錢國平，劉宏富，鄭健龍，李帥

(長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙，410114)

為保證瀝青路面結(jié)構(gòu)在設(shè)計年限內(nèi)正常工作，必須對其破壞機(jī)理進(jìn)行研究。作為路面結(jié)構(gòu)的一個層次，瀝青混合料破壞特性應(yīng)從多層體系受力方面加以分析，需要分解為各種簡單的受力類型進(jìn)行力學(xué)試驗研究。不同試驗方法測定的瀝青混合料強(qiáng)度不同，不僅影響路面結(jié)構(gòu)與材料性能評價，也會極大地影響路面結(jié)構(gòu)力學(xué)計算分析結(jié)果[1]。瀝青混合料是一種典型的黏彈性材料，其強(qiáng)度受加載速度與溫度的影響顯著[2-3]。目前，研究者較多地從影響瀝青混合料強(qiáng)度的因素進(jìn)行研究，對影響瀝青混合料強(qiáng)度的內(nèi)部因素(材料的組成、結(jié)構(gòu)以及材料的性能)和外部因素(溫度、荷載及速率)進(jìn)行分析[4-12]，如：李立寒等[6]借助劈裂強(qiáng)度試驗，探討了泡沫瀝青混合料強(qiáng)度增長規(guī)律及其影響因素、生產(chǎn)工藝條件對泡沫瀝青混合料強(qiáng)度的影響以及泡沫瀝青混合料的貯存特性；孟巖等[7]分析了纖維增強(qiáng)瀝青混合料強(qiáng)度形成機(jī)理，與無纖維瀝青混合料試驗結(jié)果進(jìn)行對比；Huang等[8-9]將半圓彎拉試驗方法和間接拉伸試驗方法進(jìn)行對比，分析了半圓彎拉強(qiáng)度與間接拉伸強(qiáng)度的相關(guān)性。強(qiáng)度隨加載速率的變化規(guī)律和不同受力模式下的強(qiáng)度比較還有待進(jìn)一步研究。本文作者對不同受力模式下瀝青混合料強(qiáng)度的速度特性試驗進(jìn)行研究，分析不同受力模式、不同加載速度對瀝青混合料強(qiáng)度的影響，了解瀝青路面材料在不同受力模式下的破壞原因，以便為建立瀝青混合料強(qiáng)度理論與破壞準(zhǔn)則奠定基礎(chǔ)。

1 試驗材料與配合比設(shè)計

選用細(xì)粒式瀝青混合料AC-13C作為研究對象。原材料采用中海油泰州SBS(I-D)改性瀝青和湖南株洲的玄武巖集料，其技術(shù)指標(biāo)滿足《瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTGF 40—2004)的技術(shù)要求。AC-13C密級配瀝青混合料礦料級配見表1。通過馬歇爾試驗確定最佳油石比，最佳油石比及馬歇爾試驗結(jié)果見表2。

表1 AC-13C密級配瀝青混合料礦料級配Table 1 Mineral aggregate gradation of AC-13C dense gradation asphalt mixture

表2 最佳油石比下馬歇爾試驗結(jié)果Table 2 Marshall test results under optimum asphalt-aggregate ratio

2 不同受力模式下強(qiáng)度試驗方法

采用不同受力模式下的強(qiáng)度試驗方法，對瀝青混合料的單軸抗壓強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、直接拉伸強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度進(jìn)行比較。不同受力模式的強(qiáng)度試驗采用不同的夾具在伺服液壓材料試驗機(jī)MTS上完成。

2.1 單軸壓縮試驗

抗壓強(qiáng)度試驗采用靜壓成型的直徑為(100±2.0)mm、高度為(100±2.0) mm的圓柱體試件，試驗溫度為20 ℃?？箟簭?qiáng)度計算公式為[10]：

式中：pC為試件的抗壓強(qiáng)度，MPa；P為試件破壞時的最大荷載，N；d為試件的直徑，mm。

2.2 彎曲試驗

彎曲強(qiáng)度試驗采用輪碾成型后切制的長為(250±2.0) mm、寬為(50±2.0) mm、高為(50±2.0) mm的棱柱體小梁，采用三分點(diǎn)加載，其跨徑L為(200±0.5)mm，試驗溫度為20 ℃，彎曲強(qiáng)度計算公式為[10]：

