瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)與數(shù)值分析

張 蘭 峰

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510650)

瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)與數(shù)值分析

張 蘭 峰

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510650)

通過試驗(yàn)和ABAQUS有限元軟件，分析了瀝青混合料單點(diǎn)和雙點(diǎn)兩種小梁彎曲試驗(yàn)加載模式的特點(diǎn)，結(jié)果表明，ABAQUS有限元計(jì)算結(jié)果與雙點(diǎn)加載模式試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性，雙點(diǎn)加載模式可以有效減少試驗(yàn)結(jié)果的變異性，提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，所以小梁彎曲試驗(yàn)采用雙點(diǎn)加載模式更加合理。

瀝青混合料，單點(diǎn)加載，雙點(diǎn)加載，有限元，彎拉強(qiáng)度，彎拉應(yīng)變

抗拉強(qiáng)度是熱拌瀝青混合料路面的最重要指標(biāo)之一。瀝青路面的破壞,如疲勞開裂和低溫縮裂,與熱拌瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度密切相關(guān)。小梁彎曲試驗(yàn)是測(cè)量材料抗拉強(qiáng)度的重要試驗(yàn)之一，現(xiàn)行小梁彎曲試驗(yàn)有單點(diǎn)加載和雙點(diǎn)加載兩種受力模式，本文通過試驗(yàn)和有限元模擬，研究?jī)煞N加載模式的特點(diǎn)，最終確定兩種加載模式的合理性。

1 原材料與試樣制備

1.1 瀝青

瀝青性能指標(biāo)見表1。

1.2 集料

集料為石灰?guī)r碎石,礦粉是石灰?guī)r磨細(xì)得到的,其技術(shù)性質(zhì)均滿足規(guī)范要求。

1.3 級(jí)配及試樣技術(shù)指標(biāo)

混合料級(jí)配采用JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范推薦的AC-16配范圍中值進(jìn)行配比，混合料性能指標(biāo)見表2。

1.4 試樣制備

試件采用輪碾法成型,試模置室溫下冷卻至少12 h后方可脫模。將冷卻后的試模切割成JTJ 052—2000公路工程瀝青及瀝青

混合料試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的瀝青混合料彎曲試驗(yàn)采用的尺寸(30 mm×35 mm×250 mm的棱柱體小梁試件)，試驗(yàn)時(shí)將試件置于環(huán)境箱中保溫，直到試件內(nèi)部溫度達(dá)到試驗(yàn)溫度±0.5 ℃為止。本文分別采用單點(diǎn)加載模式和雙點(diǎn)加載模式研究?jī)煞N加載模式對(duì)小梁受力性能的影響。

表1 中海90號(hào)道路石油瀝青性能指標(biāo)測(cè)試數(shù)據(jù)表

表2 中海90號(hào)基質(zhì)瀝青為粘結(jié)劑的各瀝青混合料最佳瀝青用量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

2 試驗(yàn)

2.1 單點(diǎn)加載

小梁彎曲試驗(yàn)單點(diǎn)加載模式試驗(yàn)，試件破壞時(shí)的抗彎拉強(qiáng)度Rb、破壞時(shí)梁底最大彎拉應(yīng)變?chǔ)舃按式(1),式(2)計(jì)算：

(1)

(2)

其中，Rb為試件破壞的抗彎拉強(qiáng)度，MPa；εb為試件破壞時(shí)梁底最大彎拉應(yīng)變；b，h分別為跨中斷面試件的寬度和高度，mm；L為試件的跨徑，mm；PB為試件破壞時(shí)的最大荷載，N；d為試件破壞時(shí)的跨中撓度，mm。

2.2 雙點(diǎn)加載

雙點(diǎn)加載受力模式圖見圖1。

當(dāng)k=t=L/3時(shí)，即三分點(diǎn)加載狀態(tài)下，破壞時(shí)梁底彎拉應(yīng)力Rb、梁底最大彎拉應(yīng)變?chǔ)舃可根據(jù)式(3)，式(4)求出：

(3)

(4)

