CN102109442B

CN102109442B - 沥青混合料抗剪切性能的快速测试方法

Info

Publication number: CN102109442B
Application number: CN2010105989784A
Authority: CN
Inventors: 高英; 陈俊; 黄晓明
Original assignee: Southeast University
Current assignee: NANTONG ZHONGRUN CONCRETE CO., LTD.
Priority date: 2010-12-21
Filing date: 2010-12-21
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2030-12-21
Also published as: CN102109442A

Abstract

本发明公开一种沥青混合料抗剪切性能的快速测试方法，在借鉴常规剪切性能测试原理的基础上，根据库仑定律和剪切强度的实际意义，提出了水平方向承受扭转剪切、竖直方向承受恒定压应力的沥青混合料剪切性能测试新方法。本发明不但适用于实验室内新拌的沥青混合料，也可以评价实际路面中沥青混合料的抗剪切性能；不仅可以测试沥青混合料的抗剪强度，还可以获得构成沥青混合料抗剪强度的粘聚力和内摩擦角，便于深入理解和准确把握沥青混合料剪切破坏的内涵，也为基于抗剪切性能的沥青混合料优化设计提供了试验分析手段。

Description

沥青混合料抗剪切性能的快速测试方法

技术领域

本发明属于沥青混合料力学性能测试的应用技术领域，具体涉及一种沥青混合料抗剪切性能的快速测试方法。

背景技术

沥青混凝土路面因行车舒适、维修方便等优势在中国得到了十分广泛的应用。沥青混合料作为沥青路面面层的主要修筑材料，其力学性能在很大程度上影响着路面结构的使用寿命和车辆的行驶安全性。因此为了提高沥青路面的铺筑质量，对沥青混合料路用性能进行准确的测试和评价，并在此基础上进行沥青混合料的优化设计具有重要的现实意义。

目前，沥青混合料的大部分力学性能在其设计过程中都得到了相应的评价，具体为：采用实验室内的疲劳试验测试混合料的疲劳性能；运用各种车辙试验评价混合料的抗车辙性能；结合劈裂试验或者冻融劈裂试验反映混合料的抗裂性能。然而，抗剪切作为沥青混合料重要的力学性能，在沥青混合料设计和性能评价过程中却往往被忽视。

究其原因，主要是目前的沥青混合料抗剪切性能测试繁琐、需要大型的设备，尚为形成统一的测试方法和标准，具体表现为：（1）作为最为常用的剪切测试方法，三轴试验需要MTS、UTM之类的大型、专业的测试设备，而且测试步骤复杂，对使用人员要求较高；（2）近年来同济大学、长安大学等研究机构发明的同轴剪切试验仪以及传统的扭转剪切仪只能简单的测试沥青混合料抗剪强度，并不能评价构成抗剪能力的沥青混合料粘聚力和内摩擦角等；（3）虽然同济大学采用贯入剪切测试仪与单轴压缩试验相结合的方法，可以确定沥青混合料粘聚力和内摩擦角，但测试涉及到两个试验，试验步骤繁多；另外，由于贯入试验和单轴压缩试验的对象并不是同一个试件，因此必然导致计算结果不够准确。

由上述介绍可见，目前的沥青混合料抗剪性能测试方法或多或少都存在着不足，尤其是各种测试方法都不能简单而准确的测试得到沥青混合料的粘聚力和内摩擦角，而上述两个指标正是全面、准确的评价沥青混合料抗剪性能的关键，也是进行基于抗剪切性能的沥青混合料优化设计的基础。因此，设计一种沥青混合料抗剪切的快速有效测试方法对于完善沥青混合料性能评价体系具有十分重要的现实意义。

发明内容

技术问题：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种沥青混合料抗剪切性能的快速测试方法。

技术方案：本发明所述的沥青混合料抗剪切性能的快速测试方法，是在借鉴现有扭转剪切在沥青混合料领域成功使用经验的基础上，根据库仑定律和剪切强度的实际意义，提出了水平方向承受扭转剪切、竖直方向承受恒定压应力的沥青混合料剪切性能测试新方法。

