考慮非均勻性的瀝青混凝土間接拉伸強度測定儀研制與應(yīng)用*

李曉軍 王貴榮 馮 樊

(西安科技大學(xué)道路災(zāi)害防治研究所 西安 710054)

瀝青混凝土是由集料、瀝青和空隙組成的一種典型的非均勻、各向異性材料,其力學(xué)行為遠(yuǎn)比人們認(rèn)識到的復(fù)雜,其性能既受到環(huán)境因素的影響,也受到瀝青、集料和空隙的體積含量影響和這些因素矢量化的空間體積分布影響.

美國聯(lián)邦公路局組織SIM AP 項目研究組,采用數(shù)字圖象處理技術(shù)研究瀝青混合料的內(nèi)部體積組成及力學(xué)性能.根據(jù)工業(yè)CT 獲取了圓柱形瀝青混合料試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成[1-5].在國內(nèi),華南理工大學(xué)等研究機構(gòu)也已經(jīng)開展了類似的研究,并已取得初步成果,已經(jīng)可以采用“簇集”、分形幾何的方法研究瀝青混合料的非均勻問題.

非均勻概念也可以用來分析瀝青路面施工質(zhì)量和離析問題.瀝青路面離析是水損壞發(fā)生的主要根源,在離析處瀝青混合料的空隙率顯著增大,疲勞壽命大幅度降低,長期浸水和車輪荷載造成的動水壓力使得離析處材料松散破碎,最后成長為坑槽.與車轍損壞不同,水損害造成的坑槽具有隨機分布的特點,不可能采用平均的概念預(yù)測水損壞的發(fā)生與發(fā)展,瀝青路面施工后的非均勻性評價十分重要.

在道路工程中,瀝青混凝土的間接拉伸強度是公路路面結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要指標(biāo)之一.目前,級配離析對混合料影響的研究大部分是定性研究,缺少定量的分析研究成果,更缺少可以考慮非均勻性的瀝青混凝土間接拉伸強度測定儀器.

研究人員對土木工程材料非均勻性對其內(nèi)部破損影響歷來重視,在國內(nèi)利用CT 專用三軸試驗機已開展了大量巖石、煤、土、凍土、瀝青混合料等巖土材料在三軸和單軸壓縮條件下內(nèi)部結(jié)構(gòu)和損傷擴展的CT 實時掃描試驗,CT 專用三軸試驗機為深入研究土木材料的損傷演化理論提供了新手段[6-9].但由于能夠與C T 機配套使用的間接拉伸設(shè)備的缺失,瀝青混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)的非均勻性對其抗拉特性的影響研究并不多見.

本文在以往研究的基礎(chǔ)上,設(shè)計了一套新的試驗設(shè)備,試件設(shè)計成圓環(huán)形,對試件內(nèi)壁施加均布徑向水壓力使其拉伸變形和破壞.在徑向水壓力作用下,試件沿半徑方向在試件內(nèi)壁產(chǎn)生相同拉應(yīng)力,在拉應(yīng)力作用下,根據(jù)試樣本身的不均勻性會在試件最薄弱處產(chǎn)生破裂面.試驗結(jié)果表明:數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠,散布小,重復(fù)性好,所提供的試驗裝置簡單而有效.同時該設(shè)備可以配合計算機層析CT 掃描需要,為研究瀝青混凝土非均勻性對間接拉伸強度的影響奠定了基礎(chǔ).

1 測試原理及設(shè)備研制

1.1 測試原理

根據(jù)彈性力學(xué)理論,設(shè)有圓環(huán),內(nèi)半徑為a,外半徑為b,受內(nèi)壓力qa及外壓力qb作用.如果內(nèi)壓力qa作用,qb=0,則

式中:σr為徑向正應(yīng)力;σθ為環(huán)向正應(yīng)力.

根據(jù)式(1)可得出:σr總是壓應(yīng)力,σθ總是拉應(yīng)力,拉應(yīng)力在圓環(huán)試件內(nèi)壁最大.且|σθ|＞|σr|.考慮到巖土材料的抗拉強度遠(yuǎn)小于其抗壓強度,因此圓環(huán)的破壞只可能是首先出現(xiàn)在內(nèi)壁的拉伸破壞.當(dāng)qa足夠大時,圓環(huán)內(nèi)壁拉應(yīng)力σθα達(dá)到材料的抗拉強度σt,內(nèi)壁出現(xiàn)裂紋;由于裂紋尖端的應(yīng)力集中,裂紋迅速擴展而使試樣拉斷破壞.因此可以認(rèn)為,圓環(huán)拉斷破壞時的最大內(nèi)壓力qamax所對應(yīng)的內(nèi)壁環(huán)向拉應(yīng)力σθαmax就是試樣的拉伸破壞強度σt.把圓環(huán)的設(shè)計尺寸 a =25 mm,b=75 mm,r=25 mm 代入σθ的表達(dá)式,即可得到材料的抗拉強度的表達(dá)式,則有

考慮到圓環(huán)試件的尺寸并不完全符合彈性力學(xué)中平面問題的假設(shè)要求.為了修正試件尺寸帶來的誤差,采用三維有限元法(試件厚度50 mm)對相關(guān)問題進行了力學(xué)分析并采用與式(2)類似的模式進行歸納分析.從應(yīng)力分布矢量圖中可以明顯看出,最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在環(huán)形試件內(nèi)壁,且該點拉應(yīng)力大于壓應(yīng)力.有限元修正解所得表達(dá)式如式(3)所示,最終采用式(3)進行計算.

