瀝青混凝土雙軸壓縮強度試驗研究

鎖利軍 栗培龍 王秉綱

(山西工程技術學院土木工程系1) 陽泉 045000) (長安大學特殊地區公路工程教育部重點實驗室2) 西安 710064)

0 引 言

開放交通后的瀝青路面,降溫作用時易產生開裂,高溫作用時會產生車轍,這都與瀝青混凝土的強度不足有關[1].在瀝青混凝土強度研究中,用到了局部三軸壓縮試驗方法、三軸剪切試驗方法、半圓彎拉強度試驗方法、間接拉伸強度試驗方法、小梁三點彎拉試驗方法、四點彎曲疲勞試驗方法、單軸貫入試驗方法及平面應變試驗方法[2-6].現行JTG E20—2019《公路瀝青及瀝青混合料試驗規程》[7]中瀝青混合料單軸壓縮試驗、馬歇爾穩定度試驗和三軸壓縮試驗都是評價瀝青混凝土的強度的試驗方法.近年來,三軸壓縮試驗方法在瀝青混合料抗剪性能研究中應用廣泛,通過三軸壓縮試驗研究兩種瀝青混合料的抗剪強度參數,分析不同情況下瀝青混合料的黏聚力、內摩擦角值、抗剪性能[8-9].

文中基于不同形狀試件受力特點,選擇立方體試件建立了考慮第二主應力的雙軸試驗方法.以此為基礎,研究第二主應力對瀝青混凝土強度變化影響的規律和瀝青混凝土應力應變曲線的變化規律.

1 瀝青混凝土雙軸試驗方法

1.1 雙軸試驗試件形狀

馬歇爾穩定度試驗和瀝青混合料閉式三軸試驗都采用圓柱體試件[10],其應力狀態見圖1a).立方體試件應力狀態見圖1b).立方體試件六個面的面積相等,試驗中可控制三個主應力大小,便于進行試驗的加載操作.這也是圓柱體試件不能實現的.因此,試驗采用立方體形狀試件.

圖1 兩種形狀試件

1.2 瀝青混凝土雙軸試驗儀設計

1) 設計考慮的因素 瀝青混凝土雙軸試驗儀器設計以立方體形狀試件為基礎,考慮三個主應力的大小與方向、加載方式、平面應變條件、試件尺寸、試件變形等因素.

2) 瀝青混凝土雙軸試驗儀構成 以立方體試件為基礎進行瀝青混凝土雙軸試驗儀設計.瀝青混凝土雙軸試驗儀器由雙軸壓力室、變形檢測裝置、靜態電阻應變儀、數據采集系統、水平剛架、千分表、電阻應變計等組成.雙軸壓力室由兩塊1 cm厚的鋼板、應變檢測系統和數據采集系統構成.水平剛架包括兩塊厚10 mm的剛性鋼板、四根螺桿和上下兩個專用壓頭.在試件裝配好后,壓頭用來傳遞軸向壓力,鋼板和螺桿的作用是限制試件在側限方向上的變形.變形檢測裝置位于兩塊鋼板的外側,用于檢測試驗中鋼板產生的側向位移,它由兩個支架和四個千分表構成.無鋼板約束自由面貼兩個電阻應變計,并與靜態電阻應變儀連接,以檢測試驗中試件側面的變形情況.數據采集系統與MTS多功能試驗機連接.瀝青混凝土雙軸試驗儀見圖2.

圖2 瀝青混凝土雙軸試驗儀

1.3 力學驗證

瀝青混凝土雙軸試驗中試件受力的力學問題是空間問題,但由于試件具有特殊的形狀(立方體形狀),并且承受的是平行于橫截面的外力(MTS豎向加載壓頭用來傳遞軸向壓力)和約束(鋼板和螺桿的作用是限制試件在側限方向上的變形),這樣,可把空間問題簡化為平面問題,見圖3.

圖3 試驗中試件力學模型

圖3中,xy平面為試件橫截面,y方向為MTS豎向加載壓頭用來傳遞軸向壓力,與xy平面垂直的z方向為限制試件發生側限變形的方向.該平面問題屬于平面應變問題,沿z方向的正應變與正應力滿足:

εz=0σz≠0

(1)

通過力學推導驗證試驗中是否滿足式(1).Z方向螺桿連接的與試件橫截面接觸的剛性鋼板的剛度K1和彈性模量E1:

K1=F1/Δl1

E1=(F1·l)/(Δl1·A)

(2)

式中:F1為立方體試件作用于剛性鋼板的力;Δl1為z方向螺桿連接的與試件橫截面接觸的剛性鋼板的的軸向變形量;E1為剛性鋼板的彈性模量;l為立方體試件邊長.

