周 燕，李美東，苑瑞星，陳拴發(fā)

(1.天津城市建設(shè)學(xué)院土木工程系，天津300384;2.霍尼韋爾綜合科技(中國)有限公司，上海201203;3.長安大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西西安710061)

0 引言

應(yīng)力吸收層瀝青混合料因具有低彈性模量、高韌性、材料密實(shí)、良好的彈性恢復(fù)性能、優(yōu)良的抗疲勞性能等特點(diǎn)，可以緩解裂縫尖端的應(yīng)力集中、延緩或抑制反射裂縫的發(fā)展［1-4］，延長瀝青混凝土罩面層的服務(wù)壽命［5-7］.由于應(yīng)力吸收層位于接縫(或裂縫)端部，夏季高溫時(shí)，在荷載作用下也會受到較大的剪應(yīng)力作用，因此研究應(yīng)力吸收層瀝青混合料的抗剪性能，保證其上罩面層不出現(xiàn)車轍等破壞具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.許多文獻(xiàn)［8-10］提出了瀝青混合料的抗剪試驗(yàn)方法，但試驗(yàn)復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理困難.應(yīng)力吸收層瀝青混合料，由于集料細(xì)、瀝青用量大、對溫度變化敏感等原因，相關(guān)的抗剪試驗(yàn)方法還處于摸索階段.鑒于此，筆者采用貫入試驗(yàn)來模擬裂縫尖端應(yīng)力吸收層的受力狀態(tài)，研究試件規(guī)格、壓頭大小、礦料級配等對試驗(yàn)結(jié)果的影響，討論應(yīng)力吸收層瀝青混合料貫入試驗(yàn)的可行性及適宜的試驗(yàn)條件.

1 試驗(yàn)方法

1.1 抗壓回彈模量

抗壓回彈模量反映了材料的彈性變形和彈性滯后變形.為滿足計(jì)算及路面設(shè)計(jì)要求，首先確定應(yīng)力吸收層瀝青混合料的抗壓回彈模量.試驗(yàn)采用單軸壓縮試驗(yàn)方法，加載速率均采用2 mm/min，圓柱體試件的直徑為100 mm，高為100 mm，在設(shè)計(jì)級配的最佳瀝青用量下，分別測試了5，15，20，45，60 ℃ 溫度下的抗壓回彈模量，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示.

隨溫度的升高，試件抗壓回彈模量減小;在各溫度條件下，應(yīng)力吸收層混合料抗壓回彈模量較一般瀝青混合料小.如15℃條件下，普通細(xì)粒式密級配瀝青混合料抗壓回彈模量約為2 000 MPa［11］，應(yīng)力吸收層混合料抗壓回彈模量僅為527.4 MPa，約為普通瀝青混合料的0.26倍.表1為貫入試驗(yàn)的數(shù)值模擬提供了試驗(yàn)依據(jù).

1.2 貫入試驗(yàn)

貫入試驗(yàn)是通過一個鋼壓頭在試件上加壓，模擬裂縫尖端應(yīng)力吸收層的受力狀態(tài)，試驗(yàn)方法如圖1所示.

加載鋼壓頭的直徑應(yīng)遠(yuǎn)小于試件的直徑，用r/R表示壓頭和試件直徑的比例.從路面的實(shí)際受力角度，r/R越小越可以模擬應(yīng)力吸收層的實(shí)際受力狀態(tài)，但是壓頭太小試驗(yàn)數(shù)據(jù)會出現(xiàn)較大的變異性，同時(shí)壓頭的大小還受集料尺寸的影響.應(yīng)力吸收層瀝青混合料最大公稱粒徑為4.75 mm，所以壓頭的直徑不可過大.選擇4倍于最大公稱粒徑的壓頭直徑19 mm和6倍于最大公稱粒徑的壓頭直徑28.5 mm進(jìn)行ANSYS計(jì)算分析.同時(shí)，為了試驗(yàn)操作方便，選擇靜壓圓柱形試件直徑和高均為100 mm和馬歇爾試件(100 mm×63.5 mm)進(jìn)行試驗(yàn)的數(shù)值模擬，計(jì)算荷載為實(shí)際試件的破壞力.抗壓回彈模量取500 MPa，泊松比取0.25.

