瀝青混合料抗剪強(qiáng)度參數(shù)確定的純扭純壓試驗方法

李玉華, 白云峰

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部, 遼寧 大連　116023)

李玉華, 白云峰

(大連理工大學(xué) 建設(shè)工程學(xué)部, 遼寧 大連116023)

摘要:基于摩爾-庫倫強(qiáng)度理論采用一種新的試驗設(shè)備和方法來評價瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度.這種試驗設(shè)備通過在瀝青混合料試件兩端施加純扭矩使其發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞,能實現(xiàn)瀝青混合料在近似純剪切應(yīng)力狀態(tài)下的破壞.采用這種純扭試驗和單軸壓縮試驗來得到瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度參數(shù).

關(guān)鍵詞:瀝青混合料; 抗剪強(qiáng)度; 純扭試驗; 單軸壓縮試驗

公路所承受的力主要是來自車輛載荷的重復(fù)作用,當(dāng)車輛在正常行駛、變速、起步、制動及非線性行駛時,都會對路面產(chǎn)生相應(yīng)的水平力作用,這部分水平力作用對道路的影響主要體現(xiàn)在和輪胎直接接觸的路面部分.瀝青混合料面層由于水平力作用的存在,會在內(nèi)部產(chǎn)生較強(qiáng)的剪應(yīng)力,當(dāng)高溫條件下路面結(jié)構(gòu)抗剪強(qiáng)度不足時,就可能造成路面結(jié)構(gòu)的剪切破壞,一般會在路表面以推移、波浪、擁包、車轍等形式表現(xiàn)出來.1982年在我國交通部公路局“公路柔性路面抗彎拉、抗剪切指標(biāo)科研成果評議會”上引入了抗剪切指標(biāo)的概念.我國現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中采用三軸壓縮試驗來得到抗剪強(qiáng)度參數(shù),但存在試驗設(shè)備造價高、試驗方法不統(tǒng)一等問題.本文采用一種創(chuàng)新的純扭矩加載的試驗方法來研究瀝青混合料的高溫抗剪強(qiáng)度問題.

1瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度

瀝青混合料是以瀝青為膠結(jié)材料,以石料和礦粉等按特定比例經(jīng)過拌合壓實形成的材料.不同于金屬類均質(zhì)材料和水泥混凝土等水凝性材料,瀝青混合料具有明顯的顆粒特征,屬于相對比較松散的材料,也正因如此,它有獨特的結(jié)構(gòu)形式和力學(xué)特性.經(jīng)過多年來對瀝青混合料強(qiáng)度的分析研究,目前普遍認(rèn)為摩爾-庫倫理論模型比較符合瀝青混合料的強(qiáng)度構(gòu)成特性.瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度摩爾-庫倫表達(dá)式如下[1]:

式中:τ為瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度;c為瀝青膠結(jié)料的黏結(jié)力;σ為載荷產(chǎn)生的正應(yīng)力;φ為礦物集料顆粒之間的內(nèi)摩阻角.

從式(1)中可見, 摩爾-庫倫理論公式包含兩個強(qiáng)度參數(shù)----黏結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ, 這兩個參數(shù)直接反映了瀝青混合料的強(qiáng)度構(gòu)成, 也就是兩個方面的強(qiáng)度來源: 瀝青本身的黏結(jié)力和各種集料之間的內(nèi)摩阻力. 也就是說, 若要提高瀝青路面面層的抗剪強(qiáng)度, 就必須從瀝青和集料的性質(zhì)兩方面著手. 但是目前關(guān)于瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度參數(shù)黏結(jié)力c、內(nèi)摩擦角φ的確定上仍存在不足之處, 或?qū)嶒灢僮鲝?fù)雜、試驗設(shè)備昂貴不便推廣, 或試驗不容易操作、結(jié)果精度難以保證.

2瀝青混合料的純扭試驗

我國現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中采用三軸壓縮法進(jìn)行瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度試驗得到抗剪強(qiáng)度參數(shù).目前國內(nèi)各種新型三軸儀迅速發(fā)展,但基本上價格高昂較難推廣,并且國內(nèi)外大量研究成果表明,如今采用三軸壓縮試驗測定瀝青混合料抗剪強(qiáng)度也還沒有形成統(tǒng)一的試驗方法.另外,如瀝青混合料的直剪試驗破壞面屬于人為固定,并且破壞面面積是不斷變化的,只能粗略描述瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度.國內(nèi)學(xué)者孫立軍、畢玉峰[2]等開發(fā)了一種與土力學(xué)中CBR試驗方法類似的瀝青混合料單軸貫入試驗,試圖以此來模擬瀝青混凝土路面面層中產(chǎn)生的剪力,評價瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度.本文采用一種創(chuàng)新的試驗方法,其加載方式是在棱柱體瀝青混合料試件兩端施加純扭矩,使其發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形破壞,實現(xiàn)了瀝青混合料在近似于純剪切應(yīng)力狀態(tài)下的破壞,此簡單受力狀態(tài)在摩爾-庫倫理論的應(yīng)用上是非常方便的,適合用于評價瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度.這就提供了一種新的研究瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的試驗方法,再配合簡單的單軸壓縮試驗就可以得到瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度參數(shù).