本发明的沥青混合料抗剪切性能的快速测试方法包括如下步骤：

1）.室内成型沥青混合料的马歇尔试件，并根据混合料的集料最大粒径对马歇尔试件进行不同长度的切割，获得沥青混合料圆柱体试件；

2）.采用高强度胶水或者环氧树脂，把圆柱体试件的顶部和底部与两个钢制模块紧密、牢固粘结。待胶水或树脂完全干燥后，把试件与钢制模块放入目标温度的环境箱内保温2~4小时；从环境箱内取出试件和钢制模块，在新型扭转剪切仪上固定；

3）.当只需要测试沥青混合料的抗剪强度时，直接设置合适的扭转速率，进行混合料扭转剪切试验，获得剪切应力与扭转变形的曲线，并得到沥青混合料的抗剪强度；

4）.当需要测试沥青混合料的粘聚力和内摩擦角时，选择两个不同砝码重量

和

施加于切向的法线法向，使沥青混合料试件受到垂直压应力

和

的作用，并在相同的试验条件下分别进行剪切测试，获得相应的抗剪强度

和

，并结合

和

求解得出粘聚力

和内摩擦角

。

所述步骤1）的沥青混合料圆柱体试件尺寸为：当混合料内集料的公称最大直径大于19mm时，马歇尔试件需锯切成厚度为50mm的圆柱体；当集料的公称最大直径大于12.5mm时，混合料圆柱体试件的高度为40mm。

所述步骤3）的合适扭转速率不宜过大，一般建议速率为0.05转/min。

有益效果：本发明是沥青混合料抗剪强度，尤其是粘聚力和内摩擦角的快速检测方法，也是评价沥青混合料的抗剪切性能，并据此进行混合料优化设计的重要手段，发明在以下几方面具有明显的优势。

（1）本发明不但可以测试沥青混合料的抗剪强度，还可以通过变化测试过程中与剪切方向垂直的压应力，测试构成沥青混合料抗剪性能的最重要的力学指标：粘聚力和内摩擦角。

（2）本发明涉及的沥青混合料试件是传统的马歇尔试件，无需旋转压实成型和多次钻孔成型，且测试过程方便、简洁。

（3）本发明不仅适用于新拌沥青混合料的剪切性能测试，还可以通过钻孔取芯的方法，研究路面原有沥青混合料的抗剪切性能。

附图说明

图1为无竖向压应力时沥青混合料扭转剪切的测试原理图。

图2为有竖向压应力时沥青混合料扭转剪切的测试原理图。

图3为无竖向压应力时沥青混合料扭转剪切试验曲线。

图中有：1-扭转连杆；2-顶部钢制模块；3-沥青混合料圆柱体试件；4-底部钢制模块；5-扭转加载方向；6-砝码。

具体实施方式

本发明所述的沥青混合料抗剪切性能的快速测试方法，具体包括如下步骤：

、沥青混合料试件的制备

①试件的成型与制备

当测试实验室内新拌沥青混合料的抗剪切性能时，由沥青混合料的设计级配和油石比，按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》（JTJ052-2000）相关试验方法成型马歇尔试件，双面击实各75次，每组试件的数目不少于4个，试件脱模后备用。当测试实际路面中沥青混合料的抗剪切性能时，采用钻孔取芯的方法，直接从路面结构中钻取试件，选取相对完整的试件备用。

②试件的切割与检测

参照美国SHRP项目的研究成果，为了保证剪切试验结果的可比性，需要把马歇尔试件或者钻孔获得的试件切割成具有一定高度的圆柱体试件，对于公称最大直径不小于19mm的沥青混合料，把制备的马歇尔试件锯切成厚约50mm的试件；对于公称最大直径为不小于12.5mm的沥青混合料，把制备的马歇尔试件锯切成厚约40mm的试件。为了保证扭转剪切测试结果的准确性，需对圆柱体试件顶面是否平行与底面进行检测，用游标卡尺在十字对称的4个方向量测圆柱体试件的高度，如两侧高度差大于2mm时，此试件作废。

