應力吸收層貫入試驗數(shù)值分析與試驗方法評價

周 燕，李美東，苑瑞星，陳拴發(fā)

(1.天津城市建設學院土木工程系，天津300384;2.霍尼韋爾綜合科技(中國)有限公司，上海201203;3.長安大學材料科學與工程學院，陜西西安710061)

0 引言

應力吸收層瀝青混合料因具有低彈性模量、高韌性、材料密實、良好的彈性恢復性能、優(yōu)良的抗疲勞性能等特點，可以緩解裂縫尖端的應力集中、延緩或抑制反射裂縫的發(fā)展［1-4］，延長瀝青混凝土罩面層的服務壽命［5-7］.由于應力吸收層位于接縫(或裂縫)端部，夏季高溫時，在荷載作用下也會受到較大的剪應力作用，因此研究應力吸收層瀝青混合料的抗剪性能，保證其上罩面層不出現(xiàn)車轍等破壞具有重要的現(xiàn)實意義.許多文獻［8-10］提出了瀝青混合料的抗剪試驗方法，但試驗復雜，數(shù)據(jù)處理困難.應力吸收層瀝青混合料，由于集料細、瀝青用量大、對溫度變化敏感等原因，相關的抗剪試驗方法還處于摸索階段.鑒于此，筆者采用貫入試驗來模擬裂縫尖端應力吸收層的受力狀態(tài)，研究試件規(guī)格、壓頭大小、礦料級配等對試驗結(jié)果的影響，討論應力吸收層瀝青混合料貫入試驗的可行性及適宜的試驗條件.

1 試驗方法

1.1 抗壓回彈模量

抗壓回彈模量反映了材料的彈性變形和彈性滯后變形.為滿足計算及路面設計要求，首先確定應力吸收層瀝青混合料的抗壓回彈模量.試驗采用單軸壓縮試驗方法，加載速率均采用2 mm/min，圓柱體試件的直徑為100 mm，高為100 mm，在設計級配的最佳瀝青用量下，分別測試了5，15，20，45，60 ℃ 溫度下的抗壓回彈模量，試驗結(jié)果如表1所示.

隨溫度的升高，試件抗壓回彈模量減小;在各溫度條件下，應力吸收層混合料抗壓回彈模量較一般瀝青混合料小.如15℃條件下，普通細粒式密級配瀝青混合料抗壓回彈模量約為2 000 MPa［11］，應力吸收層混合料抗壓回彈模量僅為527.4 MPa，約為普通瀝青混合料的0.26倍.表1為貫入試驗的數(shù)值模擬提供了試驗依據(jù).

1.2 貫入試驗

貫入試驗是通過一個鋼壓頭在試件上加壓，模擬裂縫尖端應力吸收層的受力狀態(tài)，試驗方法如圖1所示.

加載鋼壓頭的直徑應遠小于試件的直徑，用r/R表示壓頭和試件直徑的比例.從路面的實際受力角度，r/R越小越可以模擬應力吸收層的實際受力狀態(tài)，但是壓頭太小試驗數(shù)據(jù)會出現(xiàn)較大的變異性，同時壓頭的大小還受集料尺寸的影響.應力吸收層瀝青混合料最大公稱粒徑為4.75 mm，所以壓頭的直徑不可過大.選擇4倍于最大公稱粒徑的壓頭直徑19 mm和6倍于最大公稱粒徑的壓頭直徑28.5 mm進行ANSYS計算分析.同時，為了試驗操作方便，選擇靜壓圓柱形試件直徑和高均為100 mm和馬歇爾試件(100 mm×63.5 mm)進行試驗的數(shù)值模擬，計算荷載為實際試件的破壞力.抗壓回彈模量取500 MPa，泊松比取0.25.

表1 抗壓回彈模量試驗結(jié)果Tab.1 Compression rebound modulus test results

圖1 貫入試驗方法Fig.1 Penetration test

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 圓柱形試件與Φ28.5 mm壓頭

直徑和高均為100 mm的圓柱形試件在直徑為28.5 mm的壓頭作用下，各主應力及剪應力沿試件表面分布的路徑圖如圖2～3所示.

第一主應力、第三主應力在壓頭范圍內(nèi)最大，第三主應力約為第一主應力的1.4倍.各主應力最大值在試件中心處，剪應力最大值出現(xiàn)在壓頭邊緣處.無論是第一主應力、第三主應力還是剪應力，在試件外邊緣處應力均達到最小值，第一主應力約為最大值的0.1倍，第三主應力約為最大值的0.005倍，但剪應力約為最大值的0.3倍，說明試件直徑為100 mm時，直徑28.5 mm的壓頭偏大，試件不能滿足橫向支撐.

為研究試件高度是否滿足應力分布的范圍，圖4～5給出了各應力沿試件縱向的分布路徑圖.其中，第一主應力和第三主應力取試件的中心處，而剪應力取壓頭邊緣最大剪應力處.

可以看出，各主應力在距離表面70 mm左右達到穩(wěn)定值，剪應力在距離表面60 mm左右收斂，可見在直徑28.5 mm的壓頭作用下，試件高度可滿足應力的縱向分布.

