基于第二主應(yīng)力的瀝青混合料強(qiáng)度試驗(yàn)研究

鎖利軍，王秉綱，鄭傳超

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064; 2.洛陽(yáng)理工學(xué)院 土木工程系，河南 洛陽(yáng) 471023)

基于第二主應(yīng)力的瀝青混合料強(qiáng)度試驗(yàn)研究

鎖利軍1,2，王秉綱1，鄭傳超1

(1.長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710064; 2.洛陽(yáng)理工學(xué)院 土木工程系，河南 洛陽(yáng) 471023)

瀝青混合料的強(qiáng)度理論與瀝青混合料試驗(yàn)方法都未考慮第二主應(yīng)力對(duì)瀝青混合料強(qiáng)度的影響.為了研究第二主應(yīng)力與瀝青混合料強(qiáng)度的關(guān)系，選定第二主應(yīng)力、試驗(yàn)溫度和加載速率三個(gè)因素進(jìn)行了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，據(jù)此完成了瀝青混合料強(qiáng)度試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明，正溫時(shí)有第二主應(yīng)力的瀝青混合料的強(qiáng)度明顯大于無(wú)第二主應(yīng)力的相應(yīng)結(jié)果，而在零度和負(fù)溫度時(shí)，有第二主應(yīng)力的瀝青混合料的強(qiáng)度與無(wú)第二主應(yīng)力的相應(yīng)結(jié)果相差不大.考慮各因素的交互作用，對(duì)給定顯著水平α=0.05的正交試驗(yàn)顯著性分析表明：溫度大于零度時(shí)，對(duì)瀝青混合料強(qiáng)度顯著性影響的強(qiáng)弱順序是第二主應(yīng)力、試驗(yàn)溫度和加載速率；在零度和負(fù)溫度時(shí)，對(duì)瀝青混合料強(qiáng)度顯著性影響的強(qiáng)弱順序是試驗(yàn)溫度、加載速率和第二主應(yīng)力.

道路工程；瀝青混合料；強(qiáng)度；第二主應(yīng)力；正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

0 引言

瀝青路面在使用過(guò)程中易產(chǎn)生高溫車(chē)轍和低溫裂縫病害，前者與瀝青混合料的高溫強(qiáng)度有關(guān)，后者與瀝青混合料的低溫強(qiáng)度有關(guān).實(shí)踐中，如何提高瀝青混合料的強(qiáng)度以減少瀝青路面的車(chē)轍和開(kāi)裂等病害，成為一個(gè)重要問(wèn)題.劉宇等[1]將半圓彎拉試驗(yàn)方法和間接拉伸試驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比，分析了半圓彎拉強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度的相關(guān)性.錢(qián)國(guó)平等[2]對(duì)不同加載速率下單軸壓縮、彎曲、直接拉伸和劈裂強(qiáng)度進(jìn)行試驗(yàn)研究.Hartman等[3]采用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法對(duì)瀝青混合料進(jìn)行疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)研究.Archilla等[4]通過(guò)強(qiáng)度試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立瀝青路面車(chē)轍計(jì)算模型.實(shí)踐中，Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論未考慮第二主應(yīng)力，測(cè)試瀝青混合料抗壓強(qiáng)度采用圓柱形馬歇爾試件抗壓試驗(yàn)或棱柱體試件單軸壓縮試驗(yàn)，都是無(wú)側(cè)限強(qiáng)度試驗(yàn).評(píng)價(jià)瀝青混合料剪切強(qiáng)度的閉式三軸試驗(yàn)對(duì)圓柱體試件施加的圍壓是第三主應(yīng)力.由此可知，現(xiàn)有研究成果、現(xiàn)行規(guī)范中瀝青混合料的試驗(yàn)方法均未涉及第二主應(yīng)力.因此，有必要考慮第二主應(yīng)力進(jìn)行瀝青混合料強(qiáng)度試驗(yàn)研究.筆者設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置，確定了試驗(yàn)條件，進(jìn)行了考慮各因素交互作用的正交試驗(yàn)研究，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了顯著性分析.

1 瀝青混合料與試驗(yàn)試件

1.1 瀝青混合料

瀝青混合料的類(lèi)型是AC-16，礦料的合成級(jí)配見(jiàn)表1.

表1 礦料的合成級(jí)配Tab.1 Gradation for aggregates %

1.2 試驗(yàn)試件

1.2.1 試件形狀

圖1反映兩種試件的受力狀態(tài).圓柱體試件側(cè)面的應(yīng)力為一個(gè)值.立方體試件的側(cè)面的應(yīng)力是兩個(gè)值，可以充分考慮第二主應(yīng)力變化對(duì)瀝青混合料強(qiáng)度的影響.因此，瀝青混合料試驗(yàn)中采用立方體試件.

