何 巖 蘇洪建 蔣應軍

（1、許昌市公路事業(yè)發(fā)展中心，河南 許昌 461670 2、長安大學公路學院，陜西 西安 710064）

數值試驗可顯著減少室內試驗的試驗成本和試驗時間，在道路工程領域逐漸成為研究熱點[1-2]。不少道路研究人員展開了瀝青混合料數值試驗的相關研究，也得到了大量的成果證明了數值試驗的可靠性[3]。

梁何浩等人利用離散元研究了瀝青混合料的劈裂強度，構建了瀝青混合料劈裂數值試驗，研究發(fā)現劈裂數值試驗得到的變形曲線與室內試驗基本一致，具有良好的相關性[4]。常明豐等人借助離散元方法、圖像處理技術等研究了間接拉伸數值試驗試件內部力鏈發(fā)展，研究表明了瀝青混合料間接拉伸數值試驗的可靠性以及離散元方法在分析細觀機理方面的優(yōu)勢[5]。夏怡等人為了研究瀝青混合料空隙率、級配等因素對半圓彎曲強度的影響，建立了半圓彎拉數值試驗，并分析了瀝青混合料斷裂特性以及力鏈分布[6]。這些研究極大地推動了離散元方法在瀝青混合料中的推廣。

上述研究均未指出溫度對瀝青混合料的影響，僅研究了規(guī)范方法上的溫度。事實上，瀝青混合料對溫度較為敏感，尤其是在高溫條件下[7]。溫度的變化在室內試驗中體現在試件強度或性能的變化，但在數值試驗中，尚未達成統(tǒng)一看法，導致了數值試驗結果可靠性降低。同濟大學孫立軍教授提出了單軸貫入試驗來描述高溫下瀝青路面車轍破壞，以單軸貫入強度為指標評價瀝青混合料高溫性能，在道路工程領域得到了廣泛認可[8-9]。蔣應軍等人研究了單軸貫入數值試驗的標準試驗條件，包括試件尺寸、加載速率和計算時步等，優(yōu)化了單軸貫入數值試驗的模型參數，并分析了單軸貫入數值試驗試件內部應變發(fā)展過程，驗證了在60℃條件下，單軸貫入數值試驗的可靠性[10-11]。

因而，溫度對瀝青混合料的影響在數值試驗中尚未得到有效解決，這無疑阻礙了數值試驗的應用?；诖耍疚幕趩屋S貫入試驗，研究溫度對單軸貫入數值試驗模型參數的影響，從模型參數的變化解釋溫度對瀝青混合料的影響；此外，結合室內試驗驗證了數值試驗的可靠性。研究成果有望推動數值試驗的發(fā)展，為構建全溫度域的瀝青混合料數值試驗提供理論基礎。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

1.1.1 瀝青室內單軸貫入試驗采用新加坡埃索A-70#基質瀝青，技術指標見表1。

表1 Esso A-70 號基質瀝青技術指標

1.1.2 集料

室內單軸貫入試驗采用的粗集料為興達采石場生產的角閃巖，細集料為商洛市正泰礦業(yè)有限公司石灰?guī)r機制砂，技術指標分別見表2 和表3。

表2 粗集料技術指標

表3 細集料技術指標

1.1.3 礦料級配

室內試驗瀝青混合料所采用AC-20 混合料的礦料級配見表4。

表4 AC-20 混合料級配

1.2 單軸貫入試驗

為簡化三軸試驗，并有效的模擬車輛荷載作用下路面的實際受力狀態(tài)，同濟大學的孫立軍教授提出了單軸貫入試驗，該試驗是通過一個壓頭對瀝青混合料試件進行加壓，當壓頭直徑和試件直徑之比足夠小時，就可充分模擬路面的受力狀態(tài)，室內單軸貫入試驗見圖1。瀝青混合料單軸貫入試驗強度按式（1）計算：