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)分別在0 ℃，20 ℃進(jìn)行，為了對(duì)比兩種加載模式下的彎曲試驗(yàn)結(jié)果，選取了兩種加載模式下的小梁試件各10根進(jìn)行試驗(yàn)。以規(guī)定的速率(50 mm/min)分別對(duì)兩組試件進(jìn)行對(duì)中點(diǎn)單點(diǎn)集中加載和雙點(diǎn)加載，直到試件破壞；由萬能材料試驗(yàn)機(jī)MTS自動(dòng)采集荷載P和跨中的變形值d。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 兩種加載模式小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明單點(diǎn)加載模式產(chǎn)生的數(shù)據(jù)結(jié)果變異性較大，單點(diǎn)加載試驗(yàn)中有的試件不是沿試樣中線破壞，而在理論計(jì)算時(shí)，試件破壞時(shí)的彎拉應(yīng)力和應(yīng)變是按照破壞是從底邊中點(diǎn)開始沿試樣中線的理想狀態(tài)下計(jì)算得到的。這樣就出現(xiàn)理論計(jì)算與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果不符的現(xiàn)象。同時(shí)試件成型及瀝青混合料自身的不均勻性,也可導(dǎo)致試驗(yàn)的結(jié)果離散性較大。而雙點(diǎn)加載模式下，可以有效減少試件不在底邊中線破壞的狀況，理論計(jì)算與實(shí)際較符合，試驗(yàn)結(jié)果變異系數(shù)顯著減小，結(jié)果較為理想。

3 有限元模擬

本文采用ABAQUS有限元模擬分析軟件，分析小梁在兩種加載模式下的受力狀況。小梁彎曲試驗(yàn)的試件受力模式分別如圖2，圖3所示。梁底左右支撐的邊界條件都是U1=U2=UR3=0。整個(gè)模型區(qū)域采用Quad單元，中軸算法，free模式劃分網(wǎng)格，整個(gè)模型采用CPE8R(平面應(yīng)變減積分單元類型)。

20 ℃單點(diǎn)、雙點(diǎn)加載有限元模型計(jì)算結(jié)果表明(見表4)，最大彎拉應(yīng)力和彎拉應(yīng)變均出現(xiàn)在小梁模型底邊中心，在底邊產(chǎn)生的拉應(yīng)力分布范圍較大。在底邊兩個(gè)支撐處也出現(xiàn)局部較大拉應(yīng)力。單點(diǎn)加載模式導(dǎo)致底邊中心拉應(yīng)力更加集中，較大拉應(yīng)力分布范圍較小。0 ℃單點(diǎn)、雙點(diǎn)加載有限元模型計(jì)算有相似的20 ℃時(shí)單、雙點(diǎn)加載有限元模擬結(jié)果規(guī)律。

表4 有限元計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)表

4 結(jié)語

1)瀝青混合料彎曲試驗(yàn)中雙點(diǎn)加載模式減小了試驗(yàn)結(jié)果的變異性，數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)定，而且室內(nèi)試驗(yàn)容易實(shí)現(xiàn)，所以采用雙點(diǎn)加載彎曲試驗(yàn)可以更好測(cè)量瀝青混合料的彎曲性能。2)0 ℃，20 ℃的瀝青混合料單、雙點(diǎn)小梁彎曲加載試驗(yàn)結(jié)果與相應(yīng)的有限元模擬結(jié)構(gòu)有較好的符合性。

[1] JTJ 052—2000,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].

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[3] 石亦平,周玉蓉.ABAQUS有限元分析實(shí)例詳解[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[4] 陳大為.瀝青混合料小梁彎曲試驗(yàn)加載模式分析[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2010(8)：26.

[5] 羅 輝，朱宏平，陳傳堯.預(yù)切口瀝青混合料小梁疲勞試驗(yàn)研究[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2008(9)：37-39.

[6] 黃飛云,徐那彬,高 英.瀝青混凝土小梁彎曲斷裂的數(shù)值模擬[J].石油瀝青，2009(28)：79-80.

Beam bending test for bituminous mixture and numerical analysis

Zhang Lanfeng

(GuangdongCommunicationPolytechnic,Guangzhou510650,China)

Abstrac: This paper through the test and ABAQUS finite element, analyzing characteristics of single point and double point beam bending test load mode for the asphalt mixture. ABAQUS finite element calculation results are well according with the experimental results of double point load mode. The experimental results show that the double point load model can effectively reduce the variability of the test results, and improve the reliability of the test results, so the beam bending test with double point load mode is more reasonable.

asphalt mixture, single point load, double point loading, finite-element, flexural-tensile strength, flexural-tensile strain

1009-6825(2017)01-0130-03

2016-10-29

張?zhí)m峰(1982- )，女，碩士，講師

TU535

A