式中：pB為彎拉強(qiáng)度，MPa；h和b分別為試件跨中斷面的高度和寬度，mm；L為跨徑，mm；PB為破壞荷載，N。

2.3 直接拉伸試驗

式中：pD為試件的直接拉伸強(qiáng)度，MPa；a和b為試件的寬度和高度，mm。

2.4 劈裂試驗

劈裂強(qiáng)度試驗采用標(biāo)準(zhǔn)擊實法成型的直徑為(101.6±0.25) mm、高為(63.5±1.3) mm 的馬歇爾試件，使用壓條寬度為12.7 mm，試驗溫度為20 ℃，劈裂強(qiáng)度計算公式為[10]：

式中：pT為劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa；PT為試驗最大荷載，N；h為試件高度，mm。

3 不同加載速率下瀝青混合料強(qiáng)度試驗

3.1 不同加載速率下強(qiáng)度的試驗結(jié)果

瀝青混合料不同加載速率下強(qiáng)度試驗采用應(yīng)力控制方式?？紤]不同受力模式下強(qiáng)度試驗試件尺寸的影響，將加載速率換算為應(yīng)力形式，不同受力模式、不同加載速率下瀝青混合料強(qiáng)度試驗結(jié)果見表3。

從表3可見：以直接拉伸強(qiáng)度為例，最大加載速率為37 MPa/s時的強(qiáng)度為5.23 MPa，是最小加載速率0.003 7 MPa/s時強(qiáng)度0.84 MPa的6.2倍，說明加載速度對瀝青混合料的強(qiáng)度影響非常顯著；不同受力模式下，瀝青混合料強(qiáng)度均隨加載速率的增大而增大。將表3中不同受力模式下的瀝青混合料強(qiáng)度隨加載速率的試驗結(jié)果繪于雙對數(shù)坐標(biāo)圖1中，見圖1。

從圖1可見：不同受力模式下的強(qiáng)度在雙對數(shù)坐標(biāo)中可近似地表示為線性關(guān)系，不同受力模式下強(qiáng)度隨加載速率變化按線性回歸的參數(shù)見表4。

由圖1和表4可見：加載速率對瀝青混合料強(qiáng)度有顯著影響；不同受力模式下強(qiáng)度均隨加載速率的增大而增大，加載速率較低時強(qiáng)度隨速率增加較快；隨著加載速率的增大，強(qiáng)度增加的幅度漸漸平緩，瀝青混合料強(qiáng)度隨加載速率v可近似表示為冪函數(shù)關(guān)系，且相關(guān)性較好。不同受力模式下強(qiáng)度隨加載速率的冪函數(shù)回歸方程見表4中最后1列。

厄瓜多爾礦業(yè)副部長費(fèi)爾南多·貝納爾卡薩(Fernando Benalcázar)日前在澳大利亞舉辦的國際采礦和資源會議上表示，政府的一大戰(zhàn)略目標(biāo)是在2021年將礦業(yè)對GDP貢獻(xiàn)率從目前的1.55%提升至4%。

圖1 不同受力模式下強(qiáng)度隨加載速率的變化規(guī)律Fig.1 Strength variation with loading rate under different force modes

表3 不同受力模式、不同加載速率下的瀝青混合料強(qiáng)度試驗結(jié)果Table 3 Strength test results of asphalt mixture under different force modes and different loading rates

表4 不同受力模式下強(qiáng)度隨加載速率變化的回歸參數(shù)Table 4 Regression parameters of strength variation with loading rate under different force modes

3.2 不同加載速率下瀝青混合料的破壞模式

瀝青混合料是典型的黏彈性物質(zhì)，其破壞形態(tài)受加載速率影響。在不同使用條件下，菅原提出了瀝青混合料3種破壞模式：脆性破壞、柔性破壞及過渡區(qū)破壞[1]。圖2所示為不同加載速率下彎拉試驗、直接拉伸試驗和劈裂試驗的荷載-變形曲線。由于抗壓試驗時為了保護(hù)試驗儀器，在荷載達(dá)到最大值之后就停機(jī)，荷載-變形曲線不完整，因此，沒有給出單軸壓縮試驗的荷載-變形曲線。