表1 抗壓回彈模量試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Compression rebound modulus test results

圖1 貫入試驗(yàn)方法Fig.1 Penetration test

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 圓柱形試件與Φ28.5 mm壓頭

直徑和高均為100 mm的圓柱形試件在直徑為28.5 mm的壓頭作用下，各主應(yīng)力及剪應(yīng)力沿試件表面分布的路徑圖如圖2～3所示.

第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力在壓頭范圍內(nèi)最大，第三主應(yīng)力約為第一主應(yīng)力的1.4倍.各主應(yīng)力最大值在試件中心處，剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在壓頭邊緣處.無論是第一主應(yīng)力、第三主應(yīng)力還是剪應(yīng)力，在試件外邊緣處應(yīng)力均達(dá)到最小值，第一主應(yīng)力約為最大值的0.1倍，第三主應(yīng)力約為最大值的0.005倍，但剪應(yīng)力約為最大值的0.3倍，說明試件直徑為100 mm時(shí)，直徑28.5 mm的壓頭偏大，試件不能滿足橫向支撐.

為研究試件高度是否滿足應(yīng)力分布的范圍，圖4～5給出了各應(yīng)力沿試件縱向的分布路徑圖.其中，第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力取試件的中心處，而剪應(yīng)力取壓頭邊緣最大剪應(yīng)力處.

可以看出，各主應(yīng)力在距離表面70 mm左右達(dá)到穩(wěn)定值，剪應(yīng)力在距離表面60 mm左右收斂，可見在直徑28.5 mm的壓頭作用下，試件高度可滿足應(yīng)力的縱向分布.

2.2 直徑和高均為100 mm的圓柱形試件與Φ19 mm壓頭實(shí)驗(yàn)研究

圖6為剪應(yīng)力俯視云圖，圖7為第三主應(yīng)力豎向分布云圖.試件表面邊緣處的第三主應(yīng)力約為中心處最大值的0.1倍，試件表面邊緣處的剪應(yīng)力約為壓頭邊緣處最大值的0.1倍，可見Φ100 mm的試件足以滿足各作用力的橫向分布.由圖7可以看出，試件底部邊緣第三主應(yīng)力約為最大值的0.1倍，可見高度100 mm足以提供縱向支撐.

圖6 剪應(yīng)力俯視云圖Fig.6 Top view of shear stress

圖7 第三主應(yīng)力豎向分布云圖Fig.7 Vertical dispersion of the third principal stress

2.3 100 mm×63.5 mm圓柱形試件與Φ28.5 mm壓頭實(shí)驗(yàn)研究

由以上研究可以看出，橫向主要考慮剪應(yīng)力是否超出試件直徑范圍;縱向主要考慮第三主應(yīng)力是否超出試件的高度范圍，所以對100 mm×63.5 mm圓柱形試件僅列出剪應(yīng)力橫向分布云圖與第三主應(yīng)力沿試件中心縱向的分布云圖，分別如圖8、9所示.

圖8 剪應(yīng)力俯視云圖Fig.8 Top view of shear stress

由圖8和圖9可以看出，試件邊緣處剪應(yīng)力為壓頭邊緣最大剪應(yīng)力的0.1倍，滿足橫向支撐;縱向底部邊緣第三主應(yīng)力約為最大主應(yīng)力的0.2倍，高度不滿足縱向的支撐.

2.4 100 mm×63.5 mm圓柱形試件與Φ19 mm壓頭實(shí)驗(yàn)研究

100 mm×63.5 mm圓柱形試件在Φ19 mm壓頭作用下剪應(yīng)力橫向分布云圖與第三主應(yīng)力沿試件中心縱向的分布云圖分別如圖10、11所示.

