楊大田 朱洪洲

(重慶交通大學(xué)山區(qū)道路建設(shè)與維護(hù)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400074)

0 引 言

抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)是評價(jià)熱拌瀝青混合料物理力學(xué)性能重要試驗(yàn)之一,也是測試瀝青混凝土路面設(shè)計(jì)參數(shù)重要試驗(yàn)方法.瀝青混凝土路面的破壞,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).長期以來,路面工程師和研究人員一直廣泛采用間接拉伸試驗(yàn)(IDT)、小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)或直接拉伸試驗(yàn)來評價(jià)熱拌瀝青混合料的抗拉強(qiáng)度、斷裂韌性及疲勞壽命.

直接拉伸試驗(yàn)由于很難保證夾具與試件的軸心在同一條線上,往往出現(xiàn)偏向荷載,導(dǎo)致試驗(yàn)誤差大,因而在實(shí)驗(yàn)室很少采用.

半圓彎曲試驗(yàn)(SCB)是從巖石力學(xué)引進(jìn)的一項(xiàng)評價(jià)瀝青混合料抗拉性能的試驗(yàn).1984年K.P.Chong和M.D.Kuruppu提出了用于巖石、混凝土和其他圓形試件的半圓彎曲試驗(yàn)來確定巖石和其他材料的斷裂韌性.1996年R.L.Krans等用半圓彎曲研究瀝青混凝土圓形心樣實(shí)際裂紋發(fā)展,并分析了半圓彎曲試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn);1997年R.L.Krans等研究了半圓彎曲試驗(yàn)的可行性,測試了2種瀝青混凝土的彎拉強(qiáng)度、勁度模量和疲勞壽命,與間接拉伸試驗(yàn)相比較,得出了半圓彎曲試驗(yàn)可作為在瀝青混合料設(shè)計(jì)中相關(guān)性能的測試以及現(xiàn)場混合料生產(chǎn)和路面施工的質(zhì)量控制的測試方法,并提交半圓彎曲試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)操作規(guī)程;2002年X.Erkens等人認(rèn)為半圓彎曲試驗(yàn)是一個(gè)既簡單又實(shí)用的試驗(yàn)方法,完全滿足路面設(shè)計(jì)參數(shù)(模量、彎拉強(qiáng)度等)測試、質(zhì)量控制和保證;2003年R.Hofman等人用帶來預(yù)設(shè)裂紋的半圓試樣分別試驗(yàn)了靜態(tài)等速加載和動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn),用2種瀝青混合料和3個(gè)實(shí)驗(yàn)室分別獨(dú)立測試瀝青混合料的斷裂韌性和裂紋增長速率,試驗(yàn)結(jié)果表明半圓彎曲試驗(yàn)具有較高的可重復(fù)性和再現(xiàn)性,能夠區(qū)辨瀝青混合料性能好與壞;2005年Huang Baoshan等用半圓彎曲試驗(yàn)和間接拉伸試驗(yàn)測試瀝青混合料的彎拉強(qiáng)度,分析了在間接拉伸試驗(yàn)的加載條附近產(chǎn)生了較大的永久變形,而半圓彎曲試驗(yàn)減小了加載條附近的塑性變形,因而半圓彎曲試驗(yàn)比間接拉伸試驗(yàn)更適合評價(jià)瀝青混合料的彎拉性能,半圓彎曲試驗(yàn)完全可代替間接拉伸試驗(yàn).2007年劉宇[1]用半圓彎拉斷裂韌性試驗(yàn)研究3種應(yīng)力吸收層的力學(xué)特性,2008年[2-3]總結(jié)國外半圓彎拉試驗(yàn)方法在瀝青混合料中的應(yīng)用與研究,并用半圓彎拉試驗(yàn)研究了3種瀝青混合料的疲勞壽命,得到了:具有斷級配的應(yīng)力吸收層瀝青混合料具有很好的抗裂性能和抗疲勞性能;混合料累積疲勞破壞能符合Miner線性假定.瀝青混合料的疲勞壽命與斷裂韌度有很好的相關(guān)性.2007年曹軻銘[4]對3種瀝青混凝土試樣進(jìn)行了半圓與小梁彎拉強(qiáng)度試驗(yàn),得到了它們的彎拉強(qiáng)度比為1.3～1.9.

可見,國內(nèi)外大多數(shù)學(xué)者都集中在瀝青混合料的間接拉伸與半圓彎曲強(qiáng)度的比較研究,而對它們的疲勞壽命和蠕變變形對比研究較少.同時(shí),在對小梁三點(diǎn)彎曲與半圓彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性和疲勞壽命等方面比較試驗(yàn)研究就更少.本文首先進(jìn)行瀝青混合料的半圓彎拉和小梁三點(diǎn)彎拉強(qiáng)度比較試驗(yàn),再進(jìn)行斷裂韌性比較試驗(yàn),最后進(jìn)行疲勞壽命對比試驗(yàn).根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)資料,分析半圓彎曲試驗(yàn)評價(jià)瀝青混合料的強(qiáng)度、斷裂韌性和疲勞壽命等相關(guān)性能的可行性,為瀝青混合料半圓彎曲試驗(yàn)今后的研究和在國內(nèi)推廣運(yùn)用作一次探索.

1 原材料與試樣制備

1)瀝青 本試驗(yàn)選用SBS改性70#重交道路石油瀝青,其技術(shù)性能試驗(yàn)結(jié)果見表1.

