瀝青混凝土雙軸壓縮強(qiáng)度試驗(yàn)研究

鎖利軍 栗培龍 王秉綱

(山西工程技術(shù)學(xué)院土木工程系1) 陽(yáng)泉 045000) (長(zhǎng)安大學(xué)特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 西安 710064)

0 引 言

開放交通后的瀝青路面,降溫作用時(shí)易產(chǎn)生開裂,高溫作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生車轍,這都與瀝青混凝土的強(qiáng)度不足有關(guān)[1].在瀝青混凝土強(qiáng)度研究中,用到了局部三軸壓縮試驗(yàn)方法、三軸剪切試驗(yàn)方法、半圓彎拉強(qiáng)度試驗(yàn)方法、間接拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)方法、小梁三點(diǎn)彎拉試驗(yàn)方法、四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法、單軸貫入試驗(yàn)方法及平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)方法[2-6].現(xiàn)行JTG E20—2019《公路瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[7]中瀝青混合料單軸壓縮試驗(yàn)、馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)都是評(píng)價(jià)瀝青混凝土的強(qiáng)度的試驗(yàn)方法.近年來(lái),三軸壓縮試驗(yàn)方法在瀝青混合料抗剪性能研究中應(yīng)用廣泛,通過三軸壓縮試驗(yàn)研究?jī)煞N瀝青混合料的抗剪強(qiáng)度參數(shù),分析不同情況下瀝青混合料的黏聚力、內(nèi)摩擦角值、抗剪性能[8-9].

文中基于不同形狀試件受力特點(diǎn),選擇立方體試件建立了考慮第二主應(yīng)力的雙軸試驗(yàn)方法.以此為基礎(chǔ),研究第二主應(yīng)力對(duì)瀝青混凝土強(qiáng)度變化影響的規(guī)律和瀝青混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線的變化規(guī)律.

1 瀝青混凝土雙軸試驗(yàn)方法

1.1 雙軸試驗(yàn)試件形狀

馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和瀝青混合料閉式三軸試驗(yàn)都采用圓柱體試件[10],其應(yīng)力狀態(tài)見圖1a).立方體試件應(yīng)力狀態(tài)見圖1b).立方體試件六個(gè)面的面積相等,試驗(yàn)中可控制三個(gè)主應(yīng)力大小,便于進(jìn)行試驗(yàn)的加載操作.這也是圓柱體試件不能實(shí)現(xiàn)的.因此,試驗(yàn)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(yàn)儀設(shè)計(jì)

1) 設(shè)計(jì)考慮的因素 瀝青混凝土雙軸試驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)以立方體形狀試件為基礎(chǔ),考慮三個(gè)主應(yīng)力的大小與方向、加載方式、平面應(yīng)變條件、試件尺寸、試件變形等因素.

2) 瀝青混凝土雙軸試驗(yàn)儀構(gòu)成 以立方體試件為基礎(chǔ)進(jìn)行瀝青混凝土雙軸試驗(yàn)儀設(shè)計(jì).瀝青混凝土雙軸試驗(yàn)儀器由雙軸壓力室、變形檢測(cè)裝置、靜態(tài)電阻應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、水平剛架、千分表、電阻應(yīng)變計(jì)等組成.雙軸壓力室由兩塊1 cm厚的鋼板、應(yīng)變檢測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)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(gè)專用壓頭.在試件裝配好后,壓頭用來(lái)傳遞軸向壓力,鋼板和螺桿的作用是限制試件在側(cè)限方向上的變形.變形檢測(cè)裝置位于兩塊鋼板的外側(cè),用于檢測(cè)試驗(yàn)中鋼板產(chǎn)生的側(cè)向位移,它由兩個(gè)支架和四個(gè)千分表構(gòu)成.無(wú)鋼板約束自由面貼兩個(gè)電阻應(yīng)變計(jì),并與靜態(tài)電阻應(yīng)變儀連接,以檢測(cè)試驗(yàn)中試件側(cè)面的變形情況.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與MTS多功能試驗(yàn)機(jī)連接.瀝青混凝土雙軸試驗(yàn)儀見圖2.

圖2 瀝青混凝土雙軸試驗(yàn)儀

1.3 力學(xué)驗(yàn)證

瀝青混凝土雙軸試驗(yàn)中試件受力的力學(xué)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(lái)傳遞軸向壓力)和約束(鋼板和螺桿的作用是限制試件在側(cè)限方向上的變形),這樣,可把空間問題簡(jiǎn)化為平面問題,見圖3.