由圖2可見：隨著加載速率的增大，荷載-變形曲線的峰值逐漸增大，定義荷載-變形曲線的峰值為破壞點(diǎn)，可以求得相應(yīng)破壞強(qiáng)度，說明強(qiáng)度隨加載速率的增大而逐漸增大，當(dāng)加載速率較高時，如彎曲試驗和直接拉伸試驗加載速率100 kN/s、劈裂試驗加載速率為400 kN/s時，荷載-變形近似呈線性關(guān)系，瀝青混合料呈脆性破壞，破壞表現(xiàn)為突然的破斷(如彎曲和直接拉伸強(qiáng)度)或崩裂(如劈裂強(qiáng)度)，一到破壞點(diǎn)立即喪失承載能力，破壞斷面中往往可見粗集料的斷裂破壞；當(dāng)加載速率較低，如彎拉試驗的加載速率為10 N/s、直接拉伸和劈裂試驗的加載速率為0.1 N/s時，荷載-變形關(guān)系呈曲線形式，瀝青混合料發(fā)生流動變形時的柔性破壞，荷載達(dá)到最大值時，試件已明顯產(chǎn)生裂縫，實際上已經(jīng)破壞。荷載-變形曲線過峰值后，試件仍有一定的承載能力，破壞方式以微裂縫的形式存在;當(dāng)加載速率由高向低變化時，瀝青混合料的破壞形式逐漸由脆性破壞向柔性破壞過渡；介于脆性破壞和柔性破壞二者之間的為過渡區(qū)破壞模式。荷載-變形曲線在保持一段直線關(guān)系后在接近峰值時產(chǎn)生類似于屈服點(diǎn)的轉(zhuǎn)折或微小曲線，過了峰值后，即使并非馬上斷裂也只能維持極短時間而破斷。通過以上3種受力模式下不同加載速率的瀝青混合料強(qiáng)度試驗結(jié)果驗證了菅原所提出的破壞模式。

圖2 不同加載速率下強(qiáng)度試驗的荷載-變形曲線Fig.2 Load-deformation curves of strength test under different load rates

3.3 強(qiáng)度參數(shù)隨加載速率的變化規(guī)律

根據(jù)瀝青混合料的顆粒性特征，其強(qiáng)度構(gòu)成來源于2個方面：由于瀝青存在而產(chǎn)生的黏結(jié)力和由于集料存在而產(chǎn)生的內(nèi)摩阻力。普遍采用摩爾-庫侖理論作為分析瀝青混合料的強(qiáng)度理論，參數(shù)黏結(jié)力c和內(nèi)摩阻角φ作為強(qiáng)度理論的分析指標(biāo)。摩爾-庫侖的理論表達(dá)式為[1]：

瀝青混合料強(qiáng)度參數(shù)黏結(jié)力c和內(nèi)摩阻角φ可通過測定無側(cè)限抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度予以換算。當(dāng)無側(cè)限抗壓時，相當(dāng)于σ1=pC及σ3=0，代入式(5)得：

當(dāng)直接拉伸時，相當(dāng)于σ1=0及-σ3=pD，

聯(lián)立式(6)和式(7)得：

通過進(jìn)行單軸壓縮試驗和直接拉伸試驗獲得不同加載速率下的抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，應(yīng)用式(8)和式(9)計算不同加載速率下的瀝青混合料內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c，所得不同加載速率下強(qiáng)度參數(shù)結(jié)果見表5。瀝青混合料內(nèi)摩擦角和黏聚力隨加載速率的變化規(guī)律見圖3。

由圖3可見：瀝青混合料黏聚力隨加載速率增大先急劇增大而后趨于平穩(wěn)；內(nèi)摩擦角隨加載速率變化規(guī)律正好與黏聚力變化規(guī)律相反，先急劇減小而后趨于平穩(wěn)。黏聚力和內(nèi)摩擦角隨加載速率變化的原因可能是較高的加載速率對應(yīng)較短的加載時間，瀝青混合料將發(fā)生脆性破壞；較低的加載速率對應(yīng)較長的加載時間，瀝青混合料呈現(xiàn)流動變形破壞。當(dāng)呈現(xiàn)流動變形破壞時，瀝青混合料的黏聚力減小，強(qiáng)度主要由內(nèi)摩擦阻力提供；隨著加載速率的增大，破壞模式逐漸向脆性破壞過渡，黏聚力逐漸增大，內(nèi)摩擦阻力逐漸減小。

圖3 內(nèi)摩擦角和黏聚力隨加載速率變化規(guī)律Fig.3 Internal friction angle and cohesion of asphalt mixtures under different load rates

4 不同受力模式下瀝青混合料強(qiáng)度對比分析

4.1 不同受力模式下瀝青混合料強(qiáng)度對比

不同受力模式下瀝青混合料的強(qiáng)度比較應(yīng)基于相同的應(yīng)變速率進(jìn)行[13-14]，根據(jù)表3中的試驗結(jié)果，得出不同受力模式下應(yīng)變率與強(qiáng)度的關(guān)系，如圖4所示。