2)集料及礦粉 集料為石灰?guī)r碎石,其技術(shù)性質(zhì)滿足規(guī)范要求.礦粉是石灰?guī)r經(jīng)過磨細(xì)得到的,其技術(shù)性質(zhì)滿足規(guī)范要求.

3)礦料級配 本次混合料的礦料級配,見表2.

表1 瀝青試驗(yàn)

表2 AC-13F級配

4)瀝青用量 本次試驗(yàn)試樣制作采用瀝青用量——油石質(zhì)量比5.4%.

5)試樣制備 試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件.雙面擊實(shí)75次成型,用表干法測取試樣毛體積密度,以此值稱料碾壓成型300 mm×300 mm×50 mm的試塊,再切割成250 mm×40 mm×40 mm的小梁試件,以供小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn).把標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件切割成兩半,用于半圓彎曲試驗(yàn).

2 彎拉強(qiáng)度與斷裂韌性試驗(yàn)

2.1 彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)

23種試驗(yàn)方法的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果,見表3、表4,在表中列出了均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)及半圓彎曲和小梁3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的強(qiáng)度比.

表3 小梁三點(diǎn)彎曲與半圓彎曲強(qiáng)度比較

從表3可以看出,在試驗(yàn)條件1下半圓彎曲彎拉強(qiáng)度均值與三點(diǎn)彎曲的比值為1.05;在試驗(yàn)條件2下半圓彎曲彎拉強(qiáng)度均值與三點(diǎn)彎曲的比值為1.01.這說明半圓彎曲試驗(yàn)得到的瀝青混合料強(qiáng)度與小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)得到的幾乎相同.同樣2種試驗(yàn)條件下,半圓彎曲試驗(yàn)結(jié)果的變異系數(shù)比小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的要小.可見,用半圓彎曲試驗(yàn)可大大減少材料的變異性對試驗(yàn)結(jié)果的影響.

2.2 斷裂韌性試驗(yàn)

為了比較小梁三點(diǎn)彎曲與半圓彎曲試驗(yàn)對瀝青混合料抗裂性能的評價(jià)差異,根據(jù)文獻(xiàn)[5,8-9]制作了小梁試件40 mm×40 mm×250 mm(跨徑200 mm),高跨比1∶5,刻槽深度在20～30 mm間變化,并計(jì)算斷裂韌度K Ic和延性斷裂韌度J Ic.根據(jù)文獻(xiàn)[5-7],在半圓試件跨中刻槽深度20～30 mm,其斷裂韌度KIc和延性斷裂韌度JIc,依據(jù)式(1)、(2)和(3)計(jì)算

式中:D為半圓彎曲試件的直徑,mm;L為半圓彎曲試件的厚度,mm;Y I為I型裂紋應(yīng)力強(qiáng)度因子[9].

式中:U1和U2分別為刻槽a1和a2試件獲得斷裂應(yīng)變能,J;b1和b2分別為刻槽a1和a2試件的厚度,m.

在試驗(yàn)條件2下對瀝青混合料小梁和半圓進(jìn)行斷裂韌性試驗(yàn),其結(jié)果見表5.

表4 小梁三點(diǎn)彎曲與半圓彎曲斷裂韌性試驗(yàn)

從表4可以看出,用半圓彎曲試驗(yàn)得到的斷裂韌度K Ic比三點(diǎn)彎曲的稍大19%.同樣J-積分試驗(yàn),半圓彎曲得到的延性斷裂韌度JIc比三點(diǎn)彎曲的大42%.因而用帶有刻槽的半圓彎曲試驗(yàn)來評價(jià)瀝青混合料的斷裂韌性是可行的,可代替小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn).

3 疲勞試驗(yàn)

在溫度15℃和30%的應(yīng)力強(qiáng)度下做半圓彎拉和小梁三點(diǎn)彎拉疲勞試驗(yàn),其試驗(yàn)結(jié)果見表5.

表5 半圓彎曲和小梁三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)比較

從表5可以看出,2種方法得到的疲勞壽命均值大小順序?yàn)?-point＞SCB,但整體上相互間相差不大.但從標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)來看,3-point的較大,而SCB的較小.

從上述試驗(yàn)結(jié)果來看,半圓彎拉試驗(yàn)結(jié)果的變異系數(shù)比小梁三點(diǎn)彎拉試驗(yàn)的小,這有利于保證試驗(yàn)的可靠性和重復(fù)性.其中的原因與半圓試樣是通過馬歇爾試件獲得的,而小梁是先通過車轍板碾壓,再切割而成的.從試樣體積大小來看,馬歇爾試件相對于車轍板試樣的體積小,所用混合料少,在制作過程中較容易控制混合料的均勻性,能減少混合料的離散性.所以,在室內(nèi)制作或在現(xiàn)場切割鉆芯取樣,所得到的半圓彎拉試樣的變異性比小梁試樣的要小.

4 結(jié) 論

1)用小梁三點(diǎn)彎曲與半圓彎曲試驗(yàn),得到彎拉強(qiáng)度比接近1.

2)在帶有刻槽的小梁三點(diǎn)彎曲和半圓彎曲斷裂韌性對比試驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)用半圓彎曲試驗(yàn)得到的結(jié)果比用小梁三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)的結(jié)果偏大.

3)用半圓彎曲疲勞試驗(yàn)得到的瀝青混合料疲勞壽命比與小梁三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的小.

4)從變異系數(shù)來看,半圓彎曲試驗(yàn)可大大減輕材料的變異性而對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響.

5)還需要進(jìn)一步對比研究2者的蠕變變形試驗(yàn).

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