单轴贯入抗剪强度试验参数影响研究

2016-12-12高子翔

公路与汽运 2016年6期

关键词：空隙单轴抗剪

高子翔

（广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东广州 510507）

单轴贯入抗剪强度试验参数影响研究

高子翔

（广东省交通规划设计研究院股份有限公司，广东广州 510507）

抗剪强度是沥青混合料设计中的一项重要参数。为更合理地反映沥青混合料的抗剪强度，文中基于单轴贯入抗剪强度测试方法，从试件的测试面、保温时间及试件尺寸等方面对比分析沥青混合料抗剪强度差异，提出了能反映沥青混合料实际抗剪强度的试验参数。

公路；沥青混合料；单轴贯入；抗剪强度；试验参数

在中国重交通（多轴次、重轴载、高轮压）作用下，路面初期损坏严重。孙立军教授等通过对大量沥青路面损坏的调查分析，发现无论哪种非均布荷载作用，在沥青路面的上中面层均会产生较大剪应力。在重载车辆作用下，沥青混合料由于剪应力作用而发生剪切破坏或剪切疲劳破坏。因此，在沥青混合料设计中必须考虑抗剪要求。

目前沥青混合料抗剪强度测试方法包括三轴压缩与单轴贯入两种，与前者相比，单轴贯入测试方法具有以下优点：试件的受力状态与路面结构的受力状态相似；试件的损坏过程能反映沥青混合料强度的本质特点；试验过程简单，试验参数容易确定。该方法采用旋转压实成型试件，试件尺寸根据理论分析包括φ150 mm×100 mm和φ100 mm×100 mm两种，试验温度与保温时间则借鉴车辙试验。由于沥青混合料的空隙率及抗剪试验保温条件都会较大程度影响混合料的抗剪强度，该文从试件的测试面、保温时间及试件尺寸三方面对比分析沥青混合料抗剪强度差异，并提出更加科学的试验参数。

1 单轴贯入试验机理

1.1 试验原理

单轴贯入试验类似于CBR试验，采用旋转压实成型沥青混合料试件，试验时由一个钢压头加压，压头直径r小于试件直径R，将路面模型简化为一定尺寸的圆柱体，其上施加一定圆形荷载，试件侧面无外加围压。若r／R的比值足够小，则受力状态与路面实际情况接近一致。根据三维有限元分析结果，r／R=0.28时单轴贯入试验的受力状况能较好地模拟道路中的受力状况。根据该力学模型，对直径150 mm试件，采用直径为42 mm的大压头；对直径100 mm试件，采用直径为28.5 mm的小压头。压头上下表面为平整的平面，加载时，将压头的圆柱部分与试件上表面接触（见图1）。

图1 单轴贯入试验原理示意图

在试验温度方面，参考道路上的常用试验温度，采用与车辙试验同样的温度，即60℃。

采用SGC旋转压实仪成型试件，并控制沥青混合料试件空隙率为设计目标空隙率。加载速度为1 mm／min，记录压力和位移，当应力值降为应力极值点90%时，停止试验，取破坏极值点强度作为试件贯入强度（见图2）。

图2 单轴贯入试验典型变形-应力曲线

1.2 抗剪强度计算

读取最大贯入压力值F，准确到1 N。按下式计算标准高度沥青混合料的抗剪强度：

式中：Rτ为抗剪强度（MPa）；f为剪应力系数，直径150 mm的试件f=0.35，直径100 mm的试件f= 0.34；σp为贯入强度（MPa），σp=F／A；F为施加荷载极限值（N）；A为压头横截面面积（mm2）。

2 单轴贯入混合料试件特性分析

旋转压实成型机理和马氏击实机理不同，旋转压实是单面揉搓压实，而马氏击实是双面落锤击实，两种方法所成型的混合料试件的体积特性也有所不同。单轴贯入试件采用旋转压实成型，如图3所示，是在顶面施加600 k Pa压力，并成1.16°夹角，以30 r／min的转速旋转揉搓成型试件。试件各部分的密度会存在差异，导致各部位的空隙率也不同，将会影响单轴贯入测试结果。为了确保单轴贯入时所选取的测试面能较好地反映整个试件，甚至路面实际的抗剪性能，对旋转压实成型试件进行切割，测试不同部位的空隙率，并对不同测试面进行单轴贯入试验测试其抗剪强度。