強(qiáng)度隨應(yīng)變率變化在雙對數(shù)坐標(biāo)中呈線性關(guān)系，用下列方程進(jìn)行擬合：

式中：σmax為混合料的強(qiáng)度；ε˙為應(yīng)變率；A和B為擬合參數(shù)。

不同受力模式下的擬合結(jié)果見表6。由圖4可知：在相同應(yīng)變率條件下，瀝青混合料的強(qiáng)度受加載方式的影響，不同受力模式下的強(qiáng)度由大至小依次為抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、直接拉伸強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度；隨著應(yīng)變率的增加，不同受力模式下的瀝青混合料強(qiáng)度均增大，兩者在雙對數(shù)坐標(biāo)中呈線性關(guān)系，這意味著只有當(dāng)應(yīng)變率發(fā)生量級變化時，才會對強(qiáng)度有顯著影響。斜率B反映了強(qiáng)度隨應(yīng)變率的敏感程度，直接拉伸試驗的B最大，說明直接拉伸強(qiáng)度隨應(yīng)變率變化最敏感。

圖4 不同受力模式強(qiáng)度隨應(yīng)變率變化規(guī)律Fig.4 Variation of strength with strain rate under different force modes

表6 強(qiáng)度隨應(yīng)變率變化線性擬合結(jié)果Table 6 Linear fitting results of changes in strength with strain rate

4.2 不同受力模式下強(qiáng)度的比較分析

不同試驗方式的力學(xué)原理不同，在無側(cè)限抗壓試驗條件下，瀝青混合料試件承受壓應(yīng)力，集料顆粒相互靠近，抗壓強(qiáng)度主要取決于由集料顆粒所形成的內(nèi)摩阻力和嵌擠力，由于內(nèi)摩阻力和嵌擠力遠(yuǎn)大于黏結(jié)力，所以，抗壓強(qiáng)度大于其他3種受力模式下的強(qiáng)度；由于內(nèi)摩阻力和嵌擠力主要是由集料形成的，集料受應(yīng)變率的影響較小，所以，抗壓強(qiáng)度隨應(yīng)變率變化不敏感，抗壓強(qiáng)度的B最小。

在直接拉伸試驗條件下，集料之間填充的膠結(jié)料發(fā)揮良好的黏結(jié)作用，抗拉強(qiáng)度主要取決于瀝青膠漿、瀝青與礦料間的黏結(jié)力，所以，4種受力模式中直接拉伸強(qiáng)度最小。由于這種黏結(jié)力主要是由瀝青膠結(jié)料形成的，瀝青膠結(jié)料是一種黏彈性物質(zhì)，其對應(yīng)變率較敏感，直接拉伸試驗強(qiáng)度隨應(yīng)變率的B最大。

在三點(diǎn)彎拉試驗條件下，小梁內(nèi)部形成拉應(yīng)力區(qū)和壓應(yīng)力區(qū)，壓應(yīng)力主要由骨架所形成的內(nèi)摩阻力和嵌擠力承受，拉應(yīng)力主要由瀝青膠漿、瀝青與礦料間的黏結(jié)力承受，彎拉強(qiáng)度間于抗壓強(qiáng)度和直接拉伸強(qiáng)度之間，彎拉試驗的B也介于抗壓強(qiáng)度和直接拉伸強(qiáng)度試驗的B之間。劈裂試驗即間接拉伸試驗，劈裂試驗試件沿著加載方向，中部產(chǎn)生拉應(yīng)力，兩端產(chǎn)生的是壓應(yīng)力，劈裂強(qiáng)度及隨應(yīng)變率的敏感性均與直接拉伸試驗結(jié)果很接近。

5 結(jié)論

(1) 加載速率對瀝青混合料強(qiáng)度有顯著影響，不同受力模式下強(qiáng)度均隨加載速率的增大而增大，強(qiáng)度隨加載速率v可近似表示為冪函數(shù)關(guān)系。

(2) 瀝青混合料黏聚力c隨加載速率增大先急劇增大而后趨于平穩(wěn)，內(nèi)摩擦角φ隨加載速率變化規(guī)律正好與黏聚力規(guī)律相反，先急劇減小而后趨于平穩(wěn)；較高的加載速率瀝青混合料呈脆性破壞；較低的加載速率瀝青混合料呈現(xiàn)柔性破壞。

(3) 在相同應(yīng)變率條件下，瀝青混合料強(qiáng)度受加載方式的影響，其影響程度由大至小依次為抗壓強(qiáng)度、彎拉強(qiáng)度、直拉強(qiáng)度和劈裂強(qiáng)度，并從瀝青混合料結(jié)構(gòu)組成對不同受力模式下強(qiáng)度差異進(jìn)行了解釋。

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