瀝青混合料單軸貫入與扭轉剪切試驗對比研究

(大連理工大學 遼寧 大連 116023)

本文以瀝青混合料單軸貫入試驗和旋轉剪切試驗作為試驗的基礎，將此兩種不同的方法得到的瀝青混合料的力學指標進行對比，通過對比找出最合理、最符合實際路用性能的瀝青混合料力學數據。

一、關于瀝青混合料力學性能試驗的整理

(一)三軸剪切試驗。三軸試驗肇始于二十世紀四十年代，V.A.Endersby第一個提出具體的試驗方案，該方案用于制作進行三軸試驗的瀝青混合料試件，較詳細的規定了瀝青混合料的級配、尺寸等，這為后來的研究奠定了基礎。在此基礎上，L.W.Nijboer先通過三軸試驗得到數據，在數據的基礎上對瀝青混合料配合比進行了改進。

(二)superpave剪切試驗。superpave剪切試驗由美國公路戰略研究計劃(SHRP)提出，設計初衷是為了表現瀝青混合料的變形機理。試驗方法基于土的直剪試驗，但增加了豎直荷載，溫度和圍壓也進行了控制。由于試驗進程和試驗條件均得到了控制，因此可以較為準確分析不同的因素對于瀝青混合料抗剪強度的影響。但由于其成本較高，在國內并不普遍。

(三)單軸貫入試驗。同濟大學孫立軍、畢玉峰提出單軸貫入試驗方法。用小于圓柱體試件直徑的鋼壓頭進行加載。該試驗可用來模擬瀝青路面的實際受力狀態。用有限元分析壓頭尺寸小于試件尺寸時，單軸貫入的受力狀態，可以得出實際試驗中壓頭的最佳直徑。通過對受力試件進行三維有限元計算，所得的強度參數可以用來求τm，σ1，σ3確定摩爾圓。用另外一組無側限抗壓試驗作為對比，與貫入試驗所得的數據進行結合，可求得粘結力C和內摩擦角φ。單軸貫入試驗可以有效評價瀝青混合料的抗剪性能。但是用這種方法評價瀝青混合料，粒徑的大小對試驗數據會產生較大的影響。

上述整理的試驗方法是對于歷史上瀝青混合料力學試驗的梳理，旨在借鑒前人的試驗基礎和經驗，選擇合理的試驗方法

二、瀝青破壞強度理論和分析方法

強度理論是用于判斷材料是否發生破壞的理論，是探究敢于材料破壞原因的假設，是研究材料強度和結構的基礎。

(一)古典強度理論。古典強度理論認為，均勻、連續的的材料發生的破壞形式有兩種：脆性斷裂和塑性屈服。材料發生脆性斷裂時，不會產生明顯的塑性變形，而是直接發生斷裂，斷裂面不光滑，斷裂位置所在面一般跟最大正應力垂直。材料發生塑性屈服時，破壞前會產生明顯的塑性變形。斷裂面光滑，且斷裂一般發生在最大剪應力面。

若材料處于單剪或純剪此類簡單的應力狀態下時，可以利用實驗判斷其強度條件。但當材料處于復雜的應力狀態時，常規實驗難以判定材料是否破壞，破壞原因也難以確認。強度理論提出材料破壞原因的假定和計算方法，可幫助建立復雜應力狀態下的強度條件。其基本假定如下：

(1)強度不足引起的材料失效形式主要是屈服和斷裂；

(2)應力(σ1、σ2、σ3、τ1、τ2、τ3)、應變(ε1、ε2、ε3)、應變能密度(μd)三者中某一因素會引起材料破壞；

(3)若材料的破壞形式相同，則原因相同，與材料具體應力狀態無關。

根據斷裂準則和屈服準則，形成了四種強度理論：最大拉應力理論、最大拉應變理論、最大剪應力理論、形狀改變比能理論。

最大拉應力理論：這一理論假設最大拉應力σ1是引起材料脆性斷裂的因素，不論構件處于何種應力狀態，只要構件內某點處的最大拉應力σ1達到材料的極限應力σu，材料就發生脆性斷裂。材料的極限應力σu可通過單軸拉伸試樣發生脆性斷裂的試驗來確定，判斷脆性斷裂的依據是σ1=σu。

最大伸長線應變理論：這一理論假設最大伸長線應變ε1是引起材料脆性斷裂的因素，也即認為不論出于什么樣的應力狀態下，只要構件內一點出的最大伸長線應變ε1達到了材料的極限值εu，材料就發生脆性斷裂。

最大切應力理論：這一理論假設最大切應力τmax 是引起材料塑性屈服的因素，認為不論處于什么樣的應力狀態下，只要構件內一點出的最大切應力τmax達到了材料屈服時的極限值τu，該點處的材料就發生屈服。

形狀改變能密度理論：這一理論假設形狀改變能密度vd是引起材料屈服的因素，即認為不論處于什么樣的應力狀態下，只要構件內一點出的形狀改變能密度vd 達到了材料的極限值vdu，該點處的材料就發生塑性屈服。

(二)摩爾-庫倫理論。摩爾-庫倫強度理論認為，材料失效或者產生破壞，主要是由于最大剪應力τmax，但最大剪應力并非是影響材料的唯一因素。材料的極限抗剪強度可用如下公式來表示：

τmax=C-σtanφ，即極限抗剪強度是由粘聚力C、剪切面上得正應力σ、內摩擦角φ 共同決定的。

摩爾-庫倫強度理論雖然在一定范圍內符合試驗結果，但并沒有考慮中主應力的影響。摩爾-庫倫強度理論計算的材料強度偏小，在實際應用中的話，結果偏保守。

三、單軸貫入與扭轉剪切試驗具體的試驗方法

(一)單軸貫入試驗。本研究在不同的的溫度下，對圓柱形的瀝青混合料試件進行單軸貫入,選用28.5mm直徑鋼壓頭。通常來說，瀝青路面最不利的溫度是60℃，為保證結果客觀，在進行實驗時，取40、50、60攝氏度三種不同的溫度。在加載速率的選擇上，參考瀝青混合料的單軸抗壓實驗、蠕變實驗、靜三軸試驗、同軸剪切試驗等的加載速率，選取1mm/min為加載速率。

(二)扭轉剪切試驗。在不同的的溫度下，對圓柱形的瀝青混合料試件兩端施加扭矩。對比單軸貫入試驗，選取40、50、60三種不同的溫度。在加載速率的選擇上，參考瀝青混合料的單軸抗壓實驗、蠕變實驗、靜三軸試驗、同軸剪切試驗等的加載速率，選取1mm/min為加載速率。

本研究中所采用的試件，由取芯機，從成形的大馬歇爾試件取出，圓柱形試件直徑為40mm，高80mm。

四、結果預測

從現有的數據來看，作為兩種優秀的試驗方法，單軸貫入和扭轉剪切試驗對于反映瀝青混合料的路用性能都是比較合理的，因此預測試驗所得到的結果比較接近。