圖1 室內單軸貫入試驗

1.3 單軸貫入數值試驗

1.3.1 瀝青混合料數值模型

瀝青混合料單軸貫入數值試驗的數值模型生成過程如下：①軟件生成Φ100mm×h100mm 圓柱體試模。②根據每檔集料顆粒的總體積與每檔集料單個顆粒體積之間的換算關系得到每檔集料需要生成的顆粒數目，采用逐級填充的方式，先生成大粒徑的粗集料后依次生成小一檔的粗集料直至所有顆粒全部生成。在顆粒的生成過程中，為了確保生成的顆粒體積與計算得到的體積相同，避免出現顆粒的生成數少于計算數的情況，本文先將所有顆粒的粒徑統(tǒng)一縮小十倍，待全部生成后，再統(tǒng)一放大。③將瀝青砂漿的形狀定為球形顆粒，出于計算機性能以及計算效率等因素的考量，將瀝青砂漿的最小顆粒粒徑設為2.36mm，生成緊密接觸的布滿整個模擬試模內部的粒徑為2.36mm 的瀝青砂漿顆粒。④粗集料按照級配生成，并與瀝青砂漿顆粒模型進行耦合。⑤生成一定數量的粒徑為2.36mm 的空隙顆粒以此來模擬空隙，并將其與瀝青混合料初步模型進行耦合。

1.3.2 試驗過程模擬

在軟件中，對實際貫入桿進行模擬，生成尺寸Φ28.5mm×h50mm 的圓柱體狀墻體，生成底座。設定貫入壓頭的速度為1mm/min，當貫入壓頭接觸瀝青混合料數值試件表面后，以50 個計算時步為最小記錄單位，每50 個計算時步記錄一次貫入壓頭與瀝青混合料數值試件接觸面的接觸力與位移。單軸貫入數值試驗見圖2。

圖2 單軸貫入數值試驗

2 不同溫度下平行粘結強度值

不同溫度下粘結層平行粘結內聚力pb_coh 與平行粘結摩擦角pb_fa，見表5。

表5 不同溫度下粘結層pb_coh 與pb_fa

為了研究溫度對瀝青混合料的影響，需確定不同溫度下適宜的pb_ten 值，本文在45℃、30℃和15℃的pb_coh、pb_fa 值下，對瀝青混合料進行數值模擬試驗，三種溫度下pb_ten 值與抗剪強度的關系見圖3。其中，由于pb_ten 主要和pb_shear 有關，其它因素對其影響不大，因此，為了便于研究，試驗中除pb_coh 與pb_fa 外，均采用60℃溫度下的模型參數。

圖3 不同溫度下平行粘結法向強度pb_ten～抗剪強度關系圖

由圖3 可知：在60℃、30℃和15℃下的數值試件抗剪強度均隨pb_ten 的增大而增大，抗剪強度達到一定值后趨于穩(wěn)定；溫度越低，抗剪強度越大。在60℃、30℃和15℃參數下的抗剪強度曲線，待其平穩(wěn)后所對應的pb_ten 最小值均與平行粘結內聚力pb_coh 大小相當，故建議平行粘結法向強度pb_ten 與平行粘結內聚力pb_coh 取值相等。因此，確定不同溫度下數值試件平行粘結法向強度pb_ten 數值大小，見表6。

表6 不同溫度下瀝青混合料的pb_ten 值

3 不同溫度下瀝青砂漿剛度和粘結層平行粘結剛度

計算不同瀝青砂漿剛度大小下的粘結層平行粘結剛度，得到單軸貫入數值試驗的應力～應變曲線，結合室內試驗的單軸貫入曲線，最終確定不同溫度下合適的瀝青砂漿剛度和粘結層平行粘結剛度，結果見表7。

表7 不同溫度下瀝青砂漿剛度參數大小

4 數值試驗可靠性

為了驗證本文研究參數的準確性，進行單軸貫入數值試驗，測定瀝青混合料數值試件的抗剪強度，并與室內試驗數據作對比分析，結果見表8。

表8 不同溫度下室內試驗與模擬試驗抗剪強度對比

由表8 可知，不同溫度下模擬抗剪強度值與實際抗剪強度值的誤差均較小，證明了參數選擇的合理性。

5 結論

5.1 本文構建了單軸貫入數值試驗，研究了不同溫度下單軸貫入數值試驗中平行粘結強度、瀝青砂漿剛度和粘結層平行粘結剛度的變化規(guī)律，溫度的升高會降低平行粘結強度和瀝青砂漿剛度，但對粘結層平行粘結剛度有提升作用。

5.2 結合室內試驗驗證了不同溫度單軸貫入數值試驗的可靠性，誤差＜5%。