2.2 直徑和高均為100 mm的圓柱形試件與Φ19 mm壓頭實驗研究

圖6為剪應力俯視云圖，圖7為第三主應力豎向分布云圖.試件表面邊緣處的第三主應力約為中心處最大值的0.1倍，試件表面邊緣處的剪應力約為壓頭邊緣處最大值的0.1倍，可見Φ100 mm的試件足以滿足各作用力的橫向分布.由圖7可以看出，試件底部邊緣第三主應力約為最大值的0.1倍，可見高度100 mm足以提供縱向支撐.

圖6 剪應力俯視云圖Fig.6 Top view of shear stress

圖7 第三主應力豎向分布云圖Fig.7 Vertical dispersion of the third principal stress

2.3 100 mm×63.5 mm圓柱形試件與Φ28.5 mm壓頭實驗研究

由以上研究可以看出，橫向主要考慮剪應力是否超出試件直徑范圍;縱向主要考慮第三主應力是否超出試件的高度范圍，所以對100 mm×63.5 mm圓柱形試件僅列出剪應力橫向分布云圖與第三主應力沿試件中心縱向的分布云圖，分別如圖8、9所示.

圖8 剪應力俯視云圖Fig.8 Top view of shear stress

由圖8和圖9可以看出，試件邊緣處剪應力為壓頭邊緣最大剪應力的0.1倍，滿足橫向支撐;縱向底部邊緣第三主應力約為最大主應力的0.2倍，高度不滿足縱向的支撐.

2.4 100 mm×63.5 mm圓柱形試件與Φ19 mm壓頭實驗研究

100 mm×63.5 mm圓柱形試件在Φ19 mm壓頭作用下剪應力橫向分布云圖與第三主應力沿試件中心縱向的分布云圖分別如圖10、11所示.

由圖8、9可以看出，試件邊緣處剪應力仍為壓頭邊緣最大剪應力的0.1倍;縱向底部邊緣處第三主應力約為最大主應力的0.1倍;說明在Φ19 mm壓頭作用下高度為63.5 mm的試件完全滿足縱向支撐.

綜上所述，在Φ19 mm壓頭的作用下，兩種試件均可滿足橫向和縱向的支撐;在Φ28.5 mm壓頭的作用下，馬歇爾試件不滿足縱向支撐，圓柱形試件不滿足橫向支撐.

另外，由于應力吸收層瀝青混合料最大粒徑偏小，在馬歇爾擊實儀作用下不可避免地存在粒徑被壓碎的情況，所以宜選擇靜壓法成型的直徑和高均為100 mm的圓柱形試件和Φ19 mm的壓頭進行試驗研究.

3 試驗方法評價

為了加強對比結(jié)果，選擇7種代表性改性瀝青，如:SBR改性、SBS改性、SAM改性、QP改性、GC改性、TPS改性以及STR改性瀝青，進行混合料貫入試驗.其中，試件采用第2節(jié)的圓柱形試件，壓頭直徑為19 mm.礦料級配對混合料的高溫抗剪能力有較大的影響，對設計級配、級配上限和級配下限分別進行7種改性瀝青的貫入試驗.3種級配、7種瀝青樣品下的貫入試驗破壞荷載如圖12所示:

圖12 級配類型對貫入破壞荷載的影響Fig.12 Effect of gradation type on penetration failure load

可以看出，在級配上限和級配下限時，混合料的破壞荷載明顯偏小.一方面說明設計的級配顆粒比較均勻，瀝青用量合理，混合料具有較好的內(nèi)摩阻力和粘聚力;另一方面也說明:在設計的圓柱形試件和壓頭作用下，貫入試驗方法可以較好地區(qū)分礦料級配的優(yōu)劣，數(shù)值模擬和實際試驗方法相吻合，圓柱形試件尺寸和壓頭尺寸選擇較為合理.

4 結(jié)論

(1)各溫度條件下，應力吸收層混合料抗壓回彈模量較一般瀝青混合料小，15℃條件下的抗壓回彈模量約為普通細粒式密級配瀝青混合料的0.26倍.

(2)計算分析表明，Φ19 mm壓頭和Φ28.5 mm壓頭分別作用在靜壓法成型的試件和馬歇爾試件上時，各主應力最大值出現(xiàn)在試件中心處，剪應力最大值出現(xiàn)在壓頭邊緣處.在Φ19 mm壓頭的作用下，馬歇爾試件和靜壓圓柱形試件均可滿足橫向和縱向支撐;在Φ28.5 mm壓頭的作用下，馬歇爾試件不滿足縱向支撐，靜壓圓柱形試件不滿足橫向支撐.應力吸收層瀝青混合料貫入試驗推薦采用Φ19 mm壓頭和靜壓法成型的高和直徑均為100 mm的圓柱形試件.

(3)用室內(nèi)試驗檢驗了設計圓柱形試件和壓頭對貫入試驗的可行性.結(jié)果表明:貫入試驗方法可以較好地區(qū)分礦料級配的優(yōu)劣，數(shù)值模擬和實際試驗方法相吻合，貫入試驗可用于應力吸收層瀝青混合料抗剪性能的評價.

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