測試基于如下假設(shè)條件:(1)試樣破壞前試樣處于小變形狀態(tài);(2)試樣為拉壓性能不同的不可壓縮的理想彈性材料;(3)試件與底座之間的摩擦力可以忽略不計;(4)在關(guān)閉加圍壓孔洞的條件下,試樣外側(cè)氣體等溫壓縮;(5)乳膠膜的膨脹力忽略不計.

1.2 設(shè)備研制

圖1 有限元分析結(jié)果圖

圖2 試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖

試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示,整個試驗裝置由試件成型與托放裝置、加載裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3部分組成.試驗主要流程包括:將制好的環(huán)形試件放入試驗裝置上,使用加載機推動油缸上升,液壓油通過油管注入乳膠膜中,從而使乳膠膜膨脹,在試件內(nèi)壁施加壓應(yīng)力.油缸活塞上升一定高度,注入乳膠膜中的液壓油達(dá)到一定體積而具有一定的壓力,試件拉伸破壞.位移傳感器固定在加載機上,并與加載機底座連接,可記錄活塞上升高度.壓力傳感器通過三向接頭與油缸、乳膠膜密封底座連接,由于液體內(nèi)部壓力的一致性,壓力傳感器采集的壓力即是油缸壓力也是乳膠膜內(nèi)部壓力,即試件內(nèi)部壓力.將位移傳感器和壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接,通過計算機輸出可采集到動態(tài)數(shù)據(jù).測量系統(tǒng)由應(yīng)變式壓力傳感器、位移傳感器、放大器和動態(tài)數(shù)據(jù)采集器等組成,試驗過程中試樣內(nèi)壁的徑向應(yīng)力和內(nèi)腔體積變化分別由壓力傳感器和位移傳感器測量,并由動態(tài)數(shù)據(jù)采集器記錄.加載機由路面強度材料測試儀改裝,最大荷載10 kN ,加載速率為50 mm/min,由于加載速率較高,整個系統(tǒng)未設(shè)置恒溫箱.

2 試驗驗證

2.1 試樣制備

本次試驗采用靜壓法成型試件,實際應(yīng)用中可從輪碾機成型的板塊試件上用鉆心機鉆取試樣,或者采用旋轉(zhuǎn)擊實或大型馬歇爾擊實成型試件后,鉆取試樣并切割成型.也可從施工現(xiàn)場鉆取試樣后修整成型.

2.2 試驗驗證

考慮到該設(shè)備的特點,為檢驗該設(shè)備是否能在測試過程中充分反映材料均勻性的影響,分別采用重塑黃土和AC-13 瀝青混凝土試件了驗證.具體如下.

1)選用西安黃土,最佳含水量ω=13.0%,最大干密度ρdmax=1.80 g/cm3.設(shè)計了一套模具和脫模裝置,采用壓實法成型.制成的試件尺寸為內(nèi)半徑a=25 mm,外半徑b=75 mm ,高h(yuǎn)=50 mm.根據(jù)公路路基的特點和填筑要求,本試驗中土樣壓實度采用90%,93%,98%,100%4 種.各級壓實度下初始含水量又分別采用8.6%,10.3%,13.1%,15.4%4 種,各種情況下做5 個平行試件,測試結(jié)果與文獻(xiàn)[10]中結(jié)果類似.通過多元回歸分析,可得出抗拉強度與含水量和干密度的關(guān)系式:

對試驗中試件的破壞形式進行了統(tǒng)計.統(tǒng)計結(jié)果表明:對于近似均勻的重塑黃土試件,絕大多數(shù)試件為均勻斷裂形式破壞,試件典型破壞形式如圖3a)所示.

2)選用石灰?guī)r集料,采用AC-13 級配中值.為和壓實黃土試件對比,采用了相同的模具和脫模裝置,采用壓實法成型.制成的試件尺寸為內(nèi)半徑a=25 mm,外半徑b=75 mm,高h(yuǎn)=50 mm.每個試件采用1678 克集料,油石比分別采用3.5%,4.5%,5.5%,每種油石比下做6 個平行試件,測試溫度15 ℃.在相同試驗條件下,采用相同密度利用劈裂試驗進行了對比,測試結(jié)果如表1所列.試驗中試件的破壞形式進行了統(tǒng)計.統(tǒng)計結(jié)果表明:由于試件內(nèi)部的不均勻性,絕大多數(shù)試件為單一斷裂形式破壞,典型破壞形式如圖3 b)所示.

圖3 黃土試件和瀝青混凝土試件典型破壞形式

表1 間接拉伸強度對比

3 結(jié) 論

1)所設(shè)計的間接抗拉強度測定裝置,測試的力學(xué)結(jié)果與傳統(tǒng)方法的測定結(jié)果基本吻合.

2)試件設(shè)計成圓環(huán)形,試件內(nèi)壁在均布水壓力作用下,試件沿半徑方向在試件內(nèi)壁各點產(chǎn)生相同的最大拉應(yīng)力;在拉應(yīng)力作用下,根據(jù)試樣本身的不均勻性會在試件最薄弱處產(chǎn)生破裂面.斷裂形式統(tǒng)計結(jié)果初步表明:所設(shè)計的間接抗拉強度測定裝置,可以較好地反映非均勻性對試件破壞的影響.

3)采用中空環(huán)形試件,有利于C T 射線穿透,接合CT 技術(shù)和數(shù)字圖像技術(shù),為今后研究瀝青混凝土非均勻性對間接拉伸強度的影響奠定了基礎(chǔ).

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