2.1試驗設(shè)備

整套純扭試驗裝置主要包含4個部分:安裝平臺、扭矩加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和計算機(jī)控制系統(tǒng).試驗安裝平臺用于集成組裝扭矩加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),即扭矩加載電機(jī)和位移扭矩傳感器等都安裝固定在平臺基座上,以保證實驗過程中整個設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定性;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過拉線式位移計和扭矩儀分別測量試驗中實時的扭轉(zhuǎn)變形和扭矩力;計算機(jī)控制系統(tǒng)指的是基于本實驗裝置專門開發(fā)的軟件控制系統(tǒng),可以通過軟件命令的形式來實現(xiàn)伺服電機(jī)的啟動、停止和工作頻率設(shè)定,對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動存儲和分析處理,并繪制力-位移曲線圖.扭轉(zhuǎn)加載試驗裝置和組成結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示.

圖1　瀝青混合料純扭試驗儀

2.2試驗方法

2.2.1試驗準(zhǔn)備

(1) 自由扭轉(zhuǎn)長度.本試驗采用正方形截面的棱柱體瀝青混合料試件,由輪碾法壓實成型的車轍試件經(jīng)切割獲得.為便于后期分析計算,加上車轍試件本身的尺寸限制,截面尺寸為40mm×40mm,為了確定一個合適的自由扭轉(zhuǎn)長度,選取SMA10、SMA13、SMA16和AC16共四種瀝青混合料在不同自由扭轉(zhuǎn)長度下進(jìn)行破壞試驗,現(xiàn)僅將SMA13瀝青混合料的試驗數(shù)據(jù)列于表1作為示例.

圖2　瀝青混合料扭轉(zhuǎn)剪切試驗裝置示意圖

表1　　SMA13瀝青混合料試件60 ℃時不同自由扭轉(zhuǎn)

通過數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn),瀝青混合料純扭試驗的最大扭矩值與自由扭轉(zhuǎn)長度有關(guān), 總體上隨著自由扭轉(zhuǎn)長度的增加,最大扭矩值變小; 當(dāng)自由扭轉(zhuǎn)長度超過3倍瀝青混合料的最大標(biāo)稱粒徑時, 最大扭矩值趨于穩(wěn)定. 這是由于扭轉(zhuǎn)長度過小時瀝青混合料內(nèi)部的大粒徑集料會卡在夾具之間發(fā)生嵌擠, 破壞面傾斜擴(kuò)展, 造成實測扭矩偏大. 本文所用瀝青混合料最大標(biāo)稱粒徑為16 mm, 故統(tǒng)一選取50 mm的自由扭轉(zhuǎn)長度是比較合適的. 安裝好的瀝青混合料試件和夾具如圖3所示.

圖3　瀝青混合料試件夾具

(2) 試驗基本參數(shù).本試驗的扭轉(zhuǎn)加載角速度取0.2 rad/s,在試驗正式開始前,首先啟動恒溫水箱,設(shè)定實驗要求的溫度60 ℃,待水溫恒定達(dá)到60 ℃后將要進(jìn)行扭轉(zhuǎn)破壞的瀝青混合料試件置于水中保溫,保溫時試件之間間隔大于10 mm,水表面高于試件頂端大于20 mm,試件保溫時長應(yīng)在1 h以上.

2.2.2試驗過程

當(dāng)試驗前期準(zhǔn)備工作都完成后,就可以正式進(jìn)行瀝青混合料試件的純扭破壞試驗.將保溫好的瀝青混合料試件連同配套夾具立即從恒溫水箱中取出,放置于夾具托盤上,然后將扭矩加載軸和傳遞軸分別卡入兩端夾具的凹槽內(nèi)緊密連接,保證瀝青混合料試件的縱向軸線與扭矩加載軸和傳遞軸在同一條直線上.試件和夾具安裝完畢后立即在計算機(jī)控制面板上啟動伺服電機(jī),開始轉(zhuǎn)動對試件進(jìn)行加載直到破壞.為保證瀝青混合料試件的溫度符合試驗要求溫度,要求從試件拿出恒溫水箱開始到扭轉(zhuǎn)變形破壞試驗結(jié)束控制在45 s以內(nèi)[3].在試驗進(jìn)行的同時,計算機(jī)控制系統(tǒng)可以實時監(jiān)控并對拉線式位移計、扭矩編碼器和頻率控制器的動態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和編輯計算,也可以根據(jù)這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形繪制等高級操作.在瀝青混合料試件扭轉(zhuǎn)破壞后取出試件和夾具,試驗結(jié)束,可以進(jìn)行下一個試件的扭轉(zhuǎn)試驗.

3扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分析

本文采用的純扭試驗方法是對正方形截面的瀝青混合料試件兩端施加純扭矩作用,試驗溫度為60 ℃,假設(shè)這一溫度下的瀝青混合料近似于一種彈性-理想塑性材料.正方形截面的試件在扭轉(zhuǎn)時橫截面會發(fā)生翹曲,相鄰橫截面上的翹曲程度也不一樣,橫截面上會產(chǎn)生附加正應(yīng)力.這種附加正應(yīng)力對薄壁型桿件影響較大[4],在實體截面桿件中很小,一般忽略不計.這樣就可以近似應(yīng)用彈性-理想塑性扭轉(zhuǎn)理論,假設(shè)達(dá)到扭矩最大值時,瀝青混合料試件截面各點的切應(yīng)力都達(dá)到剪切屈服極限τs,如圖4所示.

圖4　正方形截面剪應(yīng)力

全截面的切應(yīng)力都達(dá)到剪切屈服極限τs對應(yīng)的是試件扭轉(zhuǎn)條件下的極限狀態(tài),這時對應(yīng)的扭矩Tu就是截面能承擔(dān)的極限扭矩.極限扭矩可以表示為

本文扭轉(zhuǎn)試驗采用的瀝青混合料試件橫截面尺寸為40 mm×40 mm,根據(jù)試件破壞前截面合力扭矩與試驗最大扭矩Tu相等的關(guān)系,在原點和矩形截面形心重合的極坐標(biāo)系下推導(dǎo)可以得到τs.推導(dǎo)過程如下:

Tu=∫AρτsdA =∫Aρτs·ρdρdφ=

這樣就可以得到瀝青混合料純扭破壞前截面的最大剪應(yīng)力

在純扭矩力作用下的瀝青混合料試件可以近似認(rèn)為處于純剪切應(yīng)力狀態(tài),這種簡單應(yīng)力狀態(tài)的應(yīng)力圓圓心與坐標(biāo)原點重合;再結(jié)合瀝青混合料試件的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗,得到壓縮破壞應(yīng)力圓.單軸壓縮試驗方法參照我國現(xiàn)行《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》中規(guī)定的棱柱體法瀝青混合料單軸壓縮試驗.由摩爾-庫倫破壞準(zhǔn)則可以知道,這兩個應(yīng)力圓的公切線就是瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線,并且得到公切線后就可以求得瀝青混合料的黏結(jié)力c和內(nèi)摩擦角φ這兩個抗剪強(qiáng)度指標(biāo).這兩種試驗在摩爾-庫倫平面上的理論關(guān)系如圖5所示.

圖5　兩種試驗的摩爾圓

4試驗結(jié)果分析

本文主要研究瀝青混合料的抗剪性能,為了保證試驗的代表性,選取了不同結(jié)構(gòu)類型和不同種類的瀝青混合料進(jìn)行破壞試驗.其中包括懸浮密實結(jié)構(gòu)連續(xù)級配的AC16、AR-AC10和骨架密實結(jié)構(gòu)間斷級配的SMA16、SMA13、SMA10共五種瀝青混合料.其中連續(xù)級配的AC16瀝青混合料分別采用90號基質(zhì)瀝青, AR-AC10采用橡膠瀝青,間斷級配的SMA混合料采用SBS改性瀝青.為了保證試驗結(jié)果的可靠性和便于進(jìn)行數(shù)據(jù)離散程度的分析,每種試驗的每種瀝青混合料至少做3次平行試驗.

試件編號以T表示扭轉(zhuǎn)破壞試件,P表示壓縮破壞試件,例如AC16-T1表示類型為AC16的瀝青混合料扭轉(zhuǎn)破壞1號試件.下面按每種試驗不同種類瀝青混合料分別列出其典型的力-位移關(guān)系曲線圖.

4.1純扭破壞試驗

以AC16和AR-AC10瀝青混合料為例,其純扭破壞試驗的扭矩-位移曲線(同條件的3個試樣)分別如圖6和圖7所示.

圖6　AC16瀝青混合料扭轉(zhuǎn)破壞

圖7　AR-AC10瀝青混合料扭轉(zhuǎn)破壞

圖6和圖7的橫坐標(biāo)表示的是拉線式位移計測得的加載軸線位移,除以加載軸的半徑可以得到扭轉(zhuǎn)變形的角位移.可以看出,每種瀝青混合料扭轉(zhuǎn)的力-位移曲線形態(tài)類似,扭矩峰值也是比較穩(wěn)定的.這里近似認(rèn)為瀝青混合料破壞面保持為平面,破壞前平面上任意點都達(dá)到一個屈服應(yīng)力τs.這樣根據(jù)之前的分析,由式3可以得到和最大扭矩對應(yīng)的最大切應(yīng)力τs,其值列于表2中.

