不同試驗(yàn)方法的瀝青混合料強(qiáng)度特性

黃拓，鄭健龍

HUANG Tuo, ZHENG Jianlong

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不同試驗(yàn)方法的瀝青混合料強(qiáng)度特性

黃拓，鄭健龍

(長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙，410004)

為了研究瀝青混合料彎曲試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)的拉應(yīng)變破壞原因，采用不同試驗(yàn)方法對瀝青混合料強(qiáng)度特性進(jìn)行研究，得到瀝青混合料強(qiáng)度、破壞應(yīng)變和臨界應(yīng)變能密度參數(shù)隨加載速度的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：瀝青混合料強(qiáng)度和臨界應(yīng)變能密度隨加載速度的增大而增大；以極限承載能力作為破壞準(zhǔn)則，導(dǎo)致在強(qiáng)度參數(shù)取值時(shí)存在隨意性問題，影響路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的科學(xué)性；拉應(yīng)變是導(dǎo)致瀝青混合料發(fā)生破壞的主因；以主拉應(yīng)變作為破壞準(zhǔn)則，可以通過加載速度統(tǒng)一不同試驗(yàn)方法的各個(gè)力學(xué)參數(shù)，解決瀝青混合料強(qiáng)度的不確定性問題和破壞原因不明的問題。

瀝青混合料；強(qiáng)度特性；主拉應(yīng)變；破壞準(zhǔn)則

瀝青混合料因具有抗滑、耐磨、柔韌、可再生利用、施工與養(yǎng)護(hù)維修方便、開放交通快等特點(diǎn)被廣泛用作現(xiàn)代公路的路面材料[1]。至2015年底，我國已建成通車的高速公路突破了12.35萬km，居世界第1位，其中90%以上為瀝青路面。但從近年來已投入運(yùn)營的瀝青路面使用狀況看，許多瀝青路面結(jié)構(gòu)未達(dá)到設(shè)計(jì)壽命便出現(xiàn)不同程度的病害，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會(huì)影響。在研究路面破損時(shí)，一次荷載作用下的強(qiáng)度問題是各種破壞問題研究的基礎(chǔ)[2?4]。瀝青混合料的強(qiáng)度性質(zhì)十分復(fù)雜[5?8]：1) 瀝青混合料的黏彈性特性導(dǎo)致強(qiáng)度的速度相關(guān)性與溫度相關(guān)性；2) 壓力成型的特點(diǎn)導(dǎo)致瀝青混合料拉、壓性質(zhì)的差異性，并使得強(qiáng)度隨應(yīng)力狀態(tài)的不同而變化；3) 不同試驗(yàn)方法得到的強(qiáng)度因應(yīng)力狀態(tài)的不同而變化，表現(xiàn)出強(qiáng)度不確定性。即便是廣泛應(yīng)用的彎曲試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)，也存在破壞原因不明的問題。上述試驗(yàn)條件和受力狀態(tài)不同，所得到的強(qiáng)度和剛度指標(biāo)完全不同[9?14]，很少有研究者從強(qiáng)度理論的角度研究這些破壞之間的內(nèi)在聯(lián)系與規(guī)律。針對上述問題，本文作者進(jìn)行不同加載速度下的彎曲試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)，得到瀝青混合料強(qiáng)度、破壞應(yīng)變和臨界應(yīng)變能密度隨加載速度的變化規(guī)律，提出瀝青混合料的拉應(yīng)變破壞準(zhǔn)則。

1 試驗(yàn)材料與配合比設(shè)計(jì)

選用細(xì)粒式瀝青混合料AC-13C作為研究對象。膠結(jié)料為SBS改性瀝青，集料為玄武巖。礦料級(jí)配見表1，馬歇爾試驗(yàn)確定最佳油石比(即瀝青混合料中瀝青質(zhì)量與礦料質(zhì)量之比)為5.2%，最佳油石比條件下的試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表1 AC-13C密級(jí)配瀝青混合料礦料級(jí)配

2 不同試驗(yàn)方法的瀝青混合料強(qiáng)度特性

分別采用10，50，100，200，400和1 000 N/s的加載速度，在MTS材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行瀝青混合料彎曲試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)和劈裂試驗(yàn)，然后根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算公式進(jìn)行換算。試驗(yàn)溫度為15 ℃。

2.1 彎曲試驗(yàn)

式中：B為彎拉強(qiáng)度，MPa；B為破壞荷載，N；和分別為試件跨中斷面的高度和寬度，mm；為跨中撓度，mm；為跨徑，mm；1為彎拉破壞應(yīng)變，10?6。應(yīng)變能密度函數(shù)d/d的計(jì)算公式為

式中：和分別為應(yīng)力分量和應(yīng)變分量；max為破壞應(yīng)變即臨界應(yīng)變；材料破壞時(shí)的d/d為臨界應(yīng)變能密度，通過試驗(yàn)曲線下方的包絡(luò)線面積確定[15?16]。不同加載速度的彎拉試驗(yàn)曲線見圖1，試驗(yàn)結(jié)果見表3。彎拉強(qiáng)度與加載速度的函數(shù)關(guān)系為

其中：B為彎拉強(qiáng)度，MPa；為加載速度，Pa/s。彎拉破壞應(yīng)變1隨加載速度的增大而逐漸減小，臨界應(yīng)變能密度與加載速度無顯著關(guān)系。