瀝青混合料中溫開裂試驗(yàn)方法研究

曹佳偉

摘要：溫度應(yīng)力、行車荷載作用產(chǎn)生的累積應(yīng)力及材料的損傷超過材料容許程度，易導(dǎo)致路面開裂[1]。而且瀝青路面開裂后，嚴(yán)重危害道路的使用性能和壽命[2]。因此，分析目前國內(nèi)外評價瀝青混合料開裂性能的試驗(yàn)，著重比較劈裂試驗(yàn)、半圓彎拉試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲疲勞等試驗(yàn)的區(qū)別聯(lián)系。結(jié)果表明，IDEAL-CT劈裂試驗(yàn)和SCB半圓彎拉試驗(yàn)主要評價瀝青混合料中溫抗開裂性能和抗裂縫擴(kuò)展性能，BBF四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)主要是評價瀝青混合料抗疲勞開裂性能。

Abstract： The cumulative stress caused by temperature stress and driving load and the damage of materials exceed the allowable degree of materials， which may lead to pavement cracking. Moreover， after the asphalt pavement is cracked， the performance and life of the road are seriously jeopardized. Therefore， the current domestic and international evaluation of the asphalt mixture cracking performance test， focusing on the comparison of the split test， semi-circular bending test and four-point bending fatigue test. The results show that the IDEAL-CT splitting test and the SCB semi-circular bending test mainly evaluate the medium temperature anti-cracking performance and crack propagation resistance of the asphalt mixture. The BBF four-point bending fatigue test is mainly to evaluate the anti-fatigue cracking performance of the asphalt mixture.

關(guān)鍵詞：道路工程;瀝青混合料;抗開裂性能;對比分析

Key words： road engineering;asphalt mixture;resistance to initiation fracture;comparative analysis

中圖分類號：TQ321.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）24-0162-02

0? 引言

瀝青路面結(jié)構(gòu)無法滿足重載交通的需求，往往未達(dá)到設(shè)計壽命就出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞，特別是裂縫類病害嚴(yán)重。國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)斷裂力學(xué)理論提出多個表征材料抗裂性能的相關(guān)評價指標(biāo)，相關(guān)學(xué)者采用有限元、離散元和數(shù)字圖像處理等方法對瀝青混合料劈裂試驗(yàn)進(jìn)行研究[3-4]，也有根據(jù)J積分理論采用半圓彎拉試驗(yàn)評價瀝青混合料抗裂性能，采用臨界應(yīng)變能釋放率Jc表征瀝青混合料裂縫發(fā)展情況[5-6]。但都沒有將幾種瀝青混合料開裂試驗(yàn)方法進(jìn)行對比研究。

1? 瀝青混合料開裂試驗(yàn)方法

1.1 圓盤拉伸試驗(yàn)

圓盤拉伸試驗(yàn)，即DC（T）（Disk-shaped Compact Tension）試驗(yàn)，是一種測試瀝青混合料低溫開裂和反射裂縫的試驗(yàn)。將旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的圓柱體試件切割成帶有2.46英寸缺口的圓盤狀試樣，并將其按1mm/min的速度向兩側(cè)拉開，直到荷載減小到0.1kN，通過確定初始韌帶長度和厚度歸一后的荷載-位移曲線下的面積，計算斷裂能Gf等評價參數(shù)。

1.2 半圓彎曲試驗(yàn)

半圓彎曲試驗(yàn)，即SCB（Semi-Circular Bend）試驗(yàn)，包括瀝青混合料低溫開裂試驗(yàn)和自下而上和自上而下的疲勞開裂。將旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的圓柱體試件切割成底部中間帶有15mm預(yù)切縫的半圓形試樣，并在其頂部中間施加恒定50mm/min速度的豎向位移，直到荷載減小到0.1kN，通過荷載-位移曲線計算斷裂能Gf和柔性指數(shù)FI等評價參數(shù)。

1.3 間接拉伸疲勞試驗(yàn)

間接拉伸疲勞試驗(yàn)，即IDT（Indirect Tension）試驗(yàn)，是一種測試瀝青混合料低溫開裂試驗(yàn)和自上而下開裂試驗(yàn)。將旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的圓柱體試件切割成直徑為6英寸，厚度為1.5-2.0英寸的試樣，對其進(jìn)行重復(fù)加載，直至試件破壞，測量了瀝青混合料在低溫下的蠕變勁度和劈裂抗拉強(qiáng)度。

1.4 罩面試驗(yàn)

罩面試驗(yàn)，即OT（Overlay Test）試驗(yàn)，是一種測試瀝青混合料反射裂縫和自下而上疲勞開裂的試驗(yàn)。將旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型的圓柱體試件切割成6英寸長，3英寸寬，1.5英寸高的試件后固定在兩塊加載板上，其中一塊板固定在工作臺上不動，并對另一塊加載板施加重復(fù)的拉伸荷載，從而實(shí)現(xiàn)對試件底部施加重復(fù)的拉伸荷載，直至試件破壞，采用荷載加載循環(huán)次數(shù)評價瀝青混合料的抗開裂性能，還可以從實(shí)測的載荷與位移曲線中計算推導(dǎo)出表征材料斷裂特性的相關(guān)評價參數(shù)。

1.5 彎曲梁疲勞試驗(yàn)

