沥青混合料是由沥青结合料和矿料组成的多相复合颗粒性散体材料，沥青的黏结性以及矿料颗粒的嵌挤、摩擦、滑移机理在很大程度上决定了沥青混合料的力学行为。关于沥青结合料的研究，国内外均有较丰硕的研究成果和丰富的应用经验。尽管集料的重量占沥青混合料的95％以上，但由于性质参数、级配的多样性以及矿料微观作用机理的复杂性，国内外对集料的研究相对滞后，对矿料作用机理及微细观力学的认识仍停留在定性描述阶段，如规范对集料颗粒的选择也仅定性地要求为颗粒有棱角、近似立方体、表面粗糙等^[1,2,3]。

大量研究认为，沥青混合料的抗变形能力主要与其抗剪强度有关^[4,5,6,7,8]。然而这一表述只是从宏观力学的角度分析了沥青混合料的强度形成机理，并没有抓住沥青混合料材料组成及强度构成的本质。对于典型的颗粒性材料，沥青混合料的宏观力学响应是微细观层面矿料间的接触和界面摩擦、滑移行为的外在表现。然而长期以来，道路工程研究人员偏重于研究路面结构与材料的工程应用，路面材料的作用机理和微细观力学行为没有引起足够的重视。

本文从分析沥青混合料矿料的接触及滑移特性入手，提出了基于矿料微细观作用行为的宏观试验方法和评价指标，即滑移剪切试验和滑移剪切能EI，并在一定的试验条件下分析滑移剪切能的变化规律及对试验条件的敏感性。本研究对改进现有的沥青混合料设计方法，提高沥青路面的抗车辙能力具有重要意义。 1 基于沥青混合料矿料界面接触滑移行为的试验方法

研究表明，粗集料的接触特性直接决定了沥青混合料的整体强度，也直接影响着矿料在力的作用下的滑移和重组，大量矿料颗粒间的滑移在宏观上则表现为混合料的整体变形。故对沥青混合料抵抗高温变形而言，研究混合料中矿料的力学行为的首要工作是对矿料的接触特性进行明确分析^{[9,10,11,12,13]}。基于此本文提出了一种新的试验方法——滑移剪切试验。 1.1 试验仪器

滑移剪切试验的原理如图 1所示，把外来荷载施加在一个钢制圆柱体压头对试件进行加载，钢制圆柱体压头的直径比试件的直径小很多。

图 1 矿料滑移剪切试验原理 Fig. 1 Principle of slip and shear test of mineral aggregate

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该试验的主要仪器之一是MTS-810电液伺服材料试验机，为了配合新的试验方法，研制了一套专门用于实验室模拟沥青混合料矿料滑移剪切行为的试验仪器-滑移剪切试验仪，见图 2。滑移剪切实验仪由压头、上部圆柱筒、下部圆柱筒，以及卡在上下圆柱筒之间的环形盘组成。压头是具有规定尺寸的实心钢制圆柱体；上圆柱筒是顶部封闭且留有圆形开口，底部敞开并留有外侧契口的半封闭半开口式钢筒；下圆柱筒是顶部侧壁有内契口，底部一侧有一观测口的开口式钢圆筒；环形盘具有一定厚度，能够卡在上下部结构之间，且环形盘中心孔径大于上圆柱筒顶部中心的孔径。该仪器的优点是装卸简单，可重复使用，能够准确地模拟混合料在荷载作用下的滑移破坏行为。

图 2 滑移剪切试验仪 Fig. 2 Slip and shear test instrument

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在进行试验时，利用MTS-810电液伺服材料试验机为新的试验仪器提供需要的荷载，荷载压力由万能试验机传递到压头，而压头作用在滑移剪切仪上圆筒顶端的圆孔，最终将荷载施加于试件。该试验操作过程如下：

