沥青混合料抗剪试验标准研究

第１１卷第３期　２００８年６月　建筑材料学报　Ｊ（）ＵＲＮＡＩ　ＯＦ　ＢＵＩＩ　ＤＩＮＧ　ＭＡＴＥＲＩＡＩ　Ｓ　Ｖｏ１．１ｌ，ＮＯ．３　Ｊｕｎ．，２００８　

文章编号：１００７—９６２９（２００８）０３—０２９９—０７　

沥青混合料抗剪试验标准研究　

崔　鹏　●　

（同济大学　邵敏华，　岳　雷，　刘黎萍，　孙立军　

道路与交通工程教育部重点实验室，上海２０００９２）　

摘要：抗剪试验发现，随着沥青混合料最大公称粒径增大，其抗剪强度的变异性随之增　大，当最大公称粒径大于１６　ｍｍ后，该强度的变异性随粒径增大而变得更为剧烈．同时，　通过对不同试件尺寸的研究发现，随着压头直径增大，试件强度的变异系数减小．为此，对　适应不同公称粒径的沥青混合料抗剪试验标准进行了探讨，并确定了适用于不同公称粒　

径的试验参数和剪应力系数．另外，确定了非标准试件的抗剪试验参数，并得到了相应的　剪应力系数和抗剪强度的高度校正系数公式．　

关键词：沥青混合料；抗剪强度；试验标准；剪应力系数　中图分类号：Ｕ４１６　文献标识码：Ａ　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｔｅｓｔ　Ｓｔａｎｄａｒｄｓ　ｆｏｒ　Ａｓｐｈａｌｔ　Ｍｉｘｔｕｒｅ　Ｓｈｅａｒｉｎｇ　

ＣＵＩ　Ｐｅｎｇ，　ＳＨＡＯＭｉｎ—ｈｕａ，ＹＵＥ　Ｌｅｉ，Ｌｊ己，Ｌｉ—ｐｉｎｇ，　ＳＵＮ　Ｌｉ－ｊｕｎ　（Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｒｏａｄ　ａｎｄ　Ｔｒａｆｆｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，　Ｔｏｎｇｊｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｔｅｓｔｓ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ，ｉｔ　ｗａｓ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ　ｗａｓ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｎｏｍｉｎａｌ　ｓｉｚｅ．Ｗｈｅｎ　ｔｈｅ　ｍａｘｉｍｕｍ　ｎｏｍｉｎａｌ　ｓｉｚｅ　ｉｓ　ｌａｒｇｅｒ　ｔｈａｎ　１６　ｍｍ，ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｓｔｓ　ｂｅｃｏｍｅｓ　ｍｏｒｅ　ｄｒａｍａｔｉｃ．Ａｎｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓａｍｐｌｅ　ｓｉｚｅｓ　ｉｔ　ｉｓ　ａｌｓｏ　ｆｏｕｎｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ　ｉｓ　ｒｅｄｕｃｅｄ　ｗｉｔｈ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｐｒｅｓｓ　ｈｅａｄ　ｓｉｚｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｉｔ　ｗａｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｔｅｓｔ　ｓｔａｎｄａｒｄｓ　ｆｏｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｓｉｚｅ　

ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｔｅｓｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｆｏｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｎｏｍｉｎａｌ　ｓｉｚｅ　ｗｅｒｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒ　ｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｔｅｓｔ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｏｒ　ｎｏｎ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｓａｍｐｌｅ　ｗｅｒｅ　ｄｅ—　

ｔｅｒｍｉｎｅｄ，ｔｈｅ　ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ａｎｄ　ｈｅｉｇｈｔ　ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｗｅｒｅ　ａｌｓｏ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ；ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ；ｔｅｓｔ　ｓｔａｎｄａｒｄ；ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　

为了测定沥青混合料抗剪切特性，毕玉峰等在研究过程中设计了一种（单轴）贯入试验方法　．　研究认为，通过这个试验可以模拟路面实际受力状况，因此初步选定其作为沥青混合料抗剪试验方　

法．应当说，该方法的提出对研究沥青混合料抗剪性能以及进行沥青路面结构材料一体化设计都具　有重要意义　．但更为深入的研究发现，该方法尚需进一步完善．本文主要对沥青混合料抗剪试　验标准进行了理论和试验研究．　

