切试验仪价格昂贵，目前在国内购买的很少，应用不多。

图4斜剪试验试件图5斜剪试验仪

长安大学针对山区公路沥青路面常见的基面层滑移破坏，为了测定山区高等级路面基层和面层层抗剪强度设计出了斜剪试验仪[10]如图5所示。该试验的缺点同样是试件与试模接触受力部分会出现应力集中现象。1.4单轴贯入试验

图6单轴贯入试验

同济大学的孙立军、毕玉峰[11]提出采用了沥青混合料单轴贯入试验方法，其类似于土工试验方法中的CBR

图2SST 单剪试验内部图

图3SST 恒高度圆柱体试件

试验，如图6所示。它的原理就是在试件上使用小于圆柱体试件直径的钢压头进行加载，通过这个试验来模拟

1.3斜剪试验

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沥青路面中的实际受力状态。采用单轴贯入试验，并通过对受力试件三维有限元计算所得的强度参数求得τm 、σ1和σ3，再辅以无侧限抗压试验确定σ2，根据三个主应力σ1、σ2和σ3确定摩尔圆，从摩尔圆求得粘结力C 和内摩擦角φ。这种试验方法比较简便，但评价较大粒径沥青混合料时，粒径的大小会对试验数据产生较大的影响。

1.5中空圆柱体剪切试验

美国的Sousa [12][13]开发的中空圆柱扭剪试验法，通过中空圆柱扭剪仪在独立施加内压、外压、轴向荷载和扭矩时，可以独立变化σr ，σθ，σz ，τz θ四个应力变量，亦即可以独立变化三个主应力的大小和在某一方向变化主应力方向，从而实现主应力轴旋转。空心圆柱扭剪试验法可以用于研究中间主应力、初始应力各向异性、强度各向异性以及应力不变量的影响，较仅能控制两个方向正应力的三轴试验法，其能模拟更为复杂的应力状态和应力路径。但是存在许多尚待解决的技术问题，故不适合用于常规试验方法。

美国的Bill Buttlar [13]采用中空圆柱体试件施加内压、外压荷载用于研究中间主应力、初始应力各向异性、强度各向异性以及应力不变量的影响。中空圆柱体试件壁较薄，粒径大的骨料对实验结果有较大的影响，目前还没有推广应用。1.6同轴剪切试验

图8同轴剪切试验试件的前、后面图

同轴剪切试验的试件（如图8所示）是把外径准150mm ，内径准55mm ，高50mm 的中空圆柱体试件用环氧树脂粘贴在钢筒和钢柱之间；轴向荷载通过钢柱作用于中空圆柱体试件内壁，同时试件的外侧面受限，使试件受剪切破坏；建立同轴剪切试验试件三维有限元模型，计算确定了同轴剪切试验剪切强度系数c （即当1kN 荷载作用在同轴剪切试件钢柱体上时，沥青混合料试件的最大剪应力τyz =c ），通过同轴剪切试验就可直接测定沥青混合料抗剪强度τ。

2结语

（1）对各种沥青混合料的剪切试验方法的的设备、试验原理和特点等进行了分析和评价，有助于我国道路工程的设计、施工及科研人员借鉴和采用这些试验方法。

（2）这些试验方法有各自的优点和不足，在评价不同材料和路面结构的抗剪性能时，可采用不同的试验方法进行平行试验，来确保材料和路面结构具有较好的抗剪性能，对于解决我国沥青路面普遍存在的车辙、拥包推挤等剪切病害具有重要意义。

参考文献：

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郭忠印，李立寒. 沥青路面道路质量评估及养护指南[M].北京：人民交通出版社，2005.

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高英，曹荣吉. 超重交通荷载下沥青路面的应力分析[J].公路交通科技，2001，18.

朱照宏，许志鸿. 柔性路面设计理论和方法[M].上海：同济大学出1987. 版社，

林绣贤. 关于沥青混凝土路面设计中抗剪指标的建议[J].公路，2004(12).

孙立军. 沥青路面结构行为理论[M].北京：人民交通出版社，2005. SHRP2002Design Guide ：Design of New and Rehabilitation Pavement Structure (DraftFinal Document).2003，August. 同济大学. 水泥混凝土桥面柔性铺装材料研究报告[R].2005.苏凯，武建民，陈忠达等. 一种新型路面材料剪切仪的开发及应用

图7同轴剪切试验

[3]

同济大学的郭忠印、冯俊领[14]提出了一种新的评价沥青混合料的抗剪强度的方法，即同轴剪切试验方法CAST （co-axial shear test ）（如图7所示）。通过同轴剪切试验不仅可测定青混合料试件抗剪强度τ，而且可做重复剪切试验测定试件的剪切模量G 。同轴剪切试验不但方法比较简便、物理意义明确、试验结果数据稳定，而且试件的受力模式与沥青路面在垂直荷载和水平荷载综合作用下的受力模式比较相近。与其他剪切试验方法相比，仅需要加工几个内径φ160mm 钢筒和φ50mm 的圆钢柱体，既经济又实用。

（下转第18页）

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表1superpave-25沥青下面层碾压施工工艺

过计算得出的。稳定的料源则能够控制集料的各种相对密度基本不变化，从而由此计算出集料的吸水率、合成毛体积相对密度、合成表现相对密度以及有效相对密度才能保持相对稳定，由此计算的VV 、VMA 、VFA 才能保持稳定。

本项目通过招标，选用盱眙鹏胜采石厂提供的粗、细集料，通过现场考察，该采石厂石料加工设备先进，料源稳定，材料强度等各项指标均满足工程建设的需要。

Suoerpave-25沥青下面层选用优质道路石油沥青，标号70号；粗集料采用石质坚硬、清洁、不含风化颗粒、近立方体颗粒的碎石，粒径大于2.36mm 的石灰岩碱性材料；细集料采用坚硬、洁净、干燥、无风化、无杂质并有适当集配的人工轧制米砂，石质为石灰岩。填料采用石灰岩经磨细得到的矿粉。

表3沥青混合料的施工温度/℃

7结语

superpave 沥青混合料离析问题在施工初期在所难免，关键是及时从混合料的拌和、摊铺、运输、碾压和现场施工组织各工序分析原因，调整优化施工方案，杜绝大面积离析现象。本文通过对上述工序出现离析现象的分析，结合宁宿徐高速NSX-XYN21合同段的施工实践，提出了若干改进建议，经过一系列调整优化，本项目在以后的沥青下面层施工中，未出现明显离析现象，面层混合料均匀密实，平整度优良，经过江苏省高指、市高指和省质量检测中心多次现场检测，均满足《江苏》的技术质量要求，省沥青路面施工指导意见（修订版）受到业主的一致好评。

参考文献：

[1][2][3]

张登良. 青路面工程手册[M].北京：人民交通出版社，2004. JTG F40-2004，公路沥青路面施工技术规范[S].JTJ052-2000，公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].

6恰当的碾压方案和科学的现场施工组织有

效防止离析

具体见表1～表3。

表2现场施工技术管理人员一览表

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! （上接第11页）

[J].公路，2006(2).[11][12]

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