(1)将标准马歇尔试件放入上圆柱筒(滑移剪切仪的上部结构里的圆柱腔与此标准试件相匹配)。

(2)将中部的环形圆盘放在下圆柱筒契口顶部，对准上部结构的外契口，使3个部分准确无误地卡靠在一起，至此含有标准马歇尔试件的整体装置组装完成。

(3)将组装完毕的装置垂直放在万能试验机的载物台上，然后将钢制压头搁置在装置顶面的环形区。

(4)开启万能试验机对装置施压，滑移剪切试验开始，持续施压，至马歇尔试件中间部分从环形盘的圆孔完全滑出。滑出过程由装置下部结构的观察口进行观测。

(5)终止试验，保存数据，以便后期试验分析。

破坏后的试件状态如下图 3所示。

图 3 滑移剪切破坏后的试件 Fig. 3 Broken specimens after slip and shear test

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该试验能够得到5个参数，它们依次是最大破坏荷载F_P(滑移剪切破坏发生时试件承受的荷载)、破坏时间t_p(最大破坏荷载发生时的时间)、破坏变形ε_p(最大破坏荷载发生时试件的变形值)、滑移剪切模量E和滑移剪切能EI。

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图 4 破坏变形 Fig. 4 Failure deformation

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在相同试验条件下，对5种不同级配的沥青混合料进行滑移剪切试验和车辙试验，并将滑移剪切试验的各个参数和车辙动稳定度DS进行相关性分析。结果表明，滑移剪切试验的5个参数中，滑移剪切能EI与车辙动稳定度DS的相关性最好，故选取滑移剪切能EI作为滑移剪切试验的评价指标。 2 试验结果及分析

试验采用SK90^# 基质沥青和 SBS成品改性沥青，粗细集料均选用玄武岩，矿粉选用磨细的石灰岩，用到的级配有AC-13上限、AC-13中值、AC-13合成、AC-13下限、AC-16中值、AC-20中值和AC-25中值。采用马歇尔法批量成型沥青混合料试件，试件规格63.5 mm×101.6 mm(直径×高)。选用直径为40 mm的压头进行滑移剪切试验，在试验数据稳定可靠的情况下，不同条件下每种沥青混合料进行3次重复试验，取均值，分析试验条件、级配、沥青等对滑移剪切能的影响。 2.1 试验条件对沥青混合料滑移剪切性能的影响 2.1.1 温度

采用AC-13-中值、AC-16-中值、AC-20- 中值三种级配的试件，加载速率20 mm/min，在70,60,50,0 ℃4个温度下进行滑移剪切试验，分析温度对滑移剪切能变化规律的影响，试验结果见图 5。

图 5 不同温度下各级配的滑移剪切能 Fig. 5 Slip and shear energy of different temperatures

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从图 5可以看出：

(1)考虑温度的影响，滑移剪切试验评价指标滑移剪切能EI对温度条件有着良好的敏感性。

(2)当试验温度相同时，不同混合料的滑移剪切能EI有显著差别，其中AC-20中值的滑移剪切能EI最大，AC-16中值的次之，AC-13中值的最小。

(3)当试验温度在40～70 ℃范围内，随着温度的升高，3种沥青混合料的滑移剪切能EI都变小。分析其原因，随温度升高，沥青混合料中的沥青逐渐变软，自由沥青含量增多，且软化后的沥青对矿料的错位和滑移起到润滑作用，使得沥青混合料的整体强度降低，所以在荷载作用下，试件发生滑移剪切变形需要的能量也会变小。考虑温度对沥青混合料抗滑移剪切变形能力的影响，高温季节宜采用黏度较大的沥青来提高沥青路面的抗剪切变形能力，减少路面车辙的发生。

采用下列5种级配的试件，在上述4个温度下分别进行滑移剪切试验和车辙试验，车辙试验严格按照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E202011)进行，将滑移剪切能EI与车辙动稳定度DS做相关性分析，以确定最佳的试验温度，试验数据和分析结果见表 1和表 2。

表 1和表 2显示：

在相同的加载速率，60 ℃时不同级配混合料的滑移剪切能EI区分性最好，且与动稳定度DS的相关性最好，70 ℃时次之，40 ℃时较小，而50 ℃时是最小的。因此，推荐60 ℃为滑移剪切试验的温度。