圖1 兩種試件受力狀態(tài)Fig.1 Stress state for two specimens

1.2.2 試件尺寸

按照現(xiàn)行瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程，對(duì)于輪碾板塊試件，碾壓層厚度或?qū)挾炔恍∮诠Q(chēng)最大粒徑1～1.5倍，長(zhǎng)度不小于公稱(chēng)最大粒徑的4倍，試驗(yàn)中級(jí)配集料的公稱(chēng)最大粒徑為16 mm，所以試驗(yàn)采用邊長(zhǎng)50 mm的立方體試件.

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)溫度與加載速率

瀝青混合料的力學(xué)性能受加載速率、試驗(yàn)溫度的影響較大，綜合考慮國(guó)內(nèi)外瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程的要求，確定試驗(yàn)溫度25 ℃、15 ℃、0 ℃和-10 ℃；確定試驗(yàn)加載速率為5.08 mm/min 、2 mm/min和1 mm/min[5].

2.2 試驗(yàn)儀器

試驗(yàn)儀器包括SANS多功能壓力試驗(yàn)機(jī)和平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)裝置.平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)裝置通過(guò)鋼板和螺桿的作用來(lái)限制試件在側(cè)限方向上的變形.下面分析試驗(yàn)裝置能否達(dá)到平面應(yīng)變狀態(tài).

(1)

(2)

F1=F2;

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

σ22=v(σ11+σ33);

(9)

ε22=0.

(10)

假設(shè)試件在側(cè)限方向的位移Δl2與平面應(yīng)變裝置的軸向變形量Δl1相等，試件的應(yīng)變?yōu)槭?5).用廣義虎克定律表示試件的應(yīng)變?yōu)槭?6).

平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)裝置采用1 cm厚的鋼板，其模量E1遠(yuǎn)大于瀝青混合料的模量E22，所以式(8)可轉(zhuǎn)化為式(9).式(9)和式(10)表明，試驗(yàn)完全滿足平面應(yīng)變的條件.

2.3 試驗(yàn)步驟

首先以表1礦料合成級(jí)配為基礎(chǔ)，成型輪碾車(chē)轍板試件；第二步考慮試驗(yàn)試件的形狀，將車(chē)轍板試件切割為50 mm的立方體試件；接下來(lái)將試件放入溫度控制箱使試件的溫度滿足試驗(yàn)的要求；最后將試件放入試驗(yàn)裝置，在SANS多功能壓力試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試試件的強(qiáng)度值.

3 考慮交互作用的正交試驗(yàn)

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)選擇L8(27).試驗(yàn)因素水平見(jiàn)表2.試驗(yàn)表頭設(shè)計(jì)見(jiàn)表3.

表2 正交試驗(yàn)因素水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal test

表3 試驗(yàn)表頭設(shè)計(jì)Tab.3 Table design of orthogonal test

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

不同溫度時(shí)試驗(yàn)方差分析結(jié)果見(jiàn)表4，從表中可以看到，工況為正溫時(shí)，顯著水平α=5%時(shí)，第二主應(yīng)力的F值為340.742 1且遠(yuǎn)大于Fα(1,4)=7.71，這表明第二主應(yīng)力對(duì)瀝青混合料強(qiáng)度的影響最為顯著.試驗(yàn)溫度和加載速率的F值分別為41.429 1和24.465 55，也都大于Fα(1,4)=7.71，說(shuō)明溫度和加載速率對(duì)瀝青混合料的強(qiáng)度也有顯著性影響.工況為零度和負(fù)溫度時(shí)，考慮交互作用的正交試驗(yàn)方差分析結(jié)果顯示，對(duì)于給定顯著水平α=5%的Fα(1,4)=7.71,第二主應(yīng)力、溫度和加載速率對(duì)瀝青混合料的強(qiáng)度都有顯著影響，其影響的強(qiáng)弱順序?yàn)闇囟?、加載速率和第二主應(yīng)力.

水平隨機(jī)化處理后的試驗(yàn)方案和試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5.從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，考慮第二主應(yīng)力、不同溫度時(shí)瀝青混合料的力學(xué)強(qiáng)度存在較大的差異.正溫時(shí)有第二主應(yīng)力的瀝青混合料的強(qiáng)度明顯大于無(wú)第二主應(yīng)力的相應(yīng)結(jié)果，這說(shuō)明25 ℃、20 ℃、15 ℃時(shí)瀝青混合料的黏彈性與第二主應(yīng)力的作用共同影響著瀝青混合料的試驗(yàn)結(jié)果.而在零度和負(fù)溫度時(shí)，有第二主應(yīng)力的瀝青混合料的強(qiáng)度與無(wú)第二主應(yīng)力的相應(yīng)結(jié)果相差不大，原因是零度和負(fù)溫度時(shí)瀝青混合料的脆性增加，試驗(yàn)中從加載到試件破壞經(jīng)歷的時(shí)間短，導(dǎo)致試件側(cè)面與平面應(yīng)變裝置接觸時(shí)間短，第二主應(yīng)力未充分發(fā)揮作用瀝青混合料已經(jīng)破壞.