１抗剪试验简介及前期研究　

在文献Ｅ２］中，通过有限元分析和试验确定了单轴贯入试验条件：（１）标准试件尺寸：对于最大　

收稿日期：２００７—０３—２６；修订日期：２００８－－０１—０７　基金项目：国家杰出青年科学基金资助项目（５０３２５８２５）　作者简介：崔鹏（１９７９一），男，湖南宁乡人，同济大学博士．Ｅ—ｍａｉｌ：ｃｕｉｐｅｎｇｃｕｉ

１９９７＠１２６．ｃｏｍ　维普资讯 http://www.cqvip.com ３００　建筑材料学报　第１１卷　

公称粒径在２０　ｍｍ及以下的沥青混合料，采用Ｏ１００　ｍｍ×１００　ｍｍ的试件；（２）标准压头尺寸：采　用直径为２８．５　ｍｍ的压头；（３）加载速率：考虑到道路中的车辆荷载越接近静载，沥青混合料的力　

学响应越不利，故加载速率选取１　ｒａｉｎ／ｒａｉｎ；（４）环境温度：与车辙试验相同，６Ｏ℃．　剪切强度确定方法：通过有限元建立符合实际受力的贯入模型，求解出１　ＭＰａ时模型中最大　

剪应力处的主应力值，以此作为基本的抗剪参数．贯入强度为１　ＭＰａ，　一０．３５时的剪应力系数为　

０．３３９［引．　

２不同公称粒径和试件尺寸结果变异型分析　

文献［２］为简化抗剪强度确定方法，主要对Ｏ１００　ｍｍ×１００　ｍｍ的沥青混合料试件和直径为　２８．５　ｍｎｑ压头的抗剪特性进行了研究．为保证混合料抗剪强度测试的准确性，该试验主要用于分　

析路面上面层抗剪特性，混合料最大公称粒径为１６　ｍｍ．但对路面剪应力的分析发现，距路面１００　

ｍｍ深度处的剪应力也是较大的　］，而该位置上的混合料一般最大公称粒径都超过了１６　ｍｍ，比如　

ＡＣ２０，ＡＣ２５系列等．因此，有必要对粒径较大的混合料抗剪强度进行测试．不过，此时若仍采用原　试件尺寸和压头尺寸进行测试的话，对不同混合料可能会带来一些误差．　

２．１不同公称粒径和级配　成型了ＡＣ—Ｆ（细型），ＡＣ—Ｃ（粗型），ＳＡＣ三种级配类型，分别取公称粒径１３，１６，２０　ｍｍ，通过　旋转成型，采用原标准进行抗剪试验．得到的混合料贯入强度变异系数随最大公称粒径变化趋势如　

图１所示．　由图１可见，随着混合料最大公称粒径增大，其贯入强度的变异性随之增大，当最大公称粒径　

大于１６　ｍｉｌｌ后，这种变化更为剧烈．因此，如果采用平均值作为实测贯入强度的话将会出现较大误　差．为此，文献［６］提出在混合料粒径较大时，可考虑采用大尺寸试件进行试验以减小误差的观点．　

本文根据这一观点，对不同试件尺寸下的贯入强度分布特性进行了试验研究．　

２．２不同试件尺寸　图２为试件尺寸、压头尺寸不同时沥青混合料贯入强度的变异系数，其中两种试件尺寸在　

３８．０　ｍｍ压头直径下的贯入强度变异系数值基本相等，因此在图中重合．　

１３　１６　２０　Ｍ￣ｉｍｕｍ　ｎｏｍｉｎａｌ　ｓｉｚｅ／ｍｍ　图１混合料强度变异性与最大公称粒径的关系　Ｆｉｇ．１　Ｍｉｘｔｕｒｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ　５．ｍａｘｉｍｕｍ　ｎｏｒｎｉｎａ１　ｓｉｚｅ　图２混合料强度变异性与试件尺寸的关系　Ｆｉｇ．２　Ｍｉｘｔｕｒｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｖａｒｉａｂｉｌｉｔｙ　５．ｓａｍｐｌｅ　ｓｉｚｅ　

由图２可见，对于Ｏ１００　ｍｍ×１００　ｍｍ试件，随着压头直径增大，其贯入强度变异系数减小，当　压头直径为２８．５　ｍｍ后，其贯入强度变异系数小于１ｏ　，因此，最大公称粒径为１６　ｍｍ的混合料　