2.1.2 加载速率

采用AC-13中值、AC-16中值、AC-20中值三种级配的试件，试验温度为60 ℃，分别在10,20，50 mm/min三种加载速率下进行滑移剪切试验，分析加载速率对滑移剪切能变化规律的影响，试验结果见图 6。

图 6 不同加载速率下各级配的滑移剪切能 Fig. 6 Slip and shear energy in different gradations at different loading rates

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从图 6可以看出：

(1)考虑加载速率的影响，滑移剪切能EI对加载速率的改变有良好的敏感性。

(2)滑移剪切试验中，加载速率的改变对试验评价指标EI影响显著。在相同温度下，随着加载速率的增大，滑移剪切能EI随之减小。

(3)滑移剪切能EI随加载速率变化的幅度大小不同。加载速率由10 mm/min增至20 mm/min时，滑移剪切能EI降幅较大；由20 mm/min增至50 mm/min 时，滑移剪切能EI降幅较前者要小许多。但总的趋势是一定的，即随着加载速率的增大，滑移剪切能EI变小，沥青路面越易发生滑移剪切现象，即容易产生车辙。

采用下列五种级配的试件，试验温度60 ℃进行车辙试验，并在上述三种加载速率下分别进行滑移剪切试验。将滑移剪切能EI与车辙动稳定度DS做相关性分析，以确定最佳的加载速率，试验数据和分析结果如表 3和表 4所示。

表 3和表 4显示，加载速率为20 mm/min时，滑移剪切能EI与车辙动稳定度DS的相关性系数最大，50 mm/min时的相关系数次之，而10 mm/min时的相关系数最小。在此，推荐滑移剪切试验的加载速率为20 mm/min。 2.2 级配对沥青混合料滑移剪切性能的影响 2.2.1 级配曲线走向

采用AC-13上限、AC-13中值、AC-13合成，AC-13下限四种级配走向的混合料试件，试验温度60 ℃，加载速率为20 mm/min，进行滑移剪切试验，试验结果如图 7所示。

图 7 不同级配曲线下的滑移剪切能 Fig. 7 Slip and shear energy in different grading curves

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从图 7可以看出，

(1)考虑级配曲线走向的影响，滑移剪切能EI对级配走向的改变有良好的敏感性。

(2)对相同最大公称粒径的沥青混合料而言，级配曲线的差异对混合料的滑移剪切能EI有明显影响，其中AC-13合成级配曲线的滑移剪切能EI最大，AC-13中值次之，AC-13上限最差。这说明AC-13 合成级配混合料的高温稳定性要优于其他级配曲线，而试验中的合成级配曲线为S形曲线，说明S型级配混合料矿料间嵌挤得更紧密牢固，这与目前很多研究者对S型级配的评价相吻合。

(3)AC-13中值的滑移剪切能EI值与AC-13合成的差别较小，而AC-13上、下限的滑移剪切能EI值与AC-13中值、AC-13合成差别较大。

通过分析混合料级配构成特点，解释以上试验现象：(1) AC-13下限的沥青混合料，粗集料所占比重较大，细集料所占比重较小。矿料之间的空隙较大，细集料不能有效填充矿料空隙，混合料强度较低，则滑移剪切破坏需要的能量值较小；而AC-13上限混合料的结构特点恰恰相反，细集料所占比重大，粗集料所占比重小，粗集料大部分悬浮于细集料和沥青胶浆中，不能形成较好的接触，同样不能形成嵌挤结构，混合料强度较低。(2)AC-13中值混合料的级配组成中，中间档矿料含量较多，而两头的较粗矿料和较细矿料所占比例较小，虽然部分矿料能形成接触，但大多粗集料还是处于游离状态，使得混合料整体强度不是很理想，但较上、下限的混合料的强度要大得多。(3)从AC-13合成级配混合料的级配构成特点来看，混合料中粗集料、中档集料及细集料三者之间的搭配比较合理，相当部分的矿料间能形成比较好的接触，矿料间的嵌挤作用得以发挥。如此以来，沥青混合料的整体强度较大，抗滑移剪切能力也较好，从而需要较大的能量使之发生剪切破坏。 2.2.2 最大公称粒径