圖3 試驗(yàn)中試件力學(xué)模型

圖3中,xy平面為試件橫截面,y方向?yàn)镸TS豎向加載壓頭用來(lái)傳遞軸向壓力,與xy平面垂直的z方向?yàn)橄拗圃嚰l(fā)生側(cè)限變形的方向.該平面問題屬于平面應(yīng)變問題,沿z方向的正應(yīng)變與正應(yīng)力滿足:

εz=0σz≠0

(1)

通過力學(xué)推導(dǎo)驗(yàn)證試驗(yàn)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(zhǎng).

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(shè)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(yīng)變?yōu)?/p>

ε22=-Δl2/l

(4)

用廣義虎克定律表示立方體試件在Z方向的應(yīng)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(zhuǎn)化為式(10).

σ22=ν(σ11+σ33)

(10)

將其代入式(5)得到:

ε22=0σ22≠0

(11)

力學(xué)推導(dǎo)驗(yàn)證表明,式(11)與式(1)完全一致,說(shuō)明試驗(yàn)中力學(xué)模型正確,試驗(yàn)方法有效,試驗(yàn)結(jié)果可信.

2 試驗(yàn)原材料

試驗(yàn)采用AC-16瀝青混凝土,瀝青試驗(yàn)指標(biāo)見表1.礦料的合成級(jí)配見圖4.

表1 瀝青試驗(yàn)指標(biāo)

圖4 AC-16型礦料級(jí)配曲線

3 物理力學(xué)性能及應(yīng)力應(yīng)變分析

3.1 瀝青混凝土物理力學(xué)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(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行不同油石比的芯樣試件物理力學(xué)性能指標(biāo)測(cè)試.按瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)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(zhǎng)50 mm的立方體試件進(jìn)行瀝青混凝土雙軸試驗(yàn)研究.

3.2 瀝青混凝土應(yīng)力應(yīng)變曲線分析

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

圖5 25℃雙軸不同加載速率的應(yīng)力應(yīng)變曲線

試驗(yàn)溫度25℃、加載速率2 mm/min時(shí),雙軸、單軸的應(yīng)力應(yīng)變曲線對(duì)比見圖6.

圖6 25℃加載速率2 mm/min單雙軸應(yīng)力應(yīng)變曲線

由圖6可知:雙軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線明顯高于單軸應(yīng)力應(yīng)變曲線,應(yīng)變值大于0.010后,兩條應(yīng)力-應(yīng)變曲線的開口明顯放大,同樣應(yīng)變時(shí),雙軸應(yīng)力-應(yīng)變曲線對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值要明顯大于單軸條件的應(yīng)力值.

4 試驗(yàn)溫度、加載速率對(duì)雙軸強(qiáng)度影響

4.1 不同溫度時(shí)立方體雙軸強(qiáng)度對(duì)比

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

加載速率5.08 mm/min,15,25℃的立方體雙軸強(qiáng)度變化見圖7b).由圖7b)可知:加載速率5.08 mm/min時(shí),15℃的立方體雙軸強(qiáng)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(qiáng)度變化趨勢(shì)基本一致,都呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)而后期增長(zhǎng)變緩反有下降的趨勢(shì).

加載速率8.16 mm/min,20、25℃的立方體雙軸強(qiáng)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(qiáng)度值要高于25℃的值,當(dāng)油石比從4.5%到5.5%時(shí),25℃的立方體雙軸強(qiáng)度值要高于20℃的值,油石比4.5%是臨界變化點(diǎn).從總體上看,兩者立方體雙軸強(qiáng)度都非線性增長(zhǎng)而后期回落的變化趨勢(shì).產(chǎn)生以上試驗(yàn)現(xiàn)象機(jī)理性分析,有以下兩個(gè)原因:①瀝青混凝土力學(xué)性能與加載速率大小、試驗(yàn)溫度高低、加載時(shí)間長(zhǎng)短、油石比多少等因素有關(guān),并且各個(gè)因素互為影響;②試驗(yàn)中加載速率達(dá)到8.16 mm/min時(shí),當(dāng)油石比大于4.5%,瀝青混凝土骨架中結(jié)構(gòu)瀝青的增加,隨著溫度由20℃升高到25℃,瀝青流動(dòng)性增大,更好地包裹在石料周圍,粘聚力增大,因此,當(dāng)油石比從4.5%到5.5%時(shí),25℃的立方體雙軸強(qiáng)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(qiáng)度

4.2 不同加載速率立方體雙軸強(qiáng)度對(duì)比

試驗(yàn)溫度20℃,加載速率2,8.16 mm/min的立方體雙軸強(qiáng)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(qiáng)度明顯高于加載速率2 mm/min的值,當(dāng)油石比從4.5%到5.5%時(shí),兩者差距愈加明顯.試驗(yàn)溫度15℃,2、5.08 mm/min加載速率的立方體雙軸強(qiáng)度見圖8b).由圖8b)可知:加載速率5.08 mm/min的立方體雙軸強(qiáng)度明顯高于加載速率2 mm/min的值,油石比從3.5%到5.5%時(shí),兩者變化趨勢(shì)基本一致,前期非線性增大而后期增長(zhǎng)變緩.試驗(yàn)溫度25℃,加載速率5.08,8.16 mm/min的立方體雙軸強(qiáng)度見圖8c).由圖8c)可知:加載速率8.16 mm/min的立方體雙軸強(qiáng)度明顯高于加載速率5.08 mm/min的值,當(dāng)油石比從3.5%到5.5%時(shí),兩者都非線性增大趨勢(shì)發(fā)展,而后期兩者差值明顯增大.

