透水瀝青混凝土單軸沖擊壓縮特性研究

第一作者 吳金榮 女，博士生，副教授，1977年生

通信作者 馬芹永 男，博士，教授，1964年生

透水瀝青混凝土單軸沖擊壓縮特性研究

吳金榮，馬芹永

(安徽理工大學(xué) 礦山地下工程教育部工程研究中心，安徽 淮南232001)

摘要：為研究透水瀝青混凝土的動態(tài)力學(xué)特性，采用φ74 mm鋼質(zhì)分離式霍普金森壓桿裝置對不摻纖維和摻0.3%聚酯纖維的透水瀝青混凝土進(jìn)行了不同應(yīng)變率的單軸沖擊壓縮試驗。研究表明，透水瀝青混凝土具有明顯的應(yīng)變率效應(yīng)，試件壓縮率隨著應(yīng)變率的增大而提高，摻聚酯纖維透水瀝青混凝土的壓縮率是不摻纖維的1.2倍左右；透水瀝青混凝土的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可分為彈性變形階段、塑性變形階段和破壞階段。從試件的破壞形態(tài)可以看出，集料的斷裂是透水瀝青混凝土破壞的主要原因。在透水瀝青混凝土中摻加聚酯纖維能夠延緩裂縫的出現(xiàn)和開展，提高材料的沖擊抗壓強度，增幅最大為45.1%。

關(guān)鍵詞：透水瀝青混凝土；SHPB；聚酯纖維；應(yīng)變率；沖擊抗壓強度

基金項目：安徽省高校省級自然科學(xué)研究項目(KJ2013A082)

收稿日期：2014-07-18修改稿收到日期：2014-10-19

中圖分類號:O347.3文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Uniaxial impact compressive characteristics of permeable asphalt concrete

WUJin-rong,MAQin-yong(MOE Research Center of Mine Underground Engineering, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China)

Abstract:In order to investigate the dynamic characteristics of permeable asphalt concrete, a 74mm steel split Hopkinson pressure bar (SHPB) apparatus was used to conduct uniaxial impact compressive test with various strain rates for permeable asphalt concretes with polyester fiber content of 0 and 0.3%. The test results showed that there is a significant strain rate effect on permeable asphalt concrete and the specimen compression ratio increases with increase in strain rate; the specimen compression ratio of the permeable asphalt concrete with polyester fiber is about 1.2 times as large as that of the concrete without polyester fiber; the dynamic stress-strain curve of permeable asphalt concrete includes 3 stages of elastic deformation stage, plastic deformation one and failure one; observing the failure mode of permeable asphalt concrete, the aggregate fracture is considered as the main reason for permeable asphalt concrete failure; polyester fiber in permeable asphalt concrete can delay cracks appearing and spreading and improve dynamic compressive strength, the largest strength increase can reach 45.1%.

Key words: permeable asphalt concrete; SHPB; polyester fiber; strain rate; impact compressive strength

透水瀝青路面的空隙率為18%～25%，路表水可進(jìn)入路面橫向排出或滲入至路基內(nèi)部[1]，具有良好的排水性能，能夠迅速排除路表積水，提高雨天行車的安全性和舒適性。其粗集料高達(dá)80%，具有良好的抗滑性能。其較大的空隙率能夠吸收噪音，為低噪聲瀝青路面。因此，透水瀝青混凝土路面具有良好的使用性能，具有廣泛的應(yīng)用前景[2-4]。

