灌注式半柔性道面材料抗沖擊性能試驗(yàn)研究

李　楊， 王建武， 張　勇， 武　衛(wèi)， 鄧　偉， 章遠(yuǎn)皓

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院 機(jī)場(chǎng)工程與保障系， 江蘇 徐州　221000；　2. 94619部隊(duì)54分隊(duì)， 安徽 六安　237131;　3.95626部隊(duì)機(jī)場(chǎng)營(yíng)房股， 云南 大理　671000)

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灌注式半柔性道面材料抗沖擊性能試驗(yàn)研究

李楊1， 王建武1， 張勇1， 武衛(wèi)1， 鄧偉2， 章遠(yuǎn)皓3

(1.空軍勤務(wù)學(xué)院 機(jī)場(chǎng)工程與保障系， 江蘇 徐州221000；2. 94619部隊(duì)54分隊(duì)， 安徽 六安237131;3.95626部隊(duì)機(jī)場(chǎng)營(yíng)房股， 云南 大理671000)

在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了灌注式半柔性道面材料的抗沖擊性能。運(yùn)用SHPB試驗(yàn)裝置，對(duì)空隙率為20%、23%、25%、27%和30%的半柔性道面材料分別進(jìn)行了0.25、0.30、0.35和0.4 MPa共4種氣壓的沖擊試驗(yàn)，分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)較低氣壓沖擊作用下(0.25，0.3 MPa)，空隙率為25%的半柔性道面材料峰值應(yīng)力最大；在較高氣壓沖擊作用下(0.35,0.4 MPa)，空隙率為27%的半柔性道面材料峰值應(yīng)力最大。綜合材料在沖擊作用下峰值應(yīng)力和破壞形態(tài)等因素，空隙率為27%的半柔性道面材料抗沖擊性能優(yōu)于其余4個(gè)空隙率的材料。

半柔性道面； 抗沖擊； SHPB試驗(yàn)； 空隙率

0　前言

灌注式半柔性道面材料是一種剛度大于瀝青混凝土，小于水泥混凝土的復(fù)合道面材料,在兼具了兩種材料優(yōu)勢(shì)的同時(shí)避開(kāi)了它們的缺陷[1]。半柔性道面不存在裂縫，而且受溫度影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于瀝青道面，道面性能優(yōu)異，因而在國(guó)內(nèi)高等級(jí)公路上得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)半柔性道面路用性能方面的研究較多，周啟偉[2]通過(guò)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和車(chē)轍試驗(yàn)對(duì)灌入式保水性瀝青混凝土的抗車(chē)轍性能進(jìn)行了研究。鄧成等人[3]發(fā)現(xiàn)，將超早強(qiáng)半柔性路面材料應(yīng)用在市政道路交叉路口后，可以比較徹底地解決其車(chē)轍問(wèn)題。陽(yáng)晏等人[4]主要研究了基體瀝青混合料孔結(jié)構(gòu)對(duì)半柔性路面材料路用性能的影響。王偉明等人[5]通過(guò)試驗(yàn)評(píng)價(jià)了3種不同空隙率的半柔性路面材料的綜合路用性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其具有良好的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和較強(qiáng)的抗疲勞能力。吳曠懷等人[6]則對(duì)自主研發(fā)的冷拌半柔性材料進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，同樣發(fā)現(xiàn)其綜合路用性能良好。但是將半柔性道面材料應(yīng)用在飛機(jī)跑道上的示例和研究，還并不多見(jiàn)。徐貴等人[7]運(yùn)用ANSYS建立了半柔性道面結(jié)構(gòu)模型，研究了半柔性道面在具有復(fù)雜起落架的大型飛機(jī)多輪荷載下的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。丁潤(rùn)澤等人[8]在對(duì)半柔性材料的力學(xué)特性及表層適用性進(jìn)行試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，論述了采用半柔性材料進(jìn)行機(jī)場(chǎng)瀝青罩面的設(shè)計(jì)方法。周少樂(lè)等人[9]進(jìn)行了飛機(jī)荷載下半柔性道面的疲勞試驗(yàn)，運(yùn)用有限元方法，提出了機(jī)場(chǎng)瀝青道面加鋪半柔性材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。綜合研讀文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，半柔性材料在機(jī)場(chǎng)道面上的運(yùn)用具有一定的可行性，但針對(duì)半柔性道面抗沖擊性能的研究，尚未查到相關(guān)資料。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用SHPB等試驗(yàn)儀器，對(duì)空隙率為20%、23%、25%、27%和30%的灌注式半柔性道面材料的抗沖擊性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為半柔性道面材料在飛機(jī)跑道上的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和運(yùn)用提供了一定的理論依據(jù)。

