瀝青混合料的強(qiáng)度

宋立群

(黑龍江省哈同高等級公路管理處)

為保證瀝青路面結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)正常工作，必須對其破壞機(jī)理進(jìn)行研究。作為路面結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次，瀝青混合料的破壞特性應(yīng)從多層體系受力的角度加以分析。瀝青路面面層處于三向應(yīng)力狀態(tài)，正應(yīng)力可以由正(拉應(yīng)力)變負(fù)(壓應(yīng)力)，各點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)不僅隨坐標(biāo)變動(dòng)，且隨車輪荷載的運(yùn)動(dòng)而變化。

對于黏彈性物體，雷納(Reiner)提出了與材料力學(xué)有所不同的破壞分類:(1)超過某一“強(qiáng)度”而引起的破壞;(2)超過某一“變形值”而引起的破壞;(3)超過某一“應(yīng)力松弛狀態(tài)”而引起的破壞。分析路面的實(shí)際損壞狀態(tài)后可以明顯看出瀝青混合料抵制破壞的強(qiáng)度主要有三個(gè)方面，即剪切強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度和臨界應(yīng)變。

1 剪切強(qiáng)度

瀝青混合料的剪切強(qiáng)度是一項(xiàng)重要的強(qiáng)度指標(biāo)，瀝青路面的推移、擁包、車轍等都是剪切變形的結(jié)果，由于摩爾－庫侖公式反映了瀝青混合料的強(qiáng)度與混合料內(nèi)部的黏結(jié)力和摩阻力之間的直接聯(lián)系，有利于材料的組成設(shè)計(jì)。但是，由于瀝青混合料在高溫情況下力學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜，常使抗剪強(qiáng)度理論的應(yīng)用處于半理論、半經(jīng)驗(yàn)的狀態(tài)。

一般根據(jù)瀝青結(jié)構(gòu)層的三向應(yīng)力狀態(tài)，采用三軸試驗(yàn)方法，認(rèn)為材料的剪切強(qiáng)度(τ)的特性符合摩爾－庫侖公式

τ=c+σtanφ

不同試驗(yàn)方法，取值不同，黏結(jié)力(C)與摩阻角φ的數(shù)值也不同，但是數(shù)值的絕對值相差并不多。

同樣的物體，在三軸應(yīng)力狀態(tài)下，隨σ3的增大，材料由脆性破壞過渡為塑性破壞，呈現(xiàn)出不同的力學(xué)特性(見圖1)，存在一個(gè)脆性過渡到塑性的破壞臨界值，臨界值的大小與材料的強(qiáng)度有關(guān)。

2 斷裂強(qiáng)度

斷裂強(qiáng)度主要用于分析隨氣溫下降時(shí)瀝青面層收縮受阻而轉(zhuǎn)化為收縮應(yīng)力，當(dāng)收縮應(yīng)力超過極限強(qiáng)度時(shí)所造成的縮裂問題;也有用于分析車輛緊急制動(dòng)時(shí)，車輪后側(cè)路表受三軸應(yīng)力下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線的徑向拉應(yīng)力引起的拉裂問題。

瀝青混合料的斷裂強(qiáng)度，可由直接拉伸或間接拉伸(劈裂)試驗(yàn)確定。拉伸強(qiáng)度的規(guī)律與彎拉強(qiáng)度相似，但數(shù)值偏小。由于直接拉伸試驗(yàn)易于偏心，會(huì)對數(shù)值較小的拉伸強(qiáng)度產(chǎn)生較大的誤差，因此開發(fā)了間接拉伸試驗(yàn)。直接拉伸采用長度為直徑或邊長的2.5～3倍的圓形或矩形截面的試件，間接拉伸采用高度只是直徑0.5倍的圓柱體試件，因之成型簡便，且可采用鉆孔取樣方法。間接拉伸試件在切向受拉應(yīng)力的同時(shí)徑向受壓，其受力狀態(tài)較之單向受拉的直接拉伸更接近于實(shí)際路面結(jié)構(gòu)。隨著側(cè)向性移量測精度的提高，間接拉伸法應(yīng)用范圍正在擴(kuò)大。

瀝青混合料的斷裂強(qiáng)度，同樣是溫度和加荷速率的函數(shù)，隨著溫度的下降和加載速率的增大而提高。當(dāng)溫度繼續(xù)下降時(shí)，強(qiáng)度反而略有下降，這是因?yàn)槔鞆?qiáng)度與溫度曲線存在一個(gè)峰值，其大小與加荷速率有關(guān)。

圖1 三軸應(yīng)力下的應(yīng)力－應(yīng)變曲線

對于密級配瀝青混合料，斷裂強(qiáng)度隨集料級配細(xì)度的增加而增大，且在某一最佳礦粉/瀝青比時(shí)斷裂強(qiáng)度最高。

3 臨界應(yīng)變

臨界應(yīng)變和強(qiáng)度一樣是材料組成結(jié)構(gòu)的特征值，并隨溫度和加荷時(shí)間而有規(guī)律的變化。彎曲試驗(yàn)時(shí)，瀝青混合料的臨界應(yīng)變值因溫度不同而在很大范圍內(nèi)變化。

具有重要意義的是，臨界應(yīng)變不僅在每一溫度與加載條件下有足夠靈敏度的變化，而且對應(yīng)每一破壞現(xiàn)象都有一個(gè)典型的數(shù)值。不論彎曲還是壓縮，在不同荷載速度下，瀝青砂在流動(dòng)破壞區(qū)的臨界應(yīng)變，有收斂于(6－10)×10－2左右的趨勢，而在脆性破壞區(qū)臨界應(yīng)變范圍更窄，約為(1－5)×10－3。

大量疲勞試驗(yàn)表明，當(dāng)疲勞壽命為102～107時(shí)，應(yīng)變水平相應(yīng)為10－3～10－5。滿足一般使用年限要求時(shí)，應(yīng)變水平約為10－4級。當(dāng)應(yīng)變水平＜10－5時(shí)，大致達(dá)到耐久極限應(yīng)變，即承受行車荷載重復(fù)作用而不至于產(chǎn)生疲勞破壞。

觀察表明，瀝青路面中產(chǎn)生的細(xì)微裂紋，由于連續(xù)行車的搓揉作用而彌合消失。此外，行車荷載下瀝青混合料存在微小的側(cè)向流動(dòng)，累積形成車轍而不一定產(chǎn)生裂縫，這里存在一個(gè)延伸極限，約為10－1。

綜上所述，對應(yīng)于不同的破壞現(xiàn)象存在一個(gè)臨界應(yīng)變典型的數(shù)值(見表1)。臨界應(yīng)變的這一特點(diǎn)對于路面結(jié)構(gòu)的評價(jià)、開裂現(xiàn)象的分析都有重要的意義。

表1 臨界應(yīng)變水平