考慮非均勻性的瀝青混凝土間接拉伸強度測定儀研制與應用*

李曉軍 王貴榮 馮 樊

(西安科技大學道路災害防治研究所 西安 710054)

瀝青混凝土是由集料、瀝青和空隙組成的一種典型的非均勻、各向異性材料,其力學行為遠比人們認識到的復雜,其性能既受到環境因素的影響,也受到瀝青、集料和空隙的體積含量影響和這些因素矢量化的空間體積分布影響.

美國聯邦公路局組織SIM AP 項目研究組,采用數字圖象處理技術研究瀝青混合料的內部體積組成及力學性能.根據工業CT 獲取了圓柱形瀝青混合料試件的內部結構組成[1-5].在國內,華南理工大學等研究機構也已經開展了類似的研究,并已取得初步成果,已經可以采用“簇集”、分形幾何的方法研究瀝青混合料的非均勻問題.

非均勻概念也可以用來分析瀝青路面施工質量和離析問題.瀝青路面離析是水損壞發生的主要根源,在離析處瀝青混合料的空隙率顯著增大,疲勞壽命大幅度降低,長期浸水和車輪荷載造成的動水壓力使得離析處材料松散破碎,最后成長為坑槽.與車轍損壞不同,水損害造成的坑槽具有隨機分布的特點,不可能采用平均的概念預測水損壞的發生與發展,瀝青路面施工后的非均勻性評價十分重要.

在道路工程中,瀝青混凝土的間接拉伸強度是公路路面結構設計的重要指標之一.目前,級配離析對混合料影響的研究大部分是定性研究,缺少定量的分析研究成果,更缺少可以考慮非均勻性的瀝青混凝土間接拉伸強度測定儀器.

研究人員對土木工程材料非均勻性對其內部破損影響歷來重視,在國內利用CT 專用三軸試驗機已開展了大量巖石、煤、土、凍土、瀝青混合料等巖土材料在三軸和單軸壓縮條件下內部結構和損傷擴展的CT 實時掃描試驗,CT 專用三軸試驗機為深入研究土木材料的損傷演化理論提供了新手段[6-9].但由于能夠與C T 機配套使用的間接拉伸設備的缺失,瀝青混凝土內部結構的非均勻性對其抗拉特性的影響研究并不多見.

本文在以往研究的基礎上,設計了一套新的試驗設備,試件設計成圓環形,對試件內壁施加均布徑向水壓力使其拉伸變形和破壞.在徑向水壓力作用下,試件沿半徑方向在試件內壁產生相同拉應力,在拉應力作用下,根據試樣本身的不均勻性會在試件最薄弱處產生破裂面.試驗結果表明:數據穩定可靠,散布小,重復性好,所提供的試驗裝置簡單而有效.同時該設備可以配合計算機層析CT 掃描需要,為研究瀝青混凝土非均勻性對間接拉伸強度的影響奠定了基礎.

1 測試原理及設備研制

1.1 測試原理

根據彈性力學理論,設有圓環,內半徑為a,外半徑為b,受內壓力qa及外壓力qb作用.如果內壓力qa作用,qb=0,則

式中:σr為徑向正應力;σθ為環向正應力.

根據式(1)可得出:σr總是壓應力,σθ總是拉應力,拉應力在圓環試件內壁最大.且|σθ|＞|σr|.考慮到巖土材料的抗拉強度遠小于其抗壓強度,因此圓環的破壞只可能是首先出現在內壁的拉伸破壞.當qa足夠大時,圓環內壁拉應力σθα達到材料的抗拉強度σt,內壁出現裂紋;由于裂紋尖端的應力集中,裂紋迅速擴展而使試樣拉斷破壞.因此可以認為,圓環拉斷破壞時的最大內壓力qamax所對應的內壁環向拉應力σθαmax就是試樣的拉伸破壞強度σt.把圓環的設計尺寸 a =25 mm,b=75 mm,r=25 mm 代入σθ的表達式,即可得到材料的抗拉強度的表達式,則有

考慮到圓環試件的尺寸并不完全符合彈性力學中平面問題的假設要求.為了修正試件尺寸帶來的誤差,采用三維有限元法(試件厚度50 mm)對相關問題進行了力學分析并采用與式(2)類似的模式進行歸納分析.從應力分布矢量圖中可以明顯看出,最大拉應力出現在環形試件內壁,且該點拉應力大于壓應力.有限元修正解所得表達式如式(3)所示,最終采用式(3)進行計算.

