高子翔

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州 510507）

單軸貫入抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)參數(shù)影響研究

高子翔

（廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州 510507）

抗剪強(qiáng)度是瀝青混合料設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要參數(shù)。為更合理地反映瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度，文中基于單軸貫入抗剪強(qiáng)度測(cè)試方法，從試件的測(cè)試面、保溫時(shí)間及試件尺寸等方面對(duì)比分析瀝青混合料抗剪強(qiáng)度差異，提出了能反映瀝青混合料實(shí)際抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)參數(shù)。

公路；瀝青混合料；單軸貫入；抗剪強(qiáng)度；試驗(yàn)參數(shù)

在中國(guó)重交通（多軸次、重軸載、高輪壓）作用下，路面初期損壞嚴(yán)重。孫立軍教授等通過(guò)對(duì)大量瀝青路面損壞的調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)無(wú)論哪種非均布荷載作用，在瀝青路面的上中面層均會(huì)產(chǎn)生較大剪應(yīng)力。在重載車輛作用下，瀝青混合料由于剪應(yīng)力作用而發(fā)生剪切破壞或剪切疲勞破壞。因此，在瀝青混合料設(shè)計(jì)中必須考慮抗剪要求。

目前瀝青混合料抗剪強(qiáng)度測(cè)試方法包括三軸壓縮與單軸貫入兩種，與前者相比，單軸貫入測(cè)試方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：試件的受力狀態(tài)與路面結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)相似；試件的損壞過(guò)程能反映瀝青混合料強(qiáng)度的本質(zhì)特點(diǎn)；試驗(yàn)過(guò)程簡(jiǎn)單，試驗(yàn)參數(shù)容易確定。該方法采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件，試件尺寸根據(jù)理論分析包括φ150 mm×100 mm和φ100 mm×100 mm兩種，試驗(yàn)溫度與保溫時(shí)間則借鑒車轍試驗(yàn)。由于瀝青混合料的空隙率及抗剪試驗(yàn)保溫條件都會(huì)較大程度影響混合料的抗剪強(qiáng)度，該文從試件的測(cè)試面、保溫時(shí)間及試件尺寸三方面對(duì)比分析瀝青混合料抗剪強(qiáng)度差異，并提出更加科學(xué)的試驗(yàn)參數(shù)。

1 單軸貫入試驗(yàn)機(jī)理

1.1 試驗(yàn)原理

單軸貫入試驗(yàn)類似于CBR試驗(yàn)，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型瀝青混合料試件，試驗(yàn)時(shí)由一個(gè)鋼壓頭加壓，壓頭直徑r小于試件直徑R，將路面模型簡(jiǎn)化為一定尺寸的圓柱體，其上施加一定圓形荷載，試件側(cè)面無(wú)外加圍壓。若r／R的比值足夠小，則受力狀態(tài)與路面實(shí)際情況接近一致。根據(jù)三維有限元分析結(jié)果，r／R=0.28時(shí)單軸貫入試驗(yàn)的受力狀況能較好地模擬道路中的受力狀況。根據(jù)該力學(xué)模型，對(duì)直徑150 mm試件，采用直徑為42 mm的大壓頭；對(duì)直徑100 mm試件，采用直徑為28.5 mm的小壓頭。壓頭上下表面為平整的平面，加載時(shí)，將壓頭的圓柱部分與試件上表面接觸（見(jiàn)圖1）。

圖1 單軸貫入試驗(yàn)原理示意圖

在試驗(yàn)溫度方面，參考道路上的常用試驗(yàn)溫度，采用與車轍試驗(yàn)同樣的溫度，即60℃。

采用SGC旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型試件，并控制瀝青混合料試件空隙率為設(shè)計(jì)目標(biāo)空隙率。加載速度為1 mm／min，記錄壓力和位移，當(dāng)應(yīng)力值降為應(yīng)力極值點(diǎn)90%時(shí)，停止試驗(yàn)，取破壞極值點(diǎn)強(qiáng)度作為試件貫入強(qiáng)度（見(jiàn)圖2）。