采用AC-13中值、AC-16中值、AC-20中值、AC-25中值四种不同最大公称粒径的混合料试件，油石比和空隙率数据见表 5，试验温度60 ℃，加载速率为20 mm/min，进行滑移剪切试验，试验结果见图 8。

图 8 不同最大公称粒径下混合料的滑移剪切能 Fig. 8 Slip and shear energy in different maximum nominal sizes

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从图 8可以看出：

(1)考虑矿料最大公称粒径的影响，滑移剪切能EI对公称粒径的改变有良好的敏感性。

(2)在级配曲线走向相同的条件下，随着矿料最大公称粒径的改变，滑移剪切能EI的大小也随之变化。EI值大小排序如下：AC-20中值＞AC-16中值＞AC-25中值＞AC-13中值。

(3)AC-16中值混合料的EI值与AC-20中值的EI值差别较小，而AC-13中值、AC-25中值的EI值与AC-16中值、AC-20中值的EI值差别比较大。

分析试验结果可知，矿料最大公称粒径对混合料的高温抗滑移剪切性能有显著的影响，但并不是说随着最大公称粒径的增大，滑移剪切能EI值会一直增大下去。过大公称粒径的矿料之间空隙会很大，混合料会形成具有较大空洞的空隙结构，细集料填充不良，胶浆黏结效果也不能很好地发挥，这样混合料的整体强度必然会降低。从试验结果可以看出，当公称粒径大于25 mm时，混合料的强度会较20 mm 急剧降低。因此可以得出结论，矿料最大公称粒径的改变显著影响混合料的滑移剪切能EI，但其影响并不是无限制的。因此要想获得高温性能好的混合料，不能一味地增大沥青混合料矿料最大公称粒径。

分析原因如下：(1)对AC-25中值的沥青混合料而言，大粒径矿料含量较多，而较细集料相对于AC-20中值、AC-16中值、AC-13中值的含量偏少，其粗集料间存在较大空隙，细集料不能有效填补空隙，使得混合料整体强度不好，滑移剪切能EI值比AC-16、AC-20中值要小很多。但另一方面，由于粗集料的接触较好，矿料的骨架作用得以发挥，其抗滑移剪切性能要优于AC-13中值混合料。

(2)试验所采用的四种沥青混合料中，AC-13中值混合料的矿料公称粒径最小，其粗集料含量较其他混合料要少，但细集料含量比AC-16中值、AC-20中值要大得多，使混合料中相互接触的较粗矿料比例减少，矿料不能形成较好的嵌挤，在荷载作用下容易发生矿料间的滑移和重构，最终导致混合料的剪切破坏。 2.3 沥青用量和种类对沥青混合料滑移剪切性能的影响 2.3.1 沥青用量

采用AC-13合成级配，油石比分别为 3.5%、4.0%、4.5%、5.0％、5.5%的沥青混合料试件，试验温度60 ℃，加载速率20 mm/min，进行滑移剪切试验，试验结果见图 9~图 10。

图 9 不同沥青用量下的滑移剪切能 Fig. 9 Slip and shear energy in different asphalt contents

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图 10 滑移剪切能EI随油石比变化趋势 Fig. 10 EI varying with asphalt-aggregate ratio

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从上图可以看出：

(1)考虑油石比的影响，滑移剪切能EI对油石比的变化有良好的敏感性。

(2)油石比的改变对EI值有显著影响。油石比在3.0%～5.5%范围内，随油石比逐渐增加，EI值出现先减小后增大再减小的变化规律。当油石比在4.5%左右时，EI值出现较大的值，在油石比为3.5%时也出现较大值，而在油石比为5.5%处出现最小值，在3.5%～4.5%之间EI值先减小后增大，在4.5%-5.5%区间EI值几乎呈线性减小。

(3)在不同的油量区间，当油石比变化时，EI值出现不同的变化趋势。油石比在3.5%～4.0%区间逐渐增加时，EI逐渐变小且变化幅度较大；在4.0%～4.5%区间逐渐增加时，EI逐渐增大且增幅较大。在4.5%～5.5%区间逐渐增加时，EI逐渐减小且减幅较大。

