基于半圓彎曲試驗(yàn)的瀝青混合料斷裂參數(shù)主曲線研究

呂紀(jì)偉 中國(guó)鐵建投資集團(tuán)有限公司

1.引言

對(duì)于評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗裂性能，主要有三點(diǎn)或四點(diǎn)彎曲梁以及間接拉伸試驗(yàn)，而近年來(lái)，半圓彎曲試驗(yàn)由于其試件成型簡(jiǎn)便、誤差較小的特點(diǎn)逐漸獲得了廣泛的應(yīng)用。

依據(jù)試件的加工形式，半圓彎曲試驗(yàn)可劃分為預(yù)切縫試驗(yàn)與不預(yù)切縫試驗(yàn)。目前對(duì)于帶預(yù)切縫試驗(yàn)國(guó)外已有相關(guān)規(guī)程，而對(duì)于不帶預(yù)切縫的試驗(yàn)仍未有統(tǒng)一的試驗(yàn)參數(shù)。對(duì)于不預(yù)切縫的試件，由于不存在切縫過(guò)程所導(dǎo)致的切割長(zhǎng)寬誤差以及切縫位置處集料的影響，相比切縫試驗(yàn)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，更容易控制誤差。因此，研究不預(yù)切縫的半圓彎曲斷裂試驗(yàn)參數(shù)具有重要意義。

由于瀝青混合料是一種對(duì)溫度敏感的非線性粘彈塑性材料，其內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)受溫度和時(shí)間影響較大。而在半圓彎曲試驗(yàn)中，加載速率和試驗(yàn)溫度這兩個(gè)參數(shù)分別對(duì)應(yīng)的就是時(shí)間和溫度兩個(gè)影響因素。不同加載速率和溫度下同一材料的抗裂性能表現(xiàn)存在顯著差異。另外半圓彎曲試驗(yàn)?zāi)壳霸囼?yàn)參數(shù)較多，不同指標(biāo)隨試驗(yàn)參數(shù)變化的規(guī)律并未有明確的定量描述，因此在實(shí)際使用過(guò)程中存在較大差異。

本文采用不切縫的半圓彎曲試驗(yàn)，對(duì)不同溫度、不同加載速率下的瀝青混合料半圓彎曲試驗(yàn)斷裂參數(shù)進(jìn)行研究，建立不同斷裂參數(shù)的變化規(guī)律并建立主曲線，為半圓彎曲試驗(yàn)在評(píng)價(jià)瀝青混合料抗裂性能方面提供理論基礎(chǔ)。

2.原材料

2.1 瀝青

試驗(yàn)采用SBS改性瀝青（PG70-22），依據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20-2011）規(guī)定的試驗(yàn)方法測(cè)定瀝青的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，各項(xiàng)指標(biāo)符合規(guī)范要求。

2.2 集料與礦粉

本文的試驗(yàn)集料采用玄武巖，礦粉采用石灰?guī)r礦粉，按照《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E42-2005）規(guī)定的要求測(cè)定集料各項(xiàng)性能指標(biāo)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

3.配合比設(shè)計(jì)與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 混合料設(shè)計(jì)

本文依據(jù)《公路工程瀝青路面施工規(guī)范》，采用AC-13 級(jí)配，級(jí)配曲線如圖1 所示。采用馬歇爾配合比設(shè)計(jì)方法，確定最佳瀝青用量為5.9%。

圖1 AC-13級(jí)配曲線

3.2 試件成型與切割

本文采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀（SG C）進(jìn)行瀝青混合料的成型，控制孔隙率為4%，確定壓實(shí)次數(shù)為80次。為控制試件的變異性，本文所有試驗(yàn)的試件尺寸均為直徑150mm×高度150mm。由于試件上下表面處孔隙較大，將每個(gè)試件上下各15 mm切去，然后在切成4個(gè)厚50mm的半圓，示意圖如圖2所示。

圖2 試件切割示意圖

3.3 半圓彎曲試驗(yàn)

對(duì)切割完成的試件進(jìn)行半圓彎曲試驗(yàn)，保溫時(shí)間為4h。為研究不同溫度和加載速率對(duì)半圓彎曲斷裂試驗(yàn)的影響，本文共選取7個(gè)溫度和8個(gè)加載速率作為試驗(yàn)條件。溫度分別為-20、-10、0、5、15、25、35℃，加載速率分別為0.5、1、5、10、20、30、50、80 mm/min。為全面分析半圓彎曲各斷裂參數(shù)的變化規(guī)律，本文采用4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行全面分析，包括彎拉強(qiáng)度σ，峰值位移D，峰前斷裂能G和峰后斷裂能G，計(jì)算方式如下：

彎拉強(qiáng)度：試件底部最大彎拉應(yīng)力，Molenaar等給出了半圓試件底部支點(diǎn)距離為試件直徑0.8倍時(shí)的應(yīng)力和模量公式：

式中：

σ—試件底部拉應(yīng)力值(MPa)；

F—豎直方向荷載(N)；

D—試件直徑(mm)；

B—試件厚度(mm)；

峰值位移：峰值力對(duì)應(yīng)的位移；

峰前或峰后斷裂能：曲線與水平軸圍成的面積，計(jì)算公式：

式中：

G—斷裂能（J/m）

W—斷裂功（J）

A—斷裂面面積（m）

4.試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 彎拉強(qiáng)度主曲線分析

將加載速率換算成以10為底的對(duì)數(shù)值，稱之為縮減加載速率，彎拉強(qiáng)度隨溫度和縮減加載速率變化的結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在各個(gè)溫度下，隨加載速率的加快，彎拉強(qiáng)度均逐漸增大；在同一加載速率下，彎拉強(qiáng)度隨溫度的升高而降低。另外當(dāng)溫度處于15～35℃時(shí)，彎拉強(qiáng)度隨加載速率的加快增長(zhǎng)較緩，而隨著溫度降低，彎拉強(qiáng)度-縮減加載速率曲線的斜率逐漸增大，當(dāng)溫度降至-20℃時(shí)，曲線斜率再次變小。