采用原标准能基本满足测试结果稳定性要求；当压头直径采用３８．０　ｍｍ时，其贯入强度变异系数　已小于５　，更有利于减小试验结果误差．对于０１５０　ｍｍ×１００　ｍｍ试件，随着压头直径增大，其贯　

入强度变异系数减小，在压头直径为３８．０　ｍｍ时，其贯入强度变异系数为４．３５　；当压头直径为　

４２．０，５０．０　ｉｎｍ时，这两者的贯入强度变异系数相差很小．　加　”　ｍ　５　，】口０【。西　００＾１１＿【Ｉ

ｑ曩　维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期　崔鹏，等：沥青混合料抗剪试验标准研究　３Ｏ１　

３标准试验参数确定方法　

３．１　剪应力系数变化规律分析　混合料抗剪强度一贯入强度×剪应力系数，而剪应力系数须通过有限元计算得出．为了得到不　同试件尺寸下剪应力系数变化规律，本文建立了试件的有限元模型，建模方法与文献［２］一致，仅试　

件高度、试件直径和压头直径发生变化．　根据有限元计算结果，得到试件直径为１００，１５０　ｍｌｑｌ时其剪应力系数随压头直径和试件高度　

的变化规律，见图３．　

．４２　．４０　＿３８　．３６　．３４　＿３２　．３０　

（ａ）Ｓａｍｐｌｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　１Ｏ０　ｍｍ　（ｂ）Ｓａｍｐｌｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　１５０　ｍｍ　图３试件剪应力系数变化规律　Ｆｉｇ．３　Ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｓｔｒｅｓｓ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ　ｌａｗ　

由图３（ａ）可知，试件的剪应力系数随压头直径的增大而增大，当压头直径大于４２．０　ｍｍ后，该　趋势加快，且不同试件高度的剪应力系数在压头直径为３８．０～５０．０　ｍｍ时差别较小．由图３（ｂ）可　

知，此时试件的剪应力系数亦随压头直径的增大而增大，当压头直径大于５０．０　ｍｍ后，该趋势加　

快，除了高度为１５０　ｍｍ试件的剪应力系数变化较大之外，其他高度试件的剪应力系数在压头直径　为２８．５～５０．０　ｍｍ时差别较小．因此，如从剪应力系数稳定角度出发，压头直径为２８．５～５０．０　ｍｍ　

较为合理．　

由图３还可以发现，当压头直径为２０．０　ｍｍ时，试件的剪应力系数随试件高度的增大而减小，　在压头直径增大后，不同高度试件的剪应力系数变化很小．因１００　ｉＴＩｉＴＩ高的试件其剪应力系数稳定　

性好，取１００　ｉＴＩｉＴＩ作为标准试件的高度是比较科学的．当试件高度为１００　ｉＴＩｉＴＩ，压头直径为３８．０～　５０．０　ｉＴＩｉＴＩ时，其剪应力系数变化最小，因此，从保证剪应力系数稳定性的角度出发，标准试件高度　

取为１００　ｉＴＩｉＴＩ．　３．２大尺寸试件的室内试验分析　为了使同种混合料在不同试验方法下得到相同的剪切强度值，有必要通过单轴贯入试验对同　

种混合料在不同尺寸下的试验结果进行对比，以得出合适的试验参数．　一　采用７０号重交沥青，用旋转压实法成型了　１ＯＯ　ｍｎｌ×１００　ｉＴＩｉＴＩ和　１５０　ｉＴＩｉＴＩ×１００　ｉＴＩｉＴＩ两组　

ＳＡＣ１６圆柱形试件，每组６个试件，其实测空隙率均为４　左右．试验结果见表１．　

表１不同尺寸下试件的抗剪强度　Ｔａｂｌｅ　１　Ｓｈｅａｒｉｎｇ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｓａｍｐｌｅｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ　

由表１可见，若以　１ＯＯ　ｎｌｎｌ×１００　ｉＴＩｉＴＩ试件和２８．５　ｉＴＩｉＴＩ压头直径为标准尺寸，则采用３８．０　ｉＴｌｍ压头直径测得的试件抗剪强度比原标准的大，而采用５０．０　ｉＴＩｉ

ＴＩ压头直径测得的试件抗剪强度　维普资讯 http://www.cqvip.com