表2　60 ℃瀝青混合料扭轉(zhuǎn)破壞試驗結(jié)果

續(xù)表2

試件編號尺寸/mm扭轉(zhuǎn)長度/mm最大扭矩值/(N·m)最大切應(yīng)力/kPaSMA16-T140.240.0501.9780.5SMA16-T240.339.9502.3093.9SMA16-T340.338.6502.45100.1AR-AC10-T140.139.8505.07207.1AR-AC10-T240.439.6504.84197.7AR-AC10-T340.939.1505.28215.6

4.2單軸壓縮破壞試驗

同樣以AC16和AR-AC10瀝青混合料為例,其單軸壓縮破壞試驗的扭矩-位移曲線(同條件的3個試樣)分別如圖8和圖9所示.

圖8　AC16瀝青混合壓縮破壞

由圖8和圖9可以發(fā)現(xiàn),在加載初期瀝青混合料的力-位移關(guān)系表現(xiàn)為比例關(guān)系,呈現(xiàn)出彈性特征.當(dāng)達(dá)到峰值壓力后,瀝青混合料的變形迅速發(fā)展,開始產(chǎn)生大量的塑性變形直到破壞.從圖中還可以看出,每種瀝青混合料的壓力峰值是比較穩(wěn)定的.根據(jù)最大壓力值和試件的橫截面尺寸可以得到試件內(nèi)部的最大壓應(yīng)力,其數(shù)據(jù)列于表3中.

表3　60 ℃瀝青混合料壓縮破壞試驗結(jié)果

4.3試驗結(jié)果分析

前面已經(jīng)列出每種試驗每種瀝青混合料的試驗結(jié)果數(shù)據(jù),現(xiàn)將每種瀝青混合料不同試驗得到的最大應(yīng)力均值列于表4中.

設(shè)瀝青混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為P,純扭抗剪強(qiáng)度為T;則有P=σ1,T=τs.這樣利用圖解就可以得到瀝青混合料抗剪強(qiáng)度參數(shù).現(xiàn)將根據(jù)瀝青混合料的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度P和純扭抗剪強(qiáng)度T得到的c和φ值列于表5中.

表4　瀝青混合料試驗結(jié)果

表5　瀝青混合料抗剪強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果

在高溫條件下瀝青混合料的力學(xué)性質(zhì)變得更加復(fù)雜,此時抗剪強(qiáng)度理論的應(yīng)用常為半經(jīng)驗半理論狀態(tài),本文試驗結(jié)果可以通過其他更精確的瀝青混合料抗剪強(qiáng)度試驗進(jìn)行驗證.

5結(jié)論

(1) 瀝青混合料的純扭破壞試驗,試件制作時應(yīng)根據(jù)集料的標(biāo)稱粒徑考慮自由扭轉(zhuǎn)長度.試驗結(jié)果表明,當(dāng)自由扭轉(zhuǎn)長度超過三倍瀝青混合料的最大標(biāo)稱粒徑時,剪切破壞面比較穩(wěn)定,實測扭矩值也比較合理.

(2) 瀝青混合料純扭破壞試驗操作簡單、理論明確,得到的數(shù)據(jù)結(jié)果比較穩(wěn)定,力-位移曲線形態(tài)接近;配合單軸壓縮破壞試驗強(qiáng)度結(jié)果可以得到瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度參數(shù),評價瀝青混合料的抗剪性能.

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【責(zé)任編輯: 祝穎】

(LIU H W. Advanced material mechanics[M]. Beijing: Higher Education Press, 1985:360-364.)

Pure Torsion-Compression Test Methodon Shear Strength Parameters of Asphalt Mixture

LiYuhua,BaiYunfeng

(Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)

Abstract:A new test equipment and method are used to evaluate the shear strength of asphalt mixture based on Mohr-Coulomb strength theory. Asphalt mixture has torsion failure under pure torque applied on both ends of the specimen by the test equipment, to achieve the asphalt mixture failure under the approximate state of pure shear stress. The shear strength parameters of asphalt mixture are got by using pure torsion test and uniaxial compression test.

Key words:asphalt mixture; shear strength; pure torsion test; uniaxial compression test

中圖分類號:TU 575

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:2095-5456(2015)06-0483-06

作者簡介:李玉華(1971-),男,遼寧大連人,大連理工大學(xué)副教授,博士.

收稿日期:2015-07-10