彎曲梁疲勞試驗(yàn)，即BBF（Bending Beam Fatigue）試驗(yàn)，是一種測試瀝青混合料自下而上疲勞開裂的試驗(yàn)。將輪碾成型的板塊試件切割成380mm長，63.5mm寬，50mm高的小梁試件固定在疲勞試驗(yàn)夾具上，并對其進(jìn)行四點(diǎn)重復(fù)加載，主要有應(yīng)變控制和應(yīng)力控制兩種加載模式，采用荷載加載循環(huán)次數(shù)（即疲勞壽命）和累積耗散能來評價瀝青混合料的抗疲勞性能。

1.6 低溫小梁彎曲試驗(yàn)

低溫小梁彎曲試驗(yàn)，該試驗(yàn)是常用的測試瀝青混合料低溫抗裂性能的方法，該方法采用輪碾成型的板塊試件切割成250mm長，30mm寬，35mm高的小梁試件，在其跨中施加集中荷載至試件斷裂破壞，根據(jù)破壞應(yīng)變等指標(biāo)評價瀝青混合料的低溫抗裂性能。

1.7 低溫約束應(yīng)力試驗(yàn)

低溫約束應(yīng)力試驗(yàn)，即TSRST試驗(yàn)，是一種測試瀝青混合料在低溫環(huán)境下的抗開裂性能，可評價瀝青混合料失效時承受的最低溫度。該方法采用輪碾成型的板塊試件切割成相應(yīng)尺寸的棱柱體或圓柱體試件，固定試件兩端，通過降低溫度至試件失效斷裂，根據(jù)失效溫度和失效應(yīng)力等指標(biāo)評價瀝青混合料低溫抗裂性能。

1.8 劈裂試驗(yàn)

劈裂試驗(yàn)，即IDEAL-CT試驗(yàn)，是一種測試瀝青混合料反射裂縫和自下而上疲勞開裂的試驗(yàn)。通過旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型直徑150mm，高度62mm的圓柱體試件，并在其頂部中間施加恒定50mm/min速度的豎向位移，直到荷載減小到0.1kN，通過荷載-位移曲線計算斷裂能Gf和裂縫擴(kuò)展評價指數(shù)CTindex等參數(shù)。

根據(jù)2016年美國國家公路合作研究項目NCHRP09-57項目對包括上述多種熱、反射、自下而上和自上而下疲勞開裂試驗(yàn)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場評估，如表1所示。

2? 三種中溫開裂試驗(yàn)評價指標(biāo)對比分析

對比分析IDEAL-CT劈裂試驗(yàn)、SCB半圓彎拉試驗(yàn)和BBF四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的評價指標(biāo)，驗(yàn)證三種中溫開裂試驗(yàn)評價瀝青混合料抗裂性能的可行性。

選取并匯總?cè)N中溫開裂試驗(yàn)的主要評價指標(biāo)，如表2所示。IDEAL-CT劈裂試驗(yàn)和SCB半圓彎拉試驗(yàn)兩個主要評價指標(biāo)的單位相同，試驗(yàn)結(jié)果可以相互比較;且開裂指標(biāo)CTindex和柔性指數(shù)FI都是無量綱化指標(biāo)，能較好評價瀝青混合料的抗裂縫擴(kuò)展性能。與上述兩種試驗(yàn)不同，BBF四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)是采用荷載循環(huán)作用次數(shù)即疲勞壽命表征材料的抗疲勞性能。

3? 三種中溫開裂試驗(yàn)區(qū)別、聯(lián)系及適用情況

對比分析IDEAL-CT劈裂試驗(yàn)、SCB半圓彎拉試驗(yàn)和BBF四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)之間的區(qū)別、聯(lián)系及各自的適用情況，如表3所示。

3.1 溫度

三種開裂試驗(yàn)都是在中溫條件下測試瀝青混合料的抗裂性能，本文根據(jù)相關(guān)規(guī)范IDEAL-CT劈裂試驗(yàn)和SCB半圓彎拉試驗(yàn)選擇25℃，BBF四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)選擇15℃，但試驗(yàn)溫度都可以在15～35℃之間微調(diào)。

3.2 加載方式

IDEAL-CT劈裂試驗(yàn)和SCB半圓彎拉試驗(yàn)都是采用軸向速率50mm/min的加載方式，測試瀝青混合料在軸向恒速荷載下的直接抗開裂性能;BBF四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)是采用加載頻率10Hz連續(xù)偏正弦荷載，測試瀝青混合料承受重復(fù)彎曲荷載的疲勞壽命。

3.3 用情況

本文選取的IDEAL-CT劈裂試驗(yàn)和SCB半圓彎拉試驗(yàn)主要是測試瀝青路面材料抗反射裂縫的性能，BBF四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)是測試瀝青路面材料抗疲勞裂縫的性能。

4? 結(jié)論

①IDEAL-CT劈裂試驗(yàn)和SCB半圓彎拉試驗(yàn)主要是評價瀝青混合料中溫抗開裂性能和抗裂縫擴(kuò)展性能;BBF四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)主要是評價瀝青混合料抗疲勞開裂性能。

②IDEAL-CT劈裂試驗(yàn)和SCB半圓彎拉試驗(yàn)的試驗(yàn)溫度、加載方式、試驗(yàn)?zāi)康暮瓦m用情況較為接近，且在評價玄武巖纖維瀝青混合料抗裂縫擴(kuò)展性能方面相關(guān)性較好。

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