圖3 彎拉強(qiáng)度隨加載速率和溫度的變化趨勢(shì)

這種現(xiàn)象類似動(dòng)態(tài)模量主曲線的特征，因此可以將溫度與加載速率進(jìn)行相互轉(zhuǎn)化。以15℃作為參考溫度，將各溫度的曲線平移到該溫度上。對(duì)該曲線可采用如下公式所示Sigmoidal曲線模型進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果如圖4所示。

圖4 彎拉強(qiáng)度主曲線

式中:

ν—在參考溫度下的加載速率；

α—?jiǎng)討B(tài)模量極大值的對(duì)數(shù)；

β、γ—描述Sigmoidal 模型形狀的參數(shù)。

由圖4（a）可以看出，彎拉強(qiáng)度隨加載速率變化與Sigmoidal模型擬合效果較好，表明在大變形乃至破壞極限條件下，溫度和加載速率之間滿足時(shí)溫等效原理，從而也說(shuō)明瀝青混合料斷裂行為是其粘彈性本質(zhì)的一種表現(xiàn)形式。依據(jù)不同的參考溫度，可以得到不同溫度下彎拉強(qiáng)度的主曲線，如圖4（b）所示，圖中可以發(fā)現(xiàn)，溫度越低，達(dá)到同樣彎拉強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的速率越小。

4.2 峰前斷裂能主曲線分析

峰前斷裂能的結(jié)果如圖5（a）所示，可以發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律與彎拉強(qiáng)度類似。同樣的，對(duì)其進(jìn)行主曲線擬合，各溫度下的擬合結(jié)果如圖5（b）所示，與彎拉強(qiáng)度類似，相同的加載速率下，溫度越高則峰前斷裂能越小，而瀝青路面上面層在常溫下服役時(shí)間較長(zhǎng)，因此在材料設(shè)計(jì)時(shí)需重視常溫狀況下較低加載速率下的峰前斷裂能情況。

圖5 峰前斷裂能結(jié)果與主曲線擬合

4.3 峰后斷裂能主曲線分析

峰后斷裂能的結(jié)果如圖6（a）所示，與峰前斷裂能有所不同，峰后斷裂能在低溫時(shí)隨加載速率的增大而降低，并逐步減小到0。隨著溫度的升高，變化趨勢(shì)相反，在15℃開始，峰后斷裂能隨溫度升高而增大。

類似的，將各個(gè)溫度下的曲線進(jìn)行平移至參考溫度下，可以獲得一個(gè)先增加后減小的曲線，對(duì)曲線峰值前和峰值后分別采用Sigmoidal曲線擬合，得到圖6（b），對(duì)不同參考溫度下的主曲線進(jìn)行擬合獲得圖6（c）。圖中可以發(fā)現(xiàn)，峰后斷裂能與加載速率存在先升高后降低的變化趨勢(shì)，且出現(xiàn)峰值所對(duì)應(yīng)的加載速率隨溫度增加而降低。另一方面，對(duì)于同一峰后斷裂能，對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的加載速率。

圖6 峰后斷裂能結(jié)果與主曲線擬合

4.4 峰值位移變化規(guī)律分析

圖7（a）和（b）為峰值位移的試驗(yàn)結(jié)果，圖中可以看出，峰值位移和加載速率并不存在統(tǒng)一的函數(shù)關(guān)系，但是對(duì)于每一個(gè)溫度，不同加載速率下均存在一個(gè)峰值位移的極值，從圖中可知這個(gè)極值在5℃～15℃附近最大，這個(gè)溫度區(qū)間是瀝青混合料由更顯著的彈性向粘彈性特征轉(zhuǎn)換的溫度區(qū)間。

圖7 峰后斷裂能結(jié)果與主曲線擬合

5.結(jié)論

本文通過(guò)開展不同溫度以及加載速率下的半圓彎曲斷裂試驗(yàn)，分析了溫度和加載速率對(duì)彎拉強(qiáng)度、峰前能量、峰后能量以及峰值位移的影響。建立了彎拉強(qiáng)度、峰前能量、峰后能量與加載速率的主曲線，并獲得不同溫度下各個(gè)指標(biāo)的主曲線。主要結(jié)論如下：

（1）在大變形乃至破壞極限條件下，溫度和加載速率之間滿足時(shí)溫等效原理，因此可將不同溫度下的試驗(yàn)參數(shù)平移至參考溫度的曲線上。

（2）彎拉強(qiáng)度和峰前能量隨加載速率的變化曲線均可用Sigmoidal曲線模型很好的進(jìn)行擬合，且在同一加載速率下，溫度越低，彎拉強(qiáng)度和峰前能量越大。

（3）峰后能量隨加載速率先增大后減小，可用分段Sigmoidal曲線進(jìn)行擬合，且曲線峰值所對(duì)應(yīng)的加載速率隨溫度增加而降低。

（4）不同溫度的峰值位移存在極值，且極值在5℃～15℃附近最大。