圖2 單軸貫入試驗(yàn)典型變形-應(yīng)力曲線

1.2 抗剪強(qiáng)度計(jì)算

讀取最大貫入壓力值F，準(zhǔn)確到1 N。按下式計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)高度瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度：

式中：Rτ為抗剪強(qiáng)度（MPa）；f為剪應(yīng)力系數(shù)，直徑150 mm的試件f=0.35，直徑100 mm的試件f= 0.34；σp為貫入強(qiáng)度（MPa），σp=F／A；F為施加荷載極限值（N）；A為壓頭橫截面面積（mm2）。

2 單軸貫入混合料試件特性分析

旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型機(jī)理和馬氏擊實(shí)機(jī)理不同，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)是單面揉搓壓實(shí)，而馬氏擊實(shí)是雙面落錘擊實(shí)，兩種方法所成型的混合料試件的體積特性也有所不同。單軸貫入試件采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型，如圖3所示，是在頂面施加600 k Pa壓力，并成1.16°夾角，以30 r／min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)揉搓成型試件。試件各部分的密度會(huì)存在差異，導(dǎo)致各部位的空隙率也不同，將會(huì)影響單軸貫入測(cè)試結(jié)果。為了確保單軸貫入時(shí)所選取的測(cè)試面能較好地反映整個(gè)試件，甚至路面實(shí)際的抗剪性能，對(duì)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型試件進(jìn)行切割，測(cè)試不同部位的空隙率，并對(duì)不同測(cè)試面進(jìn)行單軸貫入試驗(yàn)測(cè)試其抗剪強(qiáng)度。

2.1 試件不同部位空隙率的差異

在不同設(shè)計(jì)壓實(shí)次數(shù)下成型不同瀝青類型及級(jí)配類型的瀝青混合料試件，測(cè)定其整體空隙率，并將其切割成3等份（見(jiàn)圖4），對(duì)比不同部位的空隙率，結(jié)果見(jiàn)表1。

2.2 單軸貫入不同測(cè)試面的影響

圖3 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型機(jī)理及參數(shù)

圖4 瀝青混合料試件測(cè)試示意圖

由表1可知試件不同部位的空隙率不同，且差異較大，若在單軸貫入測(cè)試時(shí)不區(qū)分試件的測(cè)試面，將導(dǎo)致測(cè)出的抗剪強(qiáng)度有較大波動(dòng)。因此，針對(duì)不同旋轉(zhuǎn)次數(shù)下的級(jí)配類型，選取底面和頂面不同測(cè)試面進(jìn)行抗剪強(qiáng)度對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表2。表2表明，由于成型方法的原因，頂面與底面的空隙率有2%左右的差別，導(dǎo)致測(cè)出的抗剪強(qiáng)度也有0.1～0.2 MPa的差別。

表1 試件不同部位空隙率對(duì)比

表2 試件不同測(cè)試面對(duì)抗剪強(qiáng)度的影響

2.3 測(cè)試面的確定

由于在實(shí)際路面施工時(shí)壓路機(jī)的碾壓直接作用在路面層位的上表面，跟旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的機(jī)理較為相似，這也是Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型法較為接近實(shí)際施工壓實(shí)的原因。對(duì)于單軸貫入試件，頂面的空隙率較為接近瀝青混合料整體設(shè)計(jì)空隙率，能較為準(zhǔn)確地反映該空隙率下的抗剪強(qiáng)度。因此，選取混合料試件的頂面作為單軸貫入抗剪強(qiáng)度測(cè)試面。

3 單軸貫入試件保溫時(shí)間對(duì)比分析

單軸貫入試驗(yàn)指南對(duì)試件保溫時(shí)間的規(guī)定為6～12 h，與中國(guó)車轍試驗(yàn)規(guī)定基本一致。在這樣大的一個(gè)保溫時(shí)間范圍內(nèi)測(cè)試得到的抗剪強(qiáng)度是否一致，需進(jìn)一步探討。