立方體試件與z方向螺桿連接的鋼板完全接觸且互相作用,為

(3)

假設z方向螺桿連接的與試件橫截面接觸的剛性鋼板的位移Δl1與立方體試件在z方向的位移Δl2相等,試件的應變為

ε22=-Δl2/l

(4)

用廣義虎克定律表示立方體試件在Z方向的應變:

(5)

(6)

(7)

(8)

?=E2/E1

(9)

式中:E1為剛性鋼板的彈性模量,約為200 GPa;E2為瀝青混凝土的彈性模量,約為1 500 MPa.E1?E2,式(8)轉化為式(10).

σ22=ν(σ11+σ33)

(10)

將其代入式(5)得到:

ε22=0σ22≠0

(11)

力學推導驗證表明,式(11)與式(1)完全一致,說明試驗中力學模型正確,試驗方法有效,試驗結果可信.

2 試驗原材料

試驗采用AC-16瀝青混凝土,瀝青試驗指標見表1.礦料的合成級配見圖4.

表1 瀝青試驗指標

圖4 AC-16型礦料級配曲線

3 物理力學性能及應力應變分析

3.1 瀝青混凝土物理力學性能

以油石比3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%成型輪碾車轍板試件.鉆芯取樣,按標準方法進行不同油石比的芯樣試件物理力學性能指標測試.按瀝青混合料試驗規程的要求,輪碾板塊試件的碾壓層厚度不小于公稱最大粒徑的1～1.5倍,取輪碾板塊試件的碾壓層厚度為50 mm.將成型輪碾車轍板試件切割成50 mm立方體試件,采用邊長50 mm的立方體試件進行瀝青混凝土雙軸試驗研究.

3.2 瀝青混凝土應力應變曲線分析

雙軸作用下,試驗溫度25℃,加載速率變化時應力應變曲線見圖5.由圖5可知:試驗溫度25℃,加載速率變化不會改變應力-應變曲線的形式,隨著加載速率的增大,瀝青混合料應力-應變曲線明顯抬高.三條應力-應變曲線具有前期小范圍線性增長,中期非線性快速增長,后期增長趨緩的特點,根據應力-應變曲線的特點,瀝青混凝土雙軸強度取應力-應變曲線的最高點.

圖5 25℃雙軸不同加載速率的應力應變曲線

試驗溫度25℃、加載速率2 mm/min時,雙軸、單軸的應力應變曲線對比見圖6.

圖6 25℃加載速率2 mm/min單雙軸應力應變曲線

由圖6可知:雙軸應力-應變曲線明顯高于單軸應力應變曲線,應變值大于0.010后,兩條應力-應變曲線的開口明顯放大,同樣應變時,雙軸應力-應變曲線對應的應力值要明顯大于單軸條件的應力值.

4 試驗溫度、加載速率對雙軸強度影響

4.1 不同溫度時立方體雙軸強度對比

加載速率2 mm/min,15、20℃的立方體雙軸強度變化見圖7a).由圖7a)可知:加載速率2 mm/min時,15℃的立方體雙軸強度明顯高于20℃的值,油石比從3.5%經4%變化到4.5%,15、20℃的立方體雙軸強度變化趨勢基本一致,當油石比從5%變化到5.5%時,15,20℃的立方體雙軸強度增長趨勢變緩,后者還有下降的趨勢.

加載速率5.08 mm/min,15,25℃的立方體雙軸強度變化見圖7b).由圖7b)可知:加載速率5.08 mm/min時,15℃的立方體雙軸強度明顯高于25℃的值,油石比從3.5%變化到5.5%,15、25℃的立方體雙軸強度變化趨勢基本一致,都呈現非線性增長而后期增長變緩反有下降的趨勢.

加載速率8.16 mm/min,20、25℃的立方體雙軸強度變化見圖7c).由圖7c)可知:油石比從3.5%到4%,20℃的立方體雙軸強度值要高于25℃的值,當油石比從4.5%到5.5%時,25℃的立方體雙軸強度值要高于20℃的值,油石比4.5%是臨界變化點.從總體上看,兩者立方體雙軸強度都非線性增長而后期回落的變化趨勢.產生以上試驗現象機理性分析,有以下兩個原因:①瀝青混凝土力學性能與加載速率大小、試驗溫度高低、加載時間長短、油石比多少等因素有關,并且各個因素互為影響;②試驗中加載速率達到8.16 mm/min時,當油石比大于4.5%,瀝青混凝土骨架中結構瀝青的增加,隨著溫度由20℃升高到25℃,瀝青流動性增大,更好地包裹在石料周圍,粘聚力增大,因此,當油石比從4.5%到5.5%時,25℃的立方體雙軸強度值要高于20℃的值.

