單軸貫入抗剪強度試驗參數影響研究

2016-12-12 13:45:52高子翔

公路與汽運 2016年6期

高子翔

（廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，廣東廣州 510507）

單軸貫入抗剪強度試驗參數影響研究

高子翔

（廣東省交通規劃設計研究院股份有限公司，廣東廣州 510507）

抗剪強度是瀝青混合料設計中的一項重要參數。為更合理地反映瀝青混合料的抗剪強度，文中基于單軸貫入抗剪強度測試方法，從試件的測試面、保溫時間及試件尺寸等方面對比分析瀝青混合料抗剪強度差異，提出了能反映瀝青混合料實際抗剪強度的試驗參數。

公路；瀝青混合料；單軸貫入；抗剪強度；試驗參數

在中國重交通（多軸次、重軸載、高輪壓）作用下，路面初期損壞嚴重。孫立軍教授等通過對大量瀝青路面損壞的調查分析，發現無論哪種非均布荷載作用，在瀝青路面的上中面層均會產生較大剪應力。在重載車輛作用下，瀝青混合料由于剪應力作用而發生剪切破壞或剪切疲勞破壞。因此，在瀝青混合料設計中必須考慮抗剪要求。

目前瀝青混合料抗剪強度測試方法包括三軸壓縮與單軸貫入兩種，與前者相比，單軸貫入測試方法具有以下優點：試件的受力狀態與路面結構的受力狀態相似；試件的損壞過程能反映瀝青混合料強度的本質特點；試驗過程簡單，試驗參數容易確定。該方法采用旋轉壓實成型試件，試件尺寸根據理論分析包括φ150 mm×100 mm和φ100 mm×100 mm兩種，試驗溫度與保溫時間則借鑒車轍試驗。由于瀝青混合料的空隙率及抗剪試驗保溫條件都會較大程度影響混合料的抗剪強度，該文從試件的測試面、保溫時間及試件尺寸三方面對比分析瀝青混合料抗剪強度差異，并提出更加科學的試驗參數。

1 單軸貫入試驗機理

1.1 試驗原理

單軸貫入試驗類似于CBR試驗，采用旋轉壓實成型瀝青混合料試件，試驗時由一個鋼壓頭加壓，壓頭直徑r小于試件直徑R，將路面模型簡化為一定尺寸的圓柱體，其上施加一定圓形荷載，試件側面無外加圍壓。若r／R的比值足夠小，則受力狀態與路面實際情況接近一致。根據三維有限元分析結果，r／R=0.28時單軸貫入試驗的受力狀況能較好地模擬道路中的受力狀況。根據該力學模型，對直徑150 mm試件，采用直徑為42 mm的大壓頭；對直徑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，將壓頭的圓柱部分與試件上表面接觸（見圖1）。

圖1 單軸貫入試驗原理示意圖

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

采用SGC旋轉壓實儀成型試件，并控制瀝青混合料試件空隙率為設計目標空隙率。加載速度為1 mm／min，記錄壓力和位移，當應力值降為應力極值點90%時，停止試驗，取破壞極值點強度作為試件貫入強度（見圖2）。

圖2 單軸貫入試驗典型變形-應力曲線

1.2 抗剪強度計算

讀取最大貫入壓力值F，準確到1 N。按下式計算標準高度瀝青混合料的抗剪強度：

式中：Rτ為抗剪強度（MPa）；f為剪應力系數，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

旋轉壓實成型機理和馬氏擊實機理不同，旋轉壓實是單面揉搓壓實，而馬氏擊實是雙面落錘擊實，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壓實成型，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的轉速旋轉揉搓成型試件。試件各部分的密度會存在差異，導致各部位的空隙率也不同，將會影響單軸貫入測試結果。為了確保單軸貫入時所選取的測試面能較好地反映整個試件，甚至路面實際的抗剪性能，對旋轉壓實成型試件進行切割，測試不同部位的空隙率，并對不同測試面進行單軸貫入試驗測試其抗剪強度。

2.1 試件不同部位空隙率的差異

在不同設計壓實次數下成型不同瀝青類型及級配類型的瀝青混合料試件，測定其整體空隙率，并將其切割成3等份（見圖4），對比不同部位的空隙率，結果見表1。

2.2 單軸貫入不同測試面的影響

圖3 旋轉壓實成型機理及參數

圖4 瀝青混合料試件測試示意圖

由表1可知試件不同部位的空隙率不同，且差異較大，若在單軸貫入測試時不區分試件的測試面，將導致測出的抗剪強度有較大波動。因此，針對不同旋轉次數下的級配類型，選取底面和頂面不同測試面進行抗剪強度對比試驗，結果見表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，導致測出的抗剪強度也有0.1～0.2 MPa的差別。

表1 試件不同部位空隙率對比

表2 試件不同測試面對抗剪強度的影響

2.3 測試面的確定

由于在實際路面施工時壓路機的碾壓直接作用在路面層位的上表面，跟旋轉壓實成型的機理較為相似，這也是Superpave旋轉壓實成型法較為接近實際施工壓實的原因。對于單軸貫入試件，頂面的空隙率較為接近瀝青混合料整體設計空隙率，能較為準確地反映該空隙率下的抗剪強度。因此，選取混合料試件的頂面作為單軸貫入抗剪強度測試面。

3 單軸貫入試件保溫時間對比分析

單軸貫入試驗指南對試件保溫時間的規定為6～12 h，與中國車轍試驗規定基本一致。在這樣大的一個保溫時間范圍內測試得到的抗剪強度是否一致，需進一步探討。

3.1 最短保溫時間的確定

單軸貫入試驗的溫度為60℃，最短保溫時間應是試件放入烘箱后達到試驗溫度的時間。將傳感器放置于試件內部，觀測試件從放入60℃烘箱時刻起直至達到恒定試驗溫度的時間。通過實際觀測，大試件在5 h左右達到60℃恒定溫度，小試件僅需4 h左右，說明單軸貫入試驗指南規定的最短6 h保溫時間是正確的。

3.2 不同保溫時間的對比

單軸貫入試驗的保溫時間跨度較長，初步選取6、12 h，對比分析不同時間下的抗剪強度差異，結果見表3、圖5。

從表3、圖5可見，保溫12 h試件的抗剪強度比保溫6 h試件下降約8%，可能是保溫時間過長所致。因此，在單軸貫入試驗測試時應選取相同的保溫時間。由于保溫6 h試件的溫度已達到試驗要求，這里選取6 h作為試驗的統一保溫時長。

表3 不同保溫時間下SUP-13瀝青混合料的抗剪強度對比

圖5 抗剪強度隨保溫時間的變化

4 單軸貫入大小壓頭對比

單軸貫入試驗方法在理論建模時根據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的壓頭進行抗剪強度測試，以節省材料，方便操作。

實際上，對于瀝青混合料試件的成型，特別是單軸貫入試件，其對高度嚴格要求為100 mm，在成型中必須使用高度控制，質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度。因此，對于小試件，幾克的質量變化就會影響試件的空隙率，且礦料內部分布并不均勻，實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，如果大小試件測試的抗剪強度基本相同，則可以大試件替代小試件進行瀝青混合料單軸貫入抗剪強度測試。

根據以往理論分析和試驗結果，對于相同的瀝青混合料，其大試件和小試件分別在對應的測試頭下進行抗剪強度測試，得到的抗剪強度基本相同。對相同瀝青混合料下利用大小壓頭測試試件進行抗剪強度對比分析，發現其結論一致（見表4）。因此，建議統一采用直徑150 mm、高100 mm的大試件作為單軸貫入抗剪強度測試的標準試件。