表4 試驗(yàn)方差分析Tab.4 Orthogonal test variance analysis

表5 試驗(yàn)方案與試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Orthogonal test plan and test results

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)裝置，并對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，結(jié)果表明：試驗(yàn)基本達(dá)到平面應(yīng)變的條件.確定試驗(yàn)采用邊長(zhǎng)50 mm的立方體試件.確定試驗(yàn)溫度25 ℃，15 ℃，0 ℃和-10 ℃；確定試驗(yàn)加載速率為5.08 mm/min，2 mm/min和1 mm/min.

(2 )考慮第二主應(yīng)力、加載溫度與加載速率3因素，進(jìn)行了正交試驗(yàn)設(shè)計(jì).試驗(yàn)結(jié)果表明，考慮第二主應(yīng)力、不同溫度時(shí)瀝青混合料的力學(xué)強(qiáng)度存在較大的差異.正溫時(shí)有第二主應(yīng)力的瀝青混合料的強(qiáng)度明顯大于無(wú)第二主應(yīng)力的相應(yīng)結(jié)果，而在零度和負(fù)溫度時(shí)，有、無(wú)第二主應(yīng)力對(duì)瀝青混合料的強(qiáng)度結(jié)果影響不大.

(3)考慮交互作用的試驗(yàn)方差分析結(jié)果表明，正溫度條件下，第二主應(yīng)力對(duì)瀝青混合料強(qiáng)度影響最為顯著，其次是溫度和加載速率.零度和負(fù)溫度條件下，溫度對(duì)瀝青混合料強(qiáng)度的影響最為顯著，加載速率對(duì)瀝青混合料強(qiáng)度的影響次之，第二主應(yīng)力對(duì)瀝青混合料的強(qiáng)度也有顯著影響，但在3因素中最弱.

[1] 劉宇, 張肖寧．瀝青混合料半圓彎拉強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度對(duì)比分析[J]. 公路交通技術(shù), 2011, 27(3): 34-39.

[2] 錢(qián)國(guó)平，劉宏富，鄭健龍，等．不同受力模式下瀝青混合料強(qiáng)度的速度特性試驗(yàn)研究[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2012, 43(2): 681-686.

[3] HARTMAN A M, GILCHRIST M D. Evaluating four-point bend fatigue of asphalt mix using image analysis[J]. Journal of Materials in Civil Engineering ,2004,16(1): 60-68．

[4] ARCHILLA A R, MEDANAT S. Development of asphalt pavement rutting model from experimental data[C]//79th Annual TBR Meeting.Washington D C: National Research Council,2000:425-445．

[5] JTG E20—2011公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S]．北京：人民交通出版社，2011.

[6] JTG D50—2006公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：人民交通出版社,2006.

[7] 劉紅瑛，葉松，譚發(fā)茂，等.大粒徑瀝青混合料級(jí)配離析測(cè)量和評(píng)價(jià)方法[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版,2014,35(2)：24-27．

[8] 鎖利軍,王秉綱.多孔混凝土基層縮縫處瀝青面層荷載應(yīng)力分析[J]. 鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2011，32 (5)：100-103．

Experiment on Strength of Asphalt Mixture Based on Second Principal Stress

SUO Li-jun1,2, WANG Bing-gang1, ZHENG chuan-chao1

(1.Key laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2.Civil Engineering Department, Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

Both strength theory of Mohr-Coulomb and testing methods, which are used to value strength of asphalt mixture in specification, do not include second principal stress. In order to study influence of second principal stress on strength of asphalt mixture, strength of asphalt mixture in different condition is tested on the base of orthogonal experimental design, which includes three factors, such as temperature, loading velocity and second principal stress. Experimental results show that strength of asphalt mixture with the second principal stress is obviously larger than the corresponding results without the second principal stress when it is positive temperature. However,there is a little difference in strength between asphalt mixture with second principal stress and one without second principal stress when it is negative temperature. The results also show that，for a given significant level, orthogonal experimental design significance analysis in positive temperature shows that second principal stress has the most obvious influence on strength of asphalt mixture, as followed by temperature and loading velocity. On the other hand，orthogonal experimental design significance analysis in negative temperature shows that temperature has the most obvious influence on strength of asphalt mixture, as followed by loading velocity and second principal stress.

road engineering；asphalt mixture；strength；second principal stress；orthogonal experimental design

2014-08-30；

2014-11-19

河南省科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目(102102310271)

鎖利軍(1975-)，男，河北徐水人，洛陽(yáng)理工學(xué)院副教授，博士，研究方向?yàn)槁访婀こ?，E-mail：lijunsuo@126.com.

1671-6833(2015)01-0079-04

U416.01

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.01.019