1　試驗(yàn)概況

本文設(shè)計(jì)對(duì)空隙率為20%、23%、25%、27%和30%的半柔性道面材料進(jìn)行靜態(tài)抗壓試驗(yàn)和SHPB試驗(yàn)。

1.1靜態(tài)抗壓試驗(yàn)

制作大空隙母體瀝青混合料圓柱形靜態(tài)抗壓試件(Ф100 mm×100 mm)，取出試件并放置在壓力機(jī)座上面，同時(shí)以2 mm/min的速度垂直于試件加載，直到整個(gè)試件完全破壞[9]，再讀取荷載的最大值，精確到100 N。試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)試件必須放在中心位置，以免偏載影響試驗(yàn)結(jié)果。抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 靜態(tài)抗壓強(qiáng)度Table1 Staticcompressivestrength空隙率/%抗壓強(qiáng)度/MPa平均值/MPa2013.2913.0613.6613.002313.1113.2413.3213.232515.3815.7015.8415.642715.2514.5415.3315.043013.8214.5514.7114.36

1.2SHPB試驗(yàn)

制作大小為300 mm×300 mm×40 mm的方形試件，然后從中鉆孔獲取試件，以免試件模型太小難以控制空隙率。實(shí)驗(yàn)前，檢查SHPB各試驗(yàn)系統(tǒng)是否正常，試打結(jié)束后，將測(cè)速計(jì)時(shí)儀清零，再對(duì)空隙率為20%、23%、25%、27%和30%共5種半柔性道面材料的試件分別進(jìn)行氣壓為0.25、0.3、0.35，0.4 MPa的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用DHDAS軟件將信號(hào)做濾波處理，消除干擾信號(hào)。

2　試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

2.1試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)運(yùn)用DHDAS系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波以及Matlab軟件進(jìn)行整理后得到了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，見(jiàn)表2。因數(shù)據(jù)量巨大，只列出各試件3次試驗(yàn)的平均值。

表2 不同空隙率的半柔性道面材料SHPB試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table2 SHPBtestresultswhendifferentvoidcontentofsemi-flexiblepavementmaterial空隙率/%試件編號(hào)氣壓值/MPa子彈速度(m·s-1)應(yīng)變率/s-1平均最大峰值應(yīng)力/MPaA10.2526.5346.4390.5910.5920A20.3031.7053.0689.0611.94A30.3538.0360.97109.1015.25A40.4041.9467.99125.9315.86B10.2525.6345.1884.9010.7823B20.3028.8949.8596.2613.32B30.3537.5360.85105.6915.99B40.4041.2769.57111.5616.65C10.2525.7646.4283.0913.0225C20.3030.4954.1496.6316.11C30.3537.5460.09108.5617.97C40.4041.7170.69119.9620.33D10.2525.9848.8479.4112.8027D20.3030.9757.9089.8914.00D30.3536.9267.39110.7218.82D40.4041.4874.53115.6521.50E10.2525.6546.6785.2111.2330E20.3031.2451.9796.6413.66E30.3538.1464.16105.7116.23E40.4041.8872.64108.6319.67 注:表中試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為平均值。

從表2可以看出: 在相同氣壓沖擊下，不同空隙率的半柔性道面材料平均應(yīng)變率相差較小。

將表1、表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，并計(jì)算動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)，如表3所示。