2.1 试件不同部位空隙率的差异

在不同设计压实次数下成型不同沥青类型及级配类型的沥青混合料试件，测定其整体空隙率，并将其切割成3等份（见图4），对比不同部位的空隙率，结果见表1。

2.2 单轴贯入不同测试面的影响

图3 旋转压实成型机理及参数

图4 沥青混合料试件测试示意图

由表1可知试件不同部位的空隙率不同，且差异较大，若在单轴贯入测试时不区分试件的测试面，将导致测出的抗剪强度有较大波动。因此，针对不同旋转次数下的级配类型，选取底面和顶面不同测试面进行抗剪强度对比试验，结果见表2。表2表明，由于成型方法的原因，顶面与底面的空隙率有2%左右的差别，导致测出的抗剪强度也有0.1～0.2 MPa的差别。

表1 试件不同部位空隙率对比

表2 试件不同测试面对抗剪强度的影响

2.3 测试面的确定

由于在实际路面施工时压路机的碾压直接作用在路面层位的上表面，跟旋转压实成型的机理较为相似，这也是Superpave旋转压实成型法较为接近实际施工压实的原因。对于单轴贯入试件，顶面的空隙率较为接近沥青混合料整体设计空隙率，能较为准确地反映该空隙率下的抗剪强度。因此，选取混合料试件的顶面作为单轴贯入抗剪强度测试面。

3 单轴贯入试件保温时间对比分析

单轴贯入试验指南对试件保温时间的规定为6～12 h，与中国车辙试验规定基本一致。在这样大的一个保温时间范围内测试得到的抗剪强度是否一致，需进一步探讨。

3.1 最短保温时间的确定

单轴贯入试验的温度为60℃，最短保温时间应是试件放入烘箱后达到试验温度的时间。将传感器放置于试件内部，观测试件从放入60℃烘箱时刻起直至达到恒定试验温度的时间。通过实际观测，大试件在5 h左右达到60℃恒定温度，小试件仅需4 h左右，说明单轴贯入试验指南规定的最短6 h保温时间是正确的。

3.2 不同保温时间的对比

单轴贯入试验的保温时间跨度较长，初步选取6、12 h，对比分析不同时间下的抗剪强度差异，结果见表3、图5。

从表3、图5可见，保温12 h试件的抗剪强度比保温6 h试件下降约8%，可能是保温时间过长所致。因此，在单轴贯入试验测试时应选取相同的保温时间。由于保温6 h试件的温度已达到试验要求，这里选取6 h作为试验的统一保温时长。

表3 不同保温时间下SUP-13沥青混合料的抗剪强度对比

图5 抗剪强度随保温时间的变化

4 单轴贯入大小压头对比

单轴贯入试验方法在理论建模时根据沥青混合料的最大公称粒径将试件尺寸划分为两种类型，对于最大公称粒径≤13.2 mm的混合料，建议使用直径为100 mm的小试件及直径为28.5 mm的压头进行抗剪强度测试，以节省材料，方便操作。

实际上，对于沥青混合料试件的成型，特别是单轴贯入试件，其对高度严格要求为100 mm，在成型中必须使用高度控制，质量变化将极大影响沥青混合料试件的空隙率，而沥青混合料的空隙率将影响其抗剪强度。因此，对于小试件，几克的质量变化就会影响试件的空隙率，且矿料内部分布并不均匀，实际成型并不容易控制。而大试件成型更均匀，空隙率也更好控制。因此，如果大小试件测试的抗剪强度基本相同，则可以大试件替代小试件进行沥青混合料单轴贯入抗剪强度测试。

根据以往理论分析和试验结果，对于相同的沥青混合料，其大试件和小试件分别在对应的测试头下进行抗剪强度测试，得到的抗剪强度基本相同。对相同沥青混合料下利用大小压头测试试件进行抗剪强度对比分析，发现其结论一致（见表4）。因此，建议统一采用直径150 mm、高100 mm的大试件作为单轴贯入抗剪强度测试的标准试件。