瀝青混合料單軸貫入與扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)對比研究

(大連理工大學(xué) 遼寧 大連 116023)

本文以瀝青混合料單軸貫入試驗(yàn)和旋轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)作為試驗(yàn)的基礎(chǔ)，將此兩種不同的方法得到的瀝青混合料的力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行對比，通過對比找出最合理、最符合實(shí)際路用性能的瀝青混合料力學(xué)數(shù)據(jù)。

一、關(guān)于瀝青混合料力學(xué)性能試驗(yàn)的整理

(一)三軸剪切試驗(yàn)。三軸試驗(yàn)肇始于二十世紀(jì)四十年代，V.A.Endersby第一個(gè)提出具體的試驗(yàn)方案，該方案用于制作進(jìn)行三軸試驗(yàn)的瀝青混合料試件，較詳細(xì)的規(guī)定了瀝青混合料的級配、尺寸等，這為后來的研究奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，L.W.Nijboer先通過三軸試驗(yàn)得到數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對瀝青混合料配合比進(jìn)行了改進(jìn)。

(二)superpave剪切試驗(yàn)。superpave剪切試驗(yàn)由美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(SHRP)提出，設(shè)計(jì)初衷是為了表現(xiàn)瀝青混合料的變形機(jī)理。試驗(yàn)方法基于土的直剪試驗(yàn)，但增加了豎直荷載，溫度和圍壓也進(jìn)行了控制。由于試驗(yàn)進(jìn)程和試驗(yàn)條件均得到了控制，因此可以較為準(zhǔn)確分析不同的因素對于瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的影響。但由于其成本較高，在國內(nèi)并不普遍。

(三)單軸貫入試驗(yàn)。同濟(jì)大學(xué)孫立軍、畢玉峰提出單軸貫入試驗(yàn)方法。用小于圓柱體試件直徑的鋼壓頭進(jìn)行加載。該試驗(yàn)可用來模擬瀝青路面的實(shí)際受力狀態(tài)。用有限元分析壓頭尺寸小于試件尺寸時(shí)，單軸貫入的受力狀態(tài)，可以得出實(shí)際試驗(yàn)中壓頭的最佳直徑。通過對受力試件進(jìn)行三維有限元計(jì)算，所得的強(qiáng)度參數(shù)可以用來求τm，σ1，σ3確定摩爾圓。用另外一組無側(cè)限抗壓試驗(yàn)作為對比，與貫入試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合，可求得粘結(jié)力C和內(nèi)摩擦角φ。單軸貫入試驗(yàn)可以有效評價(jià)瀝青混合料的抗剪性能。但是用這種方法評價(jià)瀝青混合料，粒徑的大小對試驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)產(chǎn)生較大的影響。

上述整理的試驗(yàn)方法是對于歷史上瀝青混合料力學(xué)試驗(yàn)的梳理，旨在借鑒前人的試驗(yàn)基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，選擇合理的試驗(yàn)方法

二、瀝青破壞強(qiáng)度理論和分析方法

強(qiáng)度理論是用于判斷材料是否發(fā)生破壞的理論，是探究敢于材料破壞原因的假設(shè)，是研究材料強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

(一)古典強(qiáng)度理論。古典強(qiáng)度理論認(rèn)為，均勻、連續(xù)的的材料發(fā)生的破壞形式有兩種：脆性斷裂和塑性屈服。材料發(fā)生脆性斷裂時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形，而是直接發(fā)生斷裂，斷裂面不光滑，斷裂位置所在面一般跟最大正應(yīng)力垂直。材料發(fā)生塑性屈服時(shí)，破壞前會(huì)產(chǎn)生明顯的塑性變形。斷裂面光滑，且斷裂一般發(fā)生在最大剪應(yīng)力面。

若材料處于單剪或純剪此類簡單的應(yīng)力狀態(tài)下時(shí)，可以利用實(shí)驗(yàn)判斷其強(qiáng)度條件。但當(dāng)材料處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)時(shí)，常規(guī)實(shí)驗(yàn)難以判定材料是否破壞，破壞原因也難以確認(rèn)。強(qiáng)度理論提出材料破壞原因的假定和計(jì)算方法，可幫助建立復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的強(qiáng)度條件。其基本假定如下：

(1)強(qiáng)度不足引起的材料失效形式主要是屈服和斷裂；

(2)應(yīng)力(σ1、σ2、σ3、τ1、τ2、τ3)、應(yīng)變(ε1、ε2、ε3)、應(yīng)變能密度(μd)三者中某一因素會(huì)引起材料破壞；