路面設(shè)計一般按靜荷載進(jìn)行，但路面上的沖擊、撞擊作用對其影響更為嚴(yán)重，如重載車輛的剎車、機場跑道的飛機起降等沖擊荷載作用。在沖擊荷載的作用下，混凝土材料特性與其在靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)下的性能存在較大差異[5]，因此，對其動態(tài)力學(xué)特性的研究受到了廣泛的關(guān)注。目前，對于瀝青混凝土動態(tài)力學(xué)特性的研究主要集中于密級配瀝青混凝土。Tekalur等[6]采用分離式霍普金森壓桿(SHPB)及其改進(jìn)裝置，研究了瀝青混凝土的應(yīng)變率敏感性，認(rèn)為動態(tài)強度明顯高于靜態(tài)強度，動載條件下材料的破壞是由集料的破壞和結(jié)合料的失效共同引起的。劉海[7]認(rèn)為溫度和加載速率是影響瀝青混凝土動態(tài)力學(xué)特性的重要因素。曾夢瀾等[8]研究了普通瀝青混凝土、改性瀝青混凝土和纖維瀝青混凝土在不同溫度和不同應(yīng)變率下的沖擊性能。黃海龍等[9]研究了普通瀝青混凝土和橡膠瀝青混凝土在不同溫度、不同應(yīng)變率下的沖擊性能。透水瀝青混凝土的空隙率與密級配瀝青混凝土存在著明顯的區(qū)別，其動態(tài)力學(xué)特性規(guī)律差異較大，但對透水瀝青路面材料動態(tài)力學(xué)特性的相關(guān)研究較少。

以粗集料、細(xì)集料、礦粉、改性瀝青為基本原材料配制透水瀝青混凝土，研究不摻纖維和摻0.3%聚酯纖維的透水瀝青混凝土材料的動態(tài)力學(xué)特性。利用φ74 mm變截面鋼質(zhì)SHPB裝置對透水瀝青混凝土進(jìn)行不同應(yīng)變率的單軸沖擊壓縮試驗，研究應(yīng)變率對其單軸沖擊壓縮特性的影響及變化規(guī)律，為透水瀝青路面的推廣應(yīng)用提供試驗依據(jù)。

1試驗原理及試驗參數(shù)

1.1試驗原理

SHPB試驗是研究材料動力學(xué)特性的基本手段之一[10]，在導(dǎo)桿應(yīng)力波的脈寬作用范圍內(nèi)，對試件產(chǎn)生沖擊響應(yīng)，通過量測導(dǎo)桿中應(yīng)力波的變化來獲得材料的應(yīng)變率、應(yīng)變和應(yīng)力等動態(tài)力學(xué)特性參數(shù)。在SHPB試驗中，當(dāng)試件長徑比為0.5左右時，其慣性效應(yīng)和摩擦效應(yīng)較小[11]。因此，試件采用直徑為70 mm、高度為35 mm的圓柱體。撞擊桿、入射桿和透射桿的長度分別為600 mm、2 400 mm和2 000 mm。

1.2試驗參數(shù)

試驗采用細(xì)粒式PAC-13型透水瀝青混凝土，其集料級配見表1。填料為4%的石灰石磨細(xì)礦粉。瀝青為SBS改性瀝青，其針入度(25 ℃，100 g，5 s)為48.1(0.1 m)，延度(25 ℃，5 cm/min)為>100 cm，軟化點為81.5 ℃，25℃時的相對密度為1.043，瀝青用量為4.9%；摻0.3%聚酯纖維。同時以不摻纖維的透水瀝青混凝土作為對照組。將原材料按配合比設(shè)計要求攪拌后放入自制的鋼質(zhì)模具中，采用靜壓法成型，成型后放在室溫條件下養(yǎng)護(hù)24h脫模，采用體積法測定試件的空隙率，均在20%左右，滿足透水瀝青路面對空隙率的要求，然后進(jìn)行不同應(yīng)變率的沖擊壓縮試驗。

表1　集料級配

沖擊壓縮試驗采用φ74 mm鋼質(zhì)SHPB裝置。在SHPB沖擊壓縮試驗中，由于透水瀝青混凝土波阻抗相對較低，采用箔式應(yīng)變片采集到的透射信號輸出電壓峰值只有0.025 V，而采用半導(dǎo)體應(yīng)變片采集到的透射信號輸出電壓峰值為1.7 V，半導(dǎo)體應(yīng)變片采集的信號約是箔式應(yīng)變片的68倍，因此透射桿采用半導(dǎo)體應(yīng)變片采集微弱的透射波信號[12]，其靈敏系數(shù)k?110。兩種應(yīng)變片采集到的透射波形見圖1。入射桿采用箔式應(yīng)變片采集信號，其靈敏系數(shù)k約為2.08。