3.1 最短保溫時(shí)間的確定

單軸貫入試驗(yàn)的溫度為60℃，最短保溫時(shí)間應(yīng)是試件放入烘箱后達(dá)到試驗(yàn)溫度的時(shí)間。將傳感器放置于試件內(nèi)部，觀測(cè)試件從放入60℃烘箱時(shí)刻起直至達(dá)到恒定試驗(yàn)溫度的時(shí)間。通過(guò)實(shí)際觀測(cè)，大試件在5 h左右達(dá)到60℃恒定溫度，小試件僅需4 h左右，說(shuō)明單軸貫入試驗(yàn)指南規(guī)定的最短6 h保溫時(shí)間是正確的。

3.2 不同保溫時(shí)間的對(duì)比

單軸貫入試驗(yàn)的保溫時(shí)間跨度較長(zhǎng)，初步選取6、12 h，對(duì)比分析不同時(shí)間下的抗剪強(qiáng)度差異，結(jié)果見(jiàn)表3、圖5。

從表3、圖5可見(jiàn)，保溫12 h試件的抗剪強(qiáng)度比保溫6 h試件下降約8%，可能是保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)所致。因此，在單軸貫入試驗(yàn)測(cè)試時(shí)應(yīng)選取相同的保溫時(shí)間。由于保溫6 h試件的溫度已達(dá)到試驗(yàn)要求，這里選取6 h作為試驗(yàn)的統(tǒng)一保溫時(shí)長(zhǎng)。

表3 不同保溫時(shí)間下SUP-13瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度對(duì)比

圖5 抗剪強(qiáng)度隨保溫時(shí)間的變化

4 單軸貫入大小壓頭對(duì)比

單軸貫入試驗(yàn)方法在理論建模時(shí)根據(jù)瀝青混合料的最大公稱粒徑將試件尺寸劃分為兩種類型，對(duì)于最大公稱粒徑≤13.2 mm的混合料，建議使用直徑為100 mm的小試件及直徑為28.5 mm的壓頭進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)試，以節(jié)省材料，方便操作。

實(shí)際上，對(duì)于瀝青混合料試件的成型，特別是單軸貫入試件，其對(duì)高度嚴(yán)格要求為100 mm，在成型中必須使用高度控制，質(zhì)量變化將極大影響瀝青混合料試件的空隙率，而瀝青混合料的空隙率將影響其抗剪強(qiáng)度。因此，對(duì)于小試件，幾克的質(zhì)量變化就會(huì)影響試件的空隙率，且礦料內(nèi)部分布并不均勻，實(shí)際成型并不容易控制。而大試件成型更均勻，空隙率也更好控制。因此，如果大小試件測(cè)試的抗剪強(qiáng)度基本相同，則可以大試件替代小試件進(jìn)行瀝青混合料單軸貫入抗剪強(qiáng)度測(cè)試。

根據(jù)以往理論分析和試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)于相同的瀝青混合料，其大試件和小試件分別在對(duì)應(yīng)的測(cè)試頭下進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)試，得到的抗剪強(qiáng)度基本相同。對(duì)相同瀝青混合料下利用大小壓頭測(cè)試試件進(jìn)行抗剪強(qiáng)度對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)其結(jié)論一致（見(jiàn)表4）。因此，建議統(tǒng)一采用直徑150 mm、高100 mm的大試件作為單軸貫入抗剪強(qiáng)度測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)試件。

表4 單軸貫入大小壓頭對(duì)比

5 結(jié)論

為了更準(zhǔn)確地測(cè)試瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度，該文結(jié)合單軸貫入試驗(yàn)機(jī)理，從測(cè)試面、保溫時(shí)間、試驗(yàn)試件尺寸三方面對(duì)瀝青混合料單軸貫入抗剪強(qiáng)度測(cè)試的操作細(xì)節(jié)進(jìn)行了統(tǒng)一確定，結(jié)論如下：

（1）旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試件頂部的空隙率較為接近總體的設(shè)計(jì)空隙率，應(yīng)選取試件的頂面作為單軸貫入的測(cè)試面（即旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀壓頭接觸的一面）。

（2）為了消除保溫時(shí)間對(duì)試件抗剪強(qiáng)度帶來(lái)的差異，保溫時(shí)間統(tǒng)一定為6 h。

（3）統(tǒng)一采用直徑150 mm、高100 mm的圓柱體試件進(jìn)行單軸貫入抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)。

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1671-2668（2016）06-0108-03

2016-06-02