2、试件的安装与养生

选择在低于60℃的环境下不发生变形的高强度胶水或者环氧树脂，并在圆柱体试件的上下表面分别涂抹高强度胶水或者环氧树脂，并把圆柱体试件安放于钢制模块内，轻轻压实试件5分钟后，待胶水或树脂完全干燥，试件与钢制模块牢固粘结后，剔除圆柱体外多余的环氧树脂。用游标卡尺在十字对称的4个方向量测混合料试件与钢制模块组成的圆柱体的高度，如两侧高度差大于2mm时，此试件作废。把合格的试件与钢制模块一起，放入一定温度的环境箱中，经保温2～4小时后取出备用。

3、试件的抗剪性能的测试

把从环境箱中取出的试件和钢制模块一起立即安放于沥青混合料剪切测试仪内，使试件底端模块固定在夹具上；调整测试仪的加载连杆，使其刚好与试件的上部钢制模块内卡槽底部相接触，并放置重量为的砝码于上部钢制模块上（具体质量根据研究问题的不同作相应的调整）。设置扭转剪切试验的速度（通常为0.05转/min），启动测试仪的电机，使加载连杆做单方向的转动，从而带动上部钢制模块以其中心为原心对圆柱体沥青混合料试件作扭转剪切。在测试过程中，剪切测试仪通过扭力传感器可以采集得到扭矩，并得到剪切破坏过程中的最大扭矩

()。

4、沥青混合料抗剪强度、粘聚力和内摩擦角的计算

根据式（1）可以容易的确定得到距离沥青混合料圆柱体试件圆心距离为

一点上的抗剪强度。

(1)

其中，

是沥青混合料试件受剪切过程中的测试机采集到的最大扭矩(

)；

为圆柱体试件的极惯性矩，对于直径为的圆柱体试件可根据式（2）计算。

(2)

因此，对于常规的马歇尔试件，其剪切破坏时的强度是

由于沥青混合料的剪切满足库伦定律，即在法向应力变化范围不大时，抗剪强度与法向应力的关系近似为一条直线。因此，若要计算沥青混合料的粘聚力和内摩擦角，则需要进行两次具有不同竖向压应力的剪切试验。反映在实验过程中，只要变化剪切试验过程中对圆柱体试件施加的砝码重量

(

)，并求解式（3）和式（4）方程组即可获得粘聚力

和内摩擦角

。

(3)

(4)

其中，

，分别是两次剪切试件得到的混合料抗剪强度；，

分别是两次试验过程中对混合料试件施加的竖向压应力，它们可根据下式计算。

下面结合附图，通过实施例对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种沥青混合料抗剪切性能的快速测试方法，包括如下步骤：

（1）沥青混合料试件的制备

按照需要评价的沥青混合料的级配和油石比，在实验室内成型三组共12个马歇尔试件，试件的空隙率按照设计空隙率加以控制。把成型后的马歇尔试件，进行切割、磨平处理，具体为：对于公称最大直径不小于19mm的沥青混合料，把制备的马歇尔试件锯切成厚约50mm的试件；对于公称最大直径为不小于12.5mm的沥青混合料，把制备的马歇尔试件锯切成厚约40mm的试件。把切割后得到的圆柱体试件于放置常温空气中，直至试件表面干燥。

（2）剪切试验前的准备

在圆柱体试件的顶部和底部均匀的涂抹高强度胶水，并取新型剪切测试仪的两个钢制模块，分别与试件的顶部与底部相粘合，并保持试件垂直放置于水平地面或者工作台上至少5分钟，直至试件与钢制模块完全、牢固的粘结。用刀片刮去，裸露在圆柱体试件外部的多余胶水后备用。

（3）剪切试验

当需要测试沥青混合料45℃的抗剪切性能时，设定温度箱的目标温度为45℃，并把圆柱体试件和与之紧密粘合的两钢制模块一起放入温度箱内。保温2～4小时后从环境温度箱中立即取出试件和模块，并安放于测试仪上。然后，设定扭转剪切的速率，分别对一组4个试件进行无竖向应力的水平扭转剪切测试，获得45℃时该沥青混合料的扭转剪切曲线，如图2所示，并由此得到其抗剪强度。当需要测试沥青混合料的粘聚力和内摩擦角时，设定施加于试件垂直方向砝码重量

和

，并分别测试并获得不同砝码重量下的抗剪强度

和

，把试验结果带入式(3)和式(4)即可计算得到粘聚力

和内摩擦角

。

(3)

(4)。