圖1　不同應(yīng)變片采集的透射波形對比圖 Fig.1 Transmission waves comparison by different strain gages

SHPB試驗是建立在應(yīng)力均勻性假設(shè)基礎(chǔ)上的，在試件加載過程中應(yīng)解決應(yīng)力均勻性問題。采用凡士林對入射脈沖進(jìn)行整形，并通過多次試打確定了凡士林的用量，整形前后入射脈沖信號對比見圖2。當(dāng)撞擊桿速度為11.62 m/s時，整形前入射脈沖前沿升時約為50 μs，波形存在明顯的震蕩；整形后入射脈沖前沿升時約為100 μs，波形平滑震蕩明顯減少，達(dá)到峰值后變化比較平緩。

圖2　整形前后入射脈沖對比圖 Fig.2 Incident pulse comparison before and after shaping

試驗時通過改變氣壓來獲得不同的應(yīng)變率，通過多次試打確定應(yīng)變率分別為80 s-1、90 s-1、100 s-1、120 s-1。在試件的兩端涂抹凡士林作為耦合劑，減少試件端面的摩擦效應(yīng)。

2SHPB沖擊壓縮試驗結(jié)果

沖擊抗壓強度是指瀝青混凝土材料在承受外界沖擊壓縮荷載時所能達(dá)到的最大應(yīng)力值，用來反映瀝青混凝土抵抗沖擊破壞的能力[13]。試驗時，每個應(yīng)變率下獲得2～3個有效數(shù)據(jù)，試驗結(jié)果見表2。

表2　SHPB沖擊壓縮試驗結(jié)果

注：“-”表示試件已碎裂。

由表2可以看出，透水瀝青混凝土的沖擊抗壓強度表現(xiàn)出較強的應(yīng)變率效應(yīng)。即無論透水瀝青混凝土中是否摻聚酯纖維，其沖擊抗壓強度均隨著應(yīng)變率的增大而提高，高應(yīng)變率下的透水瀝青混凝土沖擊抗壓強度比其低應(yīng)變率下的沖擊抗壓強度高。通過對試驗數(shù)據(jù)的分析建立沖擊抗壓強度與應(yīng)變率之間的擬合曲線如圖3所示。

圖3　沖擊抗壓強度與應(yīng)變率的擬合曲線 Fig.3 Fitting curve of impact compressive strength and strain rate

圖3中的擬合曲線方程分別為：

不摻纖維：

(1)

摻0.3%聚酯纖維：

(2)

由此可以看出，透水瀝青混凝土沖擊抗壓強度與應(yīng)變率之間服從冪函數(shù)關(guān)系，而且兩者的相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)可達(dá)0.929。

應(yīng)變率對透水瀝青混凝土動態(tài)力學(xué)特性的影響還體現(xiàn)在試件的破壞形態(tài)上。當(dāng)應(yīng)變率依次由80 s-1、90 s-1、100 s-1、120 s-1不斷增大時，透水瀝青混凝土試件出現(xiàn)了壓縮、裂縫、塊裂等破壞形態(tài)，并有少量試件出現(xiàn)了碎裂的破壞形態(tài)，如圖4所示。

圖4　透水瀝青混凝土破壞形態(tài) Fig.4 Failure mode of permeable asphalt concrete

沖擊壓縮試驗后，測量了未碎裂試件的壓縮率。壓縮率是指沖擊試驗前后透水瀝青混凝土試件的高度差與試件原高的比值，用百分?jǐn)?shù)表示，以此來衡量透水瀝青混凝土承受沖擊荷載的能力。從表2可知，當(dāng)纖維摻量相同時，隨著應(yīng)變率的增大，透水瀝青混凝土試件的壓縮率在不斷增大，表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率效應(yīng)。

根據(jù)試驗結(jié)果繪制透水瀝青混凝土在不同應(yīng)變率下的典型動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。