2.2空隙率對(duì)半柔性道面材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響

首先，通過(guò)對(duì)表2中各個(gè)空隙率半柔性道面材料的峰值應(yīng)力進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，0.25 MPa和0.3 MPa兩種氣壓條件下，峰值應(yīng)力均有C>D>E>B>A，說(shuō)明試驗(yàn)中空隙率為25%的半柔性道面材料動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果最為明顯，其次分別是空隙率為27%、30%、23%、20%的半柔性道面材料。較空隙率20%的半柔性道面材料而言，空隙率為25%、27%、30%、23%的材料在氣壓為0.25 MPa氣壓條件下的峰值應(yīng)力分別提高了22.95%、20.87%、6.04%、1.79%；0.3MPa條件下，峰值應(yīng)力分別提高34.92%、17.25%、14.41%、11.56%。而在0.35 MPa和0.4 MPa兩種氣壓條件下時(shí)，各空隙率半柔性道面材料的峰值應(yīng)力有D>C>E>B>A，空隙率為27%的半柔性道面材料動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度超過(guò)了空隙率為25%的材料。較空隙率為20%而言，空隙率為27%、25%、30%、23%的半柔性道面材料在氣壓為0.35Mpa條件下的峰值應(yīng)力分別提高了23.41%、17.84%、6.43%、4.85%； 0.4Mpa條件下，峰值應(yīng)力分別提高了35.56%、28.18%、24.02%、4.98%。

表3 半柔性道面材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表Table3 Thetestdatasummarytableofsemi-flexiblepave-mentmaterial試件編號(hào)氣壓值/MPa峰值應(yīng)力/MPa靜態(tài)抗壓強(qiáng)度/MPa動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)破壞主要形態(tài)0.2510.590.81邊緣破裂A0.3011.9413.001.17破碎0.3515.251.17粉碎0.4015.861.22粉碎0.2510.780.81邊緣破裂B0.3013.3213.321.00破碎0.3515.991.20粉碎0.4016.651.25粉碎0.2513.020.83邊緣破裂C0.3016.1115.641.03破碎0.3517.971.15破碎0.4020.331.30粉碎0.2512.800.85表面完好D0.3014.0015.040.93邊緣破裂0.3518.821.25破碎0.4021.501.43破碎0.2511.230.78邊緣破裂E0.3013.6614.360.95邊緣破裂0.3516.231.13破碎0.4019.671.37粉碎

從SHPB試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，空隙率為20%和23%的半柔性道面材料峰值應(yīng)力一直是最小的兩個(gè)，主要是由于母體瀝青混合料空隙率較小，在進(jìn)行灌注砂漿的時(shí)候并不能夠達(dá)到完全灌注，導(dǎo)致材料內(nèi)部有空隙(在進(jìn)行鉆孔取芯時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在空隙)，降低了材料自身的粘結(jié)力和抗力，致使材料的抗沖擊性能下降。雖然空隙率為30%時(shí)的半柔性道面材料空隙率足夠大，水泥砂漿能夠順利灌入，但是由于空隙率影響材料的碎石級(jí)配，空隙率高，碎石摻和比例大，配制空隙率為30%的半柔性道面材料時(shí)碎石與細(xì)砂的摻和比已達(dá)到96%，其中5～10 mm碎石達(dá)到了58%，這使得材料內(nèi)部骨料之間不能很好的嵌擠，瀝青與瀝青之間不能很好的粘黏，致使材料自身摩阻力降低，雖然填充了足量水泥砂漿，但是對(duì)材料的抗沖擊能力提高有限。但是相對(duì)于空隙率20%及23%的半柔性道面材料，空隙率30%時(shí)的骨料級(jí)配較大，因此抗沖擊性能相對(duì)于兩者都較好?？障堵蕿?5%及27%的半柔性道面材料分別在較低應(yīng)變速率(氣壓值為0.25 MPa和0.3 MPa)和較高應(yīng)變速率(氣壓值為0.35 MPa和0.4 MPa)的作用下峰值應(yīng)力最大。空隙率為25%和27%的材料，空隙率適中，水泥砂漿能夠順利灌注且不留下空隙，同時(shí)這兩個(gè)空隙率條件下的碎石級(jí)配也適中，所以二者抗沖擊性能相比于其他3個(gè)空隙率較好。空隙率25%的半柔性道面材料在較低應(yīng)變速率作用時(shí)，由于材料內(nèi)部碎石充分嵌擠，摩阻力和瀝青的黏聚力抵抗沖擊的作用大于水泥的凝聚力，因此峰值應(yīng)力大于空隙率27%的半柔性道面材料。當(dāng)較高應(yīng)變速率作用時(shí)，水泥凝聚力起主導(dǎo)作用，因而此種條件下空隙率為27%的材料峰值應(yīng)力大。