(3)若材料的破壞形式相同，則原因相同，與材料具體應(yīng)力狀態(tài)無關(guān)。

根據(jù)斷裂準(zhǔn)則和屈服準(zhǔn)則，形成了四種強(qiáng)度理論：最大拉應(yīng)力理論、最大拉應(yīng)變理論、最大剪應(yīng)力理論、形狀改變比能理論。

最大拉應(yīng)力理論：這一理論假設(shè)最大拉應(yīng)力σ1是引起材料脆性斷裂的因素，不論構(gòu)件處于何種應(yīng)力狀態(tài)，只要構(gòu)件內(nèi)某點(diǎn)處的最大拉應(yīng)力σ1達(dá)到材料的極限應(yīng)力σu，材料就發(fā)生脆性斷裂。材料的極限應(yīng)力σu可通過單軸拉伸試樣發(fā)生脆性斷裂的試驗(yàn)來確定，判斷脆性斷裂的依據(jù)是σ1=σu。

最大伸長線應(yīng)變理論：這一理論假設(shè)最大伸長線應(yīng)變?chǔ)?是引起材料脆性斷裂的因素，也即認(rèn)為不論出于什么樣的應(yīng)力狀態(tài)下，只要構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)出的最大伸長線應(yīng)變?chǔ)?達(dá)到了材料的極限值εu，材料就發(fā)生脆性斷裂。

最大切應(yīng)力理論：這一理論假設(shè)最大切應(yīng)力τmax 是引起材料塑性屈服的因素，認(rèn)為不論處于什么樣的應(yīng)力狀態(tài)下，只要構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)出的最大切應(yīng)力τmax達(dá)到了材料屈服時(shí)的極限值τu，該點(diǎn)處的材料就發(fā)生屈服。

形狀改變能密度理論：這一理論假設(shè)形狀改變能密度vd是引起材料屈服的因素，即認(rèn)為不論處于什么樣的應(yīng)力狀態(tài)下，只要構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)出的形狀改變能密度vd 達(dá)到了材料的極限值vdu，該點(diǎn)處的材料就發(fā)生塑性屈服。

(二)摩爾-庫倫理論。摩爾-庫倫強(qiáng)度理論認(rèn)為，材料失效或者產(chǎn)生破壞，主要是由于最大剪應(yīng)力τmax，但最大剪應(yīng)力并非是影響材料的唯一因素。材料的極限抗剪強(qiáng)度可用如下公式來表示：

τmax=C-σtanφ，即極限抗剪強(qiáng)度是由粘聚力C、剪切面上得正應(yīng)力σ、內(nèi)摩擦角φ 共同決定的。

摩爾-庫倫強(qiáng)度理論雖然在一定范圍內(nèi)符合試驗(yàn)結(jié)果，但并沒有考慮中主應(yīng)力的影響。摩爾-庫倫強(qiáng)度理論計(jì)算的材料強(qiáng)度偏小，在實(shí)際應(yīng)用中的話，結(jié)果偏保守。

三、單軸貫入與扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)具體的試驗(yàn)方法

(一)單軸貫入試驗(yàn)。本研究在不同的的溫度下，對圓柱形的瀝青混合料試件進(jìn)行單軸貫入,選用28.5mm直徑鋼壓頭。通常來說，瀝青路面最不利的溫度是60℃，為保證結(jié)果客觀，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，取40、50、60攝氏度三種不同的溫度。在加載速率的選擇上，參考瀝青混合料的單軸抗壓實(shí)驗(yàn)、蠕變實(shí)驗(yàn)、靜三軸試驗(yàn)、同軸剪切試驗(yàn)等的加載速率，選取1mm/min為加載速率。

(二)扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)。在不同的的溫度下，對圓柱形的瀝青混合料試件兩端施加扭矩。對比單軸貫入試驗(yàn)，選取40、50、60三種不同的溫度。在加載速率的選擇上，參考瀝青混合料的單軸抗壓實(shí)驗(yàn)、蠕變實(shí)驗(yàn)、靜三軸試驗(yàn)、同軸剪切試驗(yàn)等的加載速率，選取1mm/min為加載速率。

本研究中所采用的試件，由取芯機(jī)，從成形的大馬歇爾試件取出，圓柱形試件直徑為40mm，高80mm。

四、結(jié)果預(yù)測

從現(xiàn)有的數(shù)據(jù)來看，作為兩種優(yōu)秀的試驗(yàn)方法，單軸貫入和扭轉(zhuǎn)剪切試驗(yàn)對于反映瀝青混合料的路用性能都是比較合理的，因此預(yù)測試驗(yàn)所得到的結(jié)果比較接近。