由圖8、9可以看出，試件邊緣處剪應(yīng)力仍為壓頭邊緣最大剪應(yīng)力的0.1倍;縱向底部邊緣處第三主應(yīng)力約為最大主應(yīng)力的0.1倍;說明在Φ19 mm壓頭作用下高度為63.5 mm的試件完全滿足縱向支撐.

綜上所述，在Φ19 mm壓頭的作用下，兩種試件均可滿足橫向和縱向的支撐;在Φ28.5 mm壓頭的作用下，馬歇爾試件不滿足縱向支撐，圓柱形試件不滿足橫向支撐.

另外，由于應(yīng)力吸收層瀝青混合料最大粒徑偏小，在馬歇爾擊實(shí)儀作用下不可避免地存在粒徑被壓碎的情況，所以宜選擇靜壓法成型的直徑和高均為100 mm的圓柱形試件和Φ19 mm的壓頭進(jìn)行試驗(yàn)研究.

3 試驗(yàn)方法評價(jià)

為了加強(qiáng)對比結(jié)果，選擇7種代表性改性瀝青，如:SBR改性、SBS改性、SAM改性、QP改性、GC改性、TPS改性以及STR改性瀝青，進(jìn)行混合料貫入試驗(yàn).其中，試件采用第2節(jié)的圓柱形試件，壓頭直徑為19 mm.礦料級配對混合料的高溫抗剪能力有較大的影響，對設(shè)計(jì)級配、級配上限和級配下限分別進(jìn)行7種改性瀝青的貫入試驗(yàn).3種級配、7種瀝青樣品下的貫入試驗(yàn)破壞荷載如圖12所示:

圖12 級配類型對貫入破壞荷載的影響Fig.12 Effect of gradation type on penetration failure load

可以看出，在級配上限和級配下限時(shí)，混合料的破壞荷載明顯偏小.一方面說明設(shè)計(jì)的級配顆粒比較均勻，瀝青用量合理，混合料具有較好的內(nèi)摩阻力和粘聚力;另一方面也說明:在設(shè)計(jì)的圓柱形試件和壓頭作用下，貫入試驗(yàn)方法可以較好地區(qū)分礦料級配的優(yōu)劣，數(shù)值模擬和實(shí)際試驗(yàn)方法相吻合，圓柱形試件尺寸和壓頭尺寸選擇較為合理.

4 結(jié)論

(1)各溫度條件下，應(yīng)力吸收層混合料抗壓回彈模量較一般瀝青混合料小，15℃條件下的抗壓回彈模量約為普通細(xì)粒式密級配瀝青混合料的0.26倍.

(2)計(jì)算分析表明，Φ19 mm壓頭和Φ28.5 mm壓頭分別作用在靜壓法成型的試件和馬歇爾試件上時(shí)，各主應(yīng)力最大值出現(xiàn)在試件中心處，剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在壓頭邊緣處.在Φ19 mm壓頭的作用下，馬歇爾試件和靜壓圓柱形試件均可滿足橫向和縱向支撐;在Φ28.5 mm壓頭的作用下，馬歇爾試件不滿足縱向支撐，靜壓圓柱形試件不滿足橫向支撐.應(yīng)力吸收層瀝青混合料貫入試驗(yàn)推薦采用Φ19 mm壓頭和靜壓法成型的高和直徑均為100 mm的圓柱形試件.

(3)用室內(nèi)試驗(yàn)檢驗(yàn)了設(shè)計(jì)圓柱形試件和壓頭對貫入試驗(yàn)的可行性.結(jié)果表明:貫入試驗(yàn)方法可以較好地區(qū)分礦料級配的優(yōu)劣，數(shù)值模擬和實(shí)際試驗(yàn)方法相吻合，貫入試驗(yàn)可用于應(yīng)力吸收層瀝青混合料抗剪性能的評價(jià).

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