如圖1所示，同一空隙率下，半柔性道面材料峰值應(yīng)力隨著氣壓值的變大而變大；隨著氣壓值的增加，半柔性道面材料的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率減緩。這主要是由于材料本身的性質(zhì)，在材料制作和養(yǎng)護(hù)的過(guò)程中材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微裂縫和氣孔，當(dāng)較低應(yīng)變速率作用在試件上時(shí)，材料內(nèi)部的裂縫不斷發(fā)展，裂縫連通的路徑選擇在當(dāng)前應(yīng)變率條件下最薄弱的環(huán)節(jié)上發(fā)展。隨著氣壓的增大，作用在試件上的應(yīng)變率也增大，當(dāng)較高的應(yīng)變速率作用在試件上時(shí)，裂縫的發(fā)展不再沿著原有發(fā)展路徑進(jìn)行，而是選擇在此時(shí)較高應(yīng)變率條件下試件的最薄弱環(huán)節(jié)上進(jìn)行。當(dāng)應(yīng)變速率變大時(shí)，試件破壞時(shí)內(nèi)部的細(xì)微裂縫不能及時(shí)在試件內(nèi)部擴(kuò)展，因而導(dǎo)致材料中的骨料破壞。應(yīng)變速率越高，材料內(nèi)部骨料破壞的越多，這也是材料峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率增大而增大的原因。

圖1　氣壓與半柔性道面材料峰值應(yīng)力關(guān)系圖Figure 1　Relation of air pressure and the peak stress of semi-flexible pavement material

2.3空隙率與動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)的關(guān)系

通過(guò)表3發(fā)現(xiàn)各個(gè)空隙率下的半柔性道面材料的動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)都隨著氣壓的增大而增加，動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)最大達(dá)到了1.43。如圖2所示，在同一氣壓之下，5個(gè)不同空隙率大小的半柔性道面材料動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)相差不大，這說(shuō)明此時(shí)半柔性道面材料的抗沖擊性能和空隙率的變化并沒(méi)有明顯的關(guān)系。

圖2　氣壓與半柔性道面材料動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)的關(guān)系Figure 2　Relation of air pressure and dynamic growth factor of semi-flexible pavement material

2.4破壞形式分析

半柔性道面材料試件在受到荷載沖擊后，試件破壞形態(tài)主要有表面完好、邊緣破裂、破碎和粉碎4種 。從表面完好到粉碎的過(guò)程，體現(xiàn)了空隙率在半柔性道面材料中中明顯的阻裂和粘結(jié)作用。

從表3中可以發(fā)現(xiàn)，空隙率為20%和23%的試件在4種氣壓沖擊下破壞時(shí)更容易被壓碎，而空隙率為27%的試件在0.25 MPa氣壓下破壞形態(tài)表現(xiàn)為表面完好，在0.4 MPa氣壓下也表現(xiàn)為破碎狀態(tài)，而不是與其他四種空隙率一樣表現(xiàn)為粉碎，由此反映出空隙率27%的半柔性道面材料具有較強(qiáng)的韌性，抵抗沖擊的能力更強(qiáng)。

半柔性道面材料是由大空隙基體混合料與水泥砂漿組成的新型復(fù)合材料，其性質(zhì)已不再是單一的瀝青混合料和水泥砂漿的性質(zhì)。在受到0.25 MPa氣壓下的子彈沖擊時(shí)，五組試件破壞形態(tài)最嚴(yán)重的的僅是邊緣破裂，由此可見(jiàn)0.25 MPa氣壓的沖擊對(duì)試件的結(jié)構(gòu)破壞并不嚴(yán)重，材料自身的抗力、粘結(jié)力、黏聚力和摩阻力足以抵抗較低荷載的沖擊。隨著氣壓增大，較高的應(yīng)變速率作用在試件上，其自身抗力、粘結(jié)力、黏聚力和摩阻力不足以抵抗荷載的沖擊，最終出現(xiàn)破碎形態(tài)，甚至出現(xiàn)骨料破壞的粉碎形態(tài)。

