沥青混合料单轴贯入与扭转剪切试验对比研究

(大连理工大学 辽宁 大连 116023)

本文以沥青混合料单轴贯入试验和旋转剪切试验作为试验的基础，将此两种不同的方法得到的沥青混合料的力学指标进行对比，通过对比找出最合理、最符合实际路用性能的沥青混合料力学数据。

一、关于沥青混合料力学性能试验的整理

(一)三轴剪切试验。三轴试验肇始于二十世纪四十年代，V.A.Endersby第一个提出具体的试验方案，该方案用于制作进行三轴试验的沥青混合料试件，较详细的规定了沥青混合料的级配、尺寸等，这为后来的研究奠定了基础。在此基础上，L.W.Nijboer先通过三轴试验得到数据，在数据的基础上对沥青混合料配合比进行了改进。

(二)superpave剪切试验。superpave剪切试验由美国公路战略研究计划(SHRP)提出，设计初衷是为了表现沥青混合料的变形机理。试验方法基于土的直剪试验，但增加了竖直荷载，温度和围压也进行了控制。由于试验进程和试验条件均得到了控制，因此可以较为准确分析不同的因素对于沥青混合料抗剪强度的影响。但由于其成本较高，在国内并不普遍。

(三)单轴贯入试验。同济大学孙立军、毕玉峰提出单轴贯入试验方法。用小于圆柱体试件直径的钢压头进行加载。该试验可用来模拟沥青路面的实际受力状态。用有限元分析压头尺寸小于试件尺寸时，单轴贯入的受力状态，可以得出实际试验中压头的最佳直径。通过对受力试件进行三维有限元计算，所得的强度参数可以用来求τm，σ1，σ3确定摩尔圆。用另外一组无侧限抗压试验作为对比，与贯入试验所得的数据进行结合，可求得粘结力C和内摩擦角φ。单轴贯入试验可以有效评价沥青混合料的抗剪性能。但是用这种方法评价沥青混合料，粒径的大小对试验数据会产生较大的影响。

上述整理的试验方法是对于历史上沥青混合料力学试验的梳理，旨在借鉴前人的试验基础和经验，选择合理的试验方法

二、沥青破坏强度理论和分析方法

强度理论是用于判断材料是否发生破坏的理论，是探究敢于材料破坏原因的假设，是研究材料强度和结构的基础。

(一)古典强度理论。古典强度理论认为，均匀、连续的的材料发生的破坏形式有两种：脆性断裂和塑性屈服。材料发生脆性断裂时，不会产生明显的塑性变形，而是直接发生断裂，断裂面不光滑，断裂位置所在面一般跟最大正应力垂直。材料发生塑性屈服时，破坏前会产生明显的塑性变形。断裂面光滑，且断裂一般发生在最大剪应力面。

若材料处于单剪或纯剪此类简单的应力状态下时，可以利用实验判断其强度条件。但当材料处于复杂的应力状态时，常规实验难以判定材料是否破坏，破坏原因也难以确认。强度理论提出材料破坏原因的假定和计算方法，可帮助建立复杂应力状态下的强度条件。其基本假定如下：

(1)强度不足引起的材料失效形式主要是屈服和断裂；

(2)应力(σ1、σ2、σ3、τ1、τ2、τ3)、应变(ε1、ε2、ε3)、应变能密度(μd)三者中某一因素会引起材料破坏；

(3)若材料的破坏形式相同，则原因相同，与材料具体应力状态无关。

根据断裂准则和屈服准则，形成了四种强度理论：最大拉应力理论、最大拉应变理论、最大剪应力理论、形状改变比能理论。

最大拉应力理论：这一理论假设最大拉应力σ1是引起材料脆性断裂的因素，不论构件处于何种应力状态，只要构件内某点处的最大拉应力σ1达到材料的极限应力σu，材料就发生脆性断裂。材料的极限应力σu可通过单轴拉伸试样发生脆性断裂的试验来确定，判断脆性断裂的依据是σ1=σu。

最大伸长线应变理论：这一理论假设最大伸长线应变ε1是引起材料脆性断裂的因素，也即认为不论出于什么样的应力状态下，只要构件内一点出的最大伸长线应变ε1达到了材料的极限值εu，材料就发生脆性断裂。

最大切应力理论：这一理论假设最大切应力τmax 是引起材料塑性屈服的因素，认为不论处于什么样的应力状态下，只要构件内一点出的最大切应力τmax达到了材料屈服时的极限值τu，该点处的材料就发生屈服。

形状改变能密度理论：这一理论假设形状改变能密度vd是引起材料屈服的因素，即认为不论处于什么样的应力状态下，只要构件内一点出的形状改变能密度vd 达到了材料的极限值vdu，该点处的材料就发生塑性屈服。

(二)摩尔-库伦理论。摩尔-库伦强度理论认为，材料失效或者产生破坏，主要是由于最大剪应力τmax，但最大剪应力并非是影响材料的唯一因素。材料的极限抗剪强度可用如下公式来表示：

τmax=C-σtanφ，即极限抗剪强度是由粘聚力C、剪切面上得正应力σ、内摩擦角φ 共同决定的。

摩尔-库伦强度理论虽然在一定范围内符合试验结果，但并没有考虑中主应力的影响。摩尔-库伦强度理论计算的材料强度偏小，在实际应用中的话，结果偏保守。

三、单轴贯入与扭转剪切试验具体的试验方法

(一)单轴贯入试验。本研究在不同的的温度下，对圆柱形的沥青混合料试件进行单轴贯入,选用28.5mm直径钢压头。通常来说，沥青路面最不利的温度是60℃，为保证结果客观，在进行实验时，取40、50、60摄氏度三种不同的温度。在加载速率的选择上，参考沥青混合料的单轴抗压实验、蠕变实验、静三轴试验、同轴剪切试验等的加载速率，选取1mm/min为加载速率。

(二)扭转剪切试验。在不同的的温度下，对圆柱形的沥青混合料试件两端施加扭矩。对比单轴贯入试验，选取40、50、60三种不同的温度。在加载速率的选择上，参考沥青混合料的单轴抗压实验、蠕变实验、静三轴试验、同轴剪切试验等的加载速率，选取1mm/min为加载速率。

本研究中所采用的试件，由取芯机，从成形的大马歇尔试件取出，圆柱形试件直径为40mm，高80mm。

四、结果预测

从现有的数据来看，作为两种优秀的试验方法，单轴贯入和扭转剪切试验对于反映沥青混合料的路用性能都是比较合理的，因此预测试验所得到的结果比较接近。