圖7 三種加載速率不同溫度的立方體雙軸強度

4.2 不同加載速率立方體雙軸強度對比

試驗溫度20℃,加載速率2,8.16 mm/min的立方體雙軸強度變化見圖8a).由圖8a)可知:加載速率8.16 mm/min的立方體雙軸強度明顯高于加載速率2 mm/min的值,當油石比從4.5%到5.5%時,兩者差距愈加明顯.試驗溫度15℃,2、5.08 mm/min加載速率的立方體雙軸強度見圖8b).由圖8b)可知:加載速率5.08 mm/min的立方體雙軸強度明顯高于加載速率2 mm/min的值,油石比從3.5%到5.5%時,兩者變化趨勢基本一致,前期非線性增大而后期增長變緩.試驗溫度25℃,加載速率5.08,8.16 mm/min的立方體雙軸強度見圖8c).由圖8c)可知:加載速率8.16 mm/min的立方體雙軸強度明顯高于加載速率5.08 mm/min的值,當油石比從3.5%到5.5%時,兩者都非線性增大趨勢發展,而后期兩者差值明顯增大.

圖8 三種試驗溫度不同加載速率的立方體雙軸強度

5 雙軸強度回歸模型分析

5.1 雙軸強度與試驗溫度回歸關系

當加載速率2 mm/min、試驗溫度與強度回歸模型概述見表2.由表2可知:三次曲線模型的相關系數最大,但對估計標準誤差而言,指數曲線模型最小,各模型回歸系數檢驗顯示,指數模型系數的t檢驗最為顯著.因此,選擇指數曲線模型能夠較好地反映溫度與強度回歸關系.

表2 溫度與強度的模型概述

5.2 雙軸強度與加載速率的回歸關系

試驗溫度-10、25℃時,加載速率與雙軸強度的關系模型見表3.由表3可知:與線性模型比較,指數曲線模型的相關系數較大,但對估計標準誤差而言,指數曲線模型較小.

表3 加載速率與強度的模型概述

通過以上分析得知,-10、25℃加載速率與強度的關系滿足式(14),對溫度為-5,0,15,20℃進行回歸分析,系數a、b的回歸結果見式(15)～(16).

y=a·ebx

(14)

(15)

(16)

式中:y為瀝青混凝土雙軸強度,MPa;x為加載速率,mm/min;a、b分別為影響系數;t為試驗溫度,℃.

6 結 論

1) 通過自行設計的瀝青混凝土雙軸試驗儀器,進行瀝青混凝土雙軸壓縮試驗.與傳統的三軸壓縮試驗、單軸壓縮試驗和馬歇爾穩定度試驗相比,采用的立方體試件,能把試驗中三個主應力的方向清晰顯示出來,便于研究第二主應力變化對瀝青混合料的強度的影響.

2) 試驗溫度25℃,雙軸作用下,加載速率分別為2,5.08,8.16 mm/min時應力應變曲線.三條應力應變曲線具有開始階段小范圍線性增長,中期非線性快速增長,后期增長較慢,趨于平緩的特點,根據應力應變曲線的特點,瀝青混凝土雙軸強度取自對應的應力應變曲線的最高點.

3) 不同油石比條件下,試驗溫度對雙軸立方體強度的影響,加載速率2或5.08 mm/min時,15℃的立方體雙軸強度明顯高于20或25℃的值.加載速率8.16 mm/min,油石比4.5%是臨界變化點,小于4.5%時20℃的立方體雙軸強度值要高于25℃的值.大于4.5%時,25℃的立方體雙軸強度值要高于20℃的值.原因是試驗中加載速率達到8.16 mm/min時,當油石比大于4.5%,瀝青混凝土骨架中結構瀝青的增加,隨著溫度由20℃升高到25℃,瀝青流動性增大,更好地包裹在石料周圍,粘聚力增大,因此,當油石比從4.5%到5.5%時,25℃的立方體雙軸強度值要高于20℃的值.

4)不同油石比條件下,加載速率對雙軸立方體強度的影響,試驗溫度15,20,25℃時,加載速率大的立方體雙軸強度明顯高于加載速率小的對應值.得到了加載速率、試驗溫度與雙軸立方體強度的回歸指數模型.