由于在试验前已经通过马歇尔法确定出此AC-13合成级配混合料的最佳油石比大约在4.5%附近，对上述现象可以从最佳油石比出发，往左右分析原因。①在沥青含量处于最佳油石比附近时，矿料与沥青形成良好的裹附，且沥青的作用主要体现为结构沥青的黏附性，自由沥青含量较小，这样结构沥青使得矿料之间嵌挤得更加紧密且合成为一体，要破坏这种状态需要的能量必然大得多。②从最佳油石比往曲线右端看，沥青含量持续增大，自由沥青含量也随着增大，这样在矿料的接触面之间形成了较厚的一层自由沥青膜，自由沥青的润滑作用促进了矿料的错位和滑移，所以克服这种矿料的嵌挤需要的滑移剪切能EI就越来越小。③往左边看，当沥青含量减小直到4%时，认为矿料与沥青越来越难形成良好的裹附或者说结构沥青层厚度过小，这样矿料之间不能更好地黏结在一起，克服这种状态需要的能量越来越小。④但当沥青含量继续减小，矿料间沥青层厚度极小，矿料间的接触接近直接接触，这样沥青的黏附作用越来越小，矿料越来越近似处于干摩擦状态，需要克服这种摩擦状态使矿料发生滑移错位需要的能量自然就更大。 2.3.2 沥青种类的影响

选用SK-90^#基质沥青和SK-SBS改性沥青，级配选用AC-13-中值，试验温度60 ℃，加载速率20 mm/min，进行滑移剪切试验，结果见图 11。

图 11 不同沥青类型的滑移剪切能 Fig. 11 Slip and shear energy of different asphalt types

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从图 11可以看出：

(1)考虑沥青种类的影响，滑移剪切能EI对沥青类型的改变有良好的敏感性。

(2)在混合料的级配类型相同时，沥青类型的改变显著影响混合料的抗滑移剪切性能。很明显，从试验结果上看，SBS改性沥青混合料的EI值要比同等试验条件下基质沥青混合料的EI值大得多。

从沥青的改性机理分析：SBS是苯乙烯丁二烯苯乙烯的嵌段共聚物，沥青经SBS改性后，没有改变自身及沥青分子的化学结构单元，而是改变了沥青组分分布，改性过程以物理改性为主。聚合物吸附了沥青中的油分溶胀后形成连续相，沥青重组分分布在聚合物相中，聚合物的存在大大地改善了沥青的高、低温性能，因而SBS改性沥青混合料的温度稳定性明显优于同等条件下基质沥青混合料的温度稳定性，发生滑移剪切破坏需要的能量大得多。

综上可知，SBS改性沥青能够改善沥青混合料的高温稳定性，所以，在实际工程应用中，在条件允许的情况下，应该尽可能采用改性沥青，以提高路面的高温稳定性，降低车辙病害的发生。由于现有的改性沥青的种类很多，其对高温性能的改性机理不尽相同，所以在实际应用时，还应根据工程需要，对改性沥青种类作出合理选择。 3 结语

(1)滑移剪切试验能表征沥青混合料矿料的滑移剪切性能。滑移剪切能EI与车辙动稳定度DS有着良好的相关性，作为滑移剪切试验的评价指标，能更好地评价混合料的高温性能。

(2)试验条件对滑移剪切能EI有显著影响。当温度升高时，滑移剪切能EI随之变小；加载速率逐渐增大时，滑移剪切能EI的值也随之变小。分析表明，试验温度60 ℃、加载速率20 mm/min时，滑移剪切能EI与车辙动稳定度DS的相关性最好。

(3)混合料的级配对滑移剪切能EI有显著影响。S型级配的EI值最大，高温稳定性最好；适当增加最大公称粒径是提高高温性能的有效方法之一，但不能一味地增大。

(4)沥青用量和种类对滑移剪切能EI有显著影响。EI值在最佳油石比附近出现峰值，而SBS改性沥青混合料的EI值比同等试验条件下的基质沥青混合料的EI值大得多，即采用最佳油石比和改性沥青，可以提高沥青路面的高温稳定性。