圖5　透水瀝青混凝土動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線 Fig.5 Dynamic stress-strain curve of permeable asphalt concrete

從透水瀝青混凝土典型的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以看出，其動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線可以分成彈性變形階段、塑性變形階段(空隙壓密階段)和破壞階段。以摻0.3%聚酯纖維、應(yīng)變率120.7s-1的曲線為例，見圖6，OA段為彈性變形階段，AB段為塑性變形階段，BC段為破壞階段。加載初期，由于施加的動荷載較小，透水瀝青混凝土的應(yīng)力與應(yīng)變近似線性規(guī)律，處于彈性變形階段。隨著動荷載的進(jìn)一步增加，透水瀝青混凝土逐漸由彈性表現(xiàn)為塑性。由于透水瀝青混凝土的空隙率較大，在動荷載作用下試件的空隙逐漸被排除，使試件逐漸被壓密，空隙率逐漸較小，表現(xiàn)出明顯的延性性質(zhì)。從圖6還可以看出，在彈性變形階段與塑性變形階段存在一個明顯的拐點，這個拐點是彈性變形階段與塑性變形階段的分界點，從加載開始至拐點為彈性變形階段，經(jīng)過拐點后進(jìn)入塑性變形階段。應(yīng)變率越大，彈性變形階段與塑性變形階段的分界點，即拐點，越明顯。當(dāng)動荷載繼續(xù)增加，透水瀝青混凝土空隙率不斷減小，逐漸達(dá)到密實狀態(tài)，應(yīng)力達(dá)到極限值后，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線急轉(zhuǎn)直下，應(yīng)力急劇減小，應(yīng)變只有少量增加，表現(xiàn)出明顯的脆性性質(zhì)。

圖6　動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線的3個階段 Fig.6 Three stages of dynamic stress-strain curve

透水瀝青混凝土的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線不是光滑的曲線，存在拐點；而水泥混凝土的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變曲線是一條光滑的曲線，不存在拐點。兩者存在明顯的區(qū)別，主要是由于水泥混凝土和透水瀝青混凝土材料性能的區(qū)別，水泥混凝土屬于彈塑性材料，而透水瀝青混凝土是粘-彈-塑性材料。在常溫條件下，瀝青的粘性和透水瀝青混凝土中的較大空隙使其表現(xiàn)出較大的塑性變形階段。

3聚酯纖維影響

從表2可知，不摻纖維透水瀝青混凝土的壓縮率明顯低于摻0.3%聚酯纖維透水瀝青混凝土的壓縮率。當(dāng)應(yīng)變率為80 s-1時，不摻纖維的試件壓縮率為2.25%和2.49%，平均壓縮率為2.37%；摻0.3%聚酯纖維的試件壓縮率為2.85%和2.76%，平均壓縮率為2.81%；摻0.3%聚酯纖維試件的壓縮率是不摻纖維試件的1.19倍。同理得到應(yīng)變率分別為90 s-1、100 s-1、120 s-1時，摻0.3%聚酯纖維試件的壓縮率分別是不摻纖維試件壓縮率的1.21倍、1.23倍、1.24倍。

從圖3可知，當(dāng)不摻纖維時，隨著應(yīng)變率的增大，沖擊抗壓強度不斷提高，而且提高幅度不斷增大；當(dāng)摻0.3%聚酯纖維時，沖擊抗壓強度也在不斷提高，但提高的幅度卻在不斷減小，要明顯低于不加纖維時的提高幅度。

在同一應(yīng)變率下，摻0.3%聚酯纖維的透水瀝青混凝土試件的沖擊抗壓強度明顯高于不摻纖維的情況，當(dāng)應(yīng)變率分別為80 s-1、90 s-1、100 s-1、120 s-1時，摻纖維的透水瀝青混凝土沖擊抗壓強度分別比同等條件不摻纖維的提高了45.1%、32.8%、26.5%和7.1%。說明摻聚酯纖維能夠提高透水瀝青混凝土的沖擊抗壓強度。主要是因為在透水瀝青混凝土中摻聚酯纖維后，聚酯纖維能夠吸附瀝青中的飽和烴和芳香烴，使瀝青粘性增強，起到加筋和橋接的作用[14]，導(dǎo)致瀝青與集料間的粘聚力增大，進(jìn)而使其沖擊抗壓強度有所增加。