從各個(gè)試件的破壞形態(tài)來(lái)看，空隙率27%的試件總體表現(xiàn)較好，在0.25 MPa氣壓沖擊下的所有試塊全部完好，在0.4 MPa氣壓沖擊下的試件僅有一塊破壞形態(tài)接近粉碎，其余兩塊僅達(dá)到破碎形態(tài)。單從破壞形態(tài)來(lái)看，空隙率為27%的材料在抗沖擊性能上要優(yōu)于其他四個(gè)空隙率的材料。

3　結(jié)論

① 通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較，各空隙率下的半柔性道面材料的峰值應(yīng)力隨著氣壓的增加而增大。較低氣壓沖擊作用下(0.25 MPa和0.3 MPa)，空隙率為25%的半柔性道面材料峰值應(yīng)力最大，其后的空隙率依次為27%、30%、23%、20%。在較高氣壓沖擊作用下(0.35 MPa和0.4 MPa)，峰值應(yīng)力最大的一組變?yōu)榱丝障堵蕿?7%的一組，其后的空隙率依次為25%、30%、23%、20%?？障堵?5%的半柔性道面材料在較低應(yīng)變速率作用時(shí)，由于材料內(nèi)部碎石充分嵌擠，摩阻力和瀝青的黏聚力抵抗沖擊的作用大于水泥的凝聚力，因此峰值應(yīng)力大于空隙率27%的半柔性道面材料。當(dāng)較高應(yīng)變速率作用時(shí)，水泥凝聚力起主導(dǎo)作用，因而此時(shí)空隙率為27%的材料峰值應(yīng)力更大。

② 不同的應(yīng)變率條件下，試件內(nèi)部裂縫發(fā)展的路徑并不相同，應(yīng)變率較大時(shí)，試件內(nèi)部的細(xì)微裂縫不能及時(shí)在試件內(nèi)部擴(kuò)展，導(dǎo)致了試件中的骨料破壞，且應(yīng)變率越高，骨料破壞越多。這也是材料峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率增大而增大的原因。

③ 半柔性道面材料動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)隨著氣壓的增大而不斷變大，最大達(dá)到1.43(空隙率為27%的一組)。但相同氣壓下，半柔性道面材料的動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)與空隙率沒(méi)有明顯的關(guān)系。

④ 從破壞形態(tài)來(lái)看，空隙率為27%的試塊較其他4個(gè)空隙率的試件要好。綜合來(lái)看，空隙率為27%的半柔性道面材料抗沖擊性能優(yōu)于其余4個(gè)空隙率的材料。

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Experimental Study on Impact Resistance of Poured Semi-flexible Pavement Material

LI Yang1， WANG Jianwu1， ZHANG Yong1， WU Wei1， DENG Wei2， ZHANG Yuanhao3

(1.Department of Airfield Engineering and Support，Air Force Logistics College，Xuzhou, Jiangsu 221000，China；2. Division 54，Troop 294619，Liuan, Anhui 237131，China;3.Airport Barrack Section, Troop 95626,Dali,Yunnan 671000, China)

Impact resistance of poured semi-flexible pavement material was studiedbased on many tests. The impact tests,under four levels of pressure(0.25,0.30,0.35 MPa and 0.4 MPa),were conducted on semi-flexible pavement materials with five different void contents(20%,23%,25%,27% and 30%), by using split Hopkinson pressure bar (SHPB) equipment.After analyzing test data,we found that under the effect of lower pressure(0.25 MPa and 0.30 MPa), it is the material with 25%void content whose peak stress is the biggest while under the effect of higher pressure(0.35 MPa and 0.4 MPa),it is the material with 27%void content whose peak stress is the biggest.Comprehensive consideration of peak stress and failure shapes,semi-flexible pavement material with 27% void content is better than four other materials in terms of impact resistance.

semi-flexible pavement; impact resistance; SHPB; void content

2016 — 03 — 29

國(guó)家自然科學(xué)基金(51478462；51508565)

李楊(1991 — )，男，江蘇泰州人，空軍勤務(wù)學(xué)院機(jī)場(chǎng)工程與保障系防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程方向碩士研究生。

TU 528.01

A

1674 — 0610(2016)04 — 0055 — 05