測試基于如下假設條件:(1)試樣破壞前試樣處于小變形狀態;(2)試樣為拉壓性能不同的不可壓縮的理想彈性材料;(3)試件與底座之間的摩擦力可以忽略不計;(4)在關閉加圍壓孔洞的條件下,試樣外側氣體等溫壓縮;(5)乳膠膜的膨脹力忽略不計.

1.2 設備研制

圖1 有限元分析結果圖

圖2 試驗裝置結構示意圖

試驗裝置結構示意圖如圖2 所示,整個試驗裝置由試件成型與托放裝置、加載裝置和數據采集系統3部分組成.試驗主要流程包括:將制好的環形試件放入試驗裝置上,使用加載機推動油缸上升,液壓油通過油管注入乳膠膜中,從而使乳膠膜膨脹,在試件內壁施加壓應力.油缸活塞上升一定高度,注入乳膠膜中的液壓油達到一定體積而具有一定的壓力,試件拉伸破壞.位移傳感器固定在加載機上,并與加載機底座連接,可記錄活塞上升高度.壓力傳感器通過三向接頭與油缸、乳膠膜密封底座連接,由于液體內部壓力的一致性,壓力傳感器采集的壓力即是油缸壓力也是乳膠膜內部壓力,即試件內部壓力.將位移傳感器和壓力傳感器與數據采集系統連接,通過計算機輸出可采集到動態數據.測量系統由應變式壓力傳感器、位移傳感器、放大器和動態數據采集器等組成,試驗過程中試樣內壁的徑向應力和內腔體積變化分別由壓力傳感器和位移傳感器測量,并由動態數據采集器記錄.加載機由路面強度材料測試儀改裝,最大荷載10 kN ,加載速率為50 mm/min,由于加載速率較高,整個系統未設置恒溫箱.

2 試驗驗證

2.1 試樣制備

本次試驗采用靜壓法成型試件,實際應用中可從輪碾機成型的板塊試件上用鉆心機鉆取試樣,或者采用旋轉擊實或大型馬歇爾擊實成型試件后,鉆取試樣并切割成型.也可從施工現場鉆取試樣后修整成型.

2.2 試驗驗證

考慮到該設備的特點,為檢驗該設備是否能在測試過程中充分反映材料均勻性的影響,分別采用重塑黃土和AC-13 瀝青混凝土試件了驗證.具體如下.

1)選用西安黃土,最佳含水量ω=13.0%,最大干密度ρdmax=1.80 g/cm3.設計了一套模具和脫模裝置,采用壓實法成型.制成的試件尺寸為內半徑a=25 mm,外半徑b=75 mm ,高h=50 mm.根據公路路基的特點和填筑要求,本試驗中土樣壓實度采用90%,93%,98%,100%4 種.各級壓實度下初始含水量又分別采用8.6%,10.3%,13.1%,15.4%4 種,各種情況下做5 個平行試件,測試結果與文獻[10]中結果類似.通過多元回歸分析,可得出抗拉強度與含水量和干密度的關系式:

對試驗中試件的破壞形式進行了統計.統計結果表明:對于近似均勻的重塑黃土試件,絕大多數試件為均勻斷裂形式破壞,試件典型破壞形式如圖3a)所示.

2)選用石灰巖集料,采用AC-13 級配中值.為和壓實黃土試件對比,采用了相同的模具和脫模裝置,采用壓實法成型.制成的試件尺寸為內半徑a=25 mm,外半徑b=75 mm,高h=50 mm.每個試件采用1678 克集料,油石比分別采用3.5%,4.5%,5.5%,每種油石比下做6 個平行試件,測試溫度15 ℃.在相同試驗條件下,采用相同密度利用劈裂試驗進行了對比,測試結果如表1所列.試驗中試件的破壞形式進行了統計.統計結果表明:由于試件內部的不均勻性,絕大多數試件為單一斷裂形式破壞,典型破壞形式如圖3 b)所示.

圖3 黃土試件和瀝青混凝土試件典型破壞形式

表1 間接拉伸強度對比

3 結 論

1)所設計的間接抗拉強度測定裝置,測試的力學結果與傳統方法的測定結果基本吻合.

2)試件設計成圓環形,試件內壁在均布水壓力作用下,試件沿半徑方向在試件內壁各點產生相同的最大拉應力;在拉應力作用下,根據試樣本身的不均勻性會在試件最薄弱處產生破裂面.斷裂形式統計結果初步表明:所設計的間接抗拉強度測定裝置,可以較好地反映非均勻性對試件破壞的影響.

3)采用中空環形試件,有利于C T 射線穿透,接合CT 技術和數字圖像技術,為今后研究瀝青混凝土非均勻性對間接拉伸強度的影響奠定了基礎.

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