4破壞機理

通過對不摻纖維和摻0.3%聚酯纖維的透水瀝青混凝土沖擊抗壓強度和動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線的分析，可以看出透水瀝青混凝土的破壞形式與應(yīng)變率的大小密切相關(guān)。由于透水瀝青混凝土中粗集料用量高>80%，粗集料之間形成了石-石嵌擠結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部會存在比普通密級配瀝青混凝土更多的空隙，同時伴隨有大量的微裂紋。當(dāng)應(yīng)變率較小時，微裂紋受到荷載作用會使周圍應(yīng)力松弛，同時由于加載速度較慢會有一部分能量被釋放，因此會逐漸發(fā)展成一條或幾條主裂縫，使透水瀝青混凝土的破壞形式表現(xiàn)為兩大塊或幾大塊[15]。而當(dāng)應(yīng)變率較大時，加載速度較快，能量來不及釋放，使得結(jié)構(gòu)內(nèi)部的微裂紋均衡發(fā)展，不會形成主裂縫，最后導(dǎo)致其出現(xiàn)碎裂的破壞形式。由于裂紋擴展慣性效應(yīng)，使得透水瀝青混凝土強度提高，隨著應(yīng)變率的增大，裂紋擴展速度也在提高，集料斷裂，最終導(dǎo)致透水瀝青混凝土在達(dá)到峰值應(yīng)力后，承載力急劇下降，表現(xiàn)出較為明顯的脆性性質(zhì)。因此，集料的斷裂是透水瀝青混凝土破壞的主要原因。

同時從動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線還可以看出，摻0.3%聚酯纖維后，透水瀝青混凝土的沖擊抗壓強度明顯提高。聚酯纖維均勻分散在瀝青膠漿中形成三維分布網(wǎng)，能吸附瀝青，增大瀝青用量，充分起到加筋和橋接作用[16]。當(dāng)透水瀝青混凝土承受沖擊荷載時，聚酯纖維依靠其自身的柔軟性能夠?qū)訉泳彌_并消散沖擊荷載對其產(chǎn)生的應(yīng)力，在很大程度上能夠提高其變形能力，延緩微裂紋的擴展。因此，在透水瀝青混凝土中摻聚酯纖維能夠延緩裂縫的出現(xiàn)和開展，提高其沖擊抗壓強度。

5結(jié)論

采用φ74 mm鋼質(zhì)SHPB裝置對透水瀝青混凝土進(jìn)行了不同應(yīng)變率的沖擊壓縮試驗，得到的主要結(jié)論有：

(1) 在單軸沖擊壓縮試驗中，透水瀝青混凝土沖擊抗壓強度和壓縮率均表現(xiàn)出較強的應(yīng)變率效應(yīng)，摻聚酯纖維透水瀝青混凝土的壓縮率是不摻纖維的1.2倍左右，其試件出現(xiàn)了壓縮、裂縫、塊裂等破壞形態(tài)，并有少量試件出現(xiàn)了碎裂的破壞形態(tài)。集料的斷裂是透水瀝青混凝土產(chǎn)生破壞的主要原因。

(2) 透水瀝青混凝土的動態(tài)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線可以分為3個階段，分別是彈性變形階段、塑性變形階段和破壞階段，在達(dá)到峰值應(yīng)力前表現(xiàn)出較強的塑性，之后承載力急劇下降，表現(xiàn)出明顯的脆性。

(3) 摻加聚酯纖維后，能夠延緩裂縫的出現(xiàn)和開展，能顯著提高透水瀝青混凝土的沖擊抗壓強度，增幅最大可達(dá)45.1%。

參 考 文 獻(xiàn)

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