圖8 三種試驗(yàn)溫度不同加載速率的立方體雙軸強(qiáng)度

5 雙軸強(qiáng)度回歸模型分析

5.1 雙軸強(qiáng)度與試驗(yàn)溫度回歸關(guān)系

當(dāng)加載速率2 mm/min、試驗(yàn)溫度與強(qiáng)度回歸模型概述見表2.由表2可知:三次曲線模型的相關(guān)系數(shù)最大,但對(duì)估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差而言,指數(shù)曲線模型最小,各模型回歸系數(shù)檢驗(yàn)顯示,指數(shù)模型系數(shù)的t檢驗(yàn)最為顯著.因此,選擇指數(shù)曲線模型能夠較好地反映溫度與強(qiáng)度回歸關(guān)系.

表2 溫度與強(qiáng)度的模型概述

5.2 雙軸強(qiáng)度與加載速率的回歸關(guān)系

試驗(yàn)溫度-10、25℃時(shí),加載速率與雙軸強(qiáng)度的關(guān)系模型見表3.由表3可知:與線性模型比較,指數(shù)曲線模型的相關(guān)系數(shù)較大,但對(duì)估計(jì)標(biāo)準(zhǔn)誤差而言,指數(shù)曲線模型較小.

表3 加載速率與強(qiáng)度的模型概述

通過以上分析得知,-10、25℃加載速率與強(qiáng)度的關(guān)系滿足式(14),對(duì)溫度為-5,0,15,20℃進(jìn)行回歸分析,系數(shù)a、b的回歸結(jié)果見式(15)～(16).

y=a·ebx

(14)

(15)

(16)

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

6 結(jié) 論

1) 通過自行設(shè)計(jì)的瀝青混凝土雙軸試驗(yàn)儀器,進(jìn)行瀝青混凝土雙軸壓縮試驗(yàn).與傳統(tǒng)的三軸壓縮試驗(yàn)、單軸壓縮試驗(yàn)和馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)相比,采用的立方體試件,能把試驗(yàn)中三個(gè)主應(yīng)力的方向清晰顯示出來(lái),便于研究第二主應(yīng)力變化對(duì)瀝青混合料的強(qiáng)度的影響.

2) 試驗(yàn)溫度25℃,雙軸作用下,加載速率分別為2,5.08,8.16 mm/min時(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線.三條應(yīng)力應(yīng)變曲線具有開始階段小范圍線性增長(zhǎng),中期非線性快速增長(zhǎng),后期增長(zhǎng)較慢,趨于平緩的特點(diǎn),根據(jù)應(yīng)力應(yīng)變曲線的特點(diǎn),瀝青混凝土雙軸強(qiáng)度取自對(duì)應(yīng)的應(yīng)力應(yīng)變曲線的最高點(diǎn).

3) 不同油石比條件下,試驗(yàn)溫度對(duì)雙軸立方體強(qiáng)度的影響,加載速率2或5.08 mm/min時(shí),15℃的立方體雙軸強(qiáng)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(diǎn),小于4.5%時(shí)20℃的立方體雙軸強(qiáng)度值要高于25℃的值.大于4.5%時(shí),25℃的立方體雙軸強(qiáng)度值要高于20℃的值.原因是試驗(yàn)中加載速率達(dá)到8.16 mm/min時(shí),當(dāng)油石比大于4.5%,瀝青混凝土骨架中結(jié)構(gòu)瀝青的增加,隨著溫度由20℃升高到25℃,瀝青流動(dòng)性增大,更好地包裹在石料周圍,粘聚力增大,因此,當(dāng)油石比從4.5%到5.5%時(shí),25℃的立方體雙軸強(qiáng)度值要高于20℃的值.

4)不同油石比條件下,加載速率對(duì)雙軸立方體強(qiáng)度的影響,試驗(yàn)溫度15,20,25℃時(shí),加載速率大的立方體雙軸強(qiáng)度明顯高于加載速率小的對(duì)應(yīng)值.得到了加載速率、試驗(yàn)溫度與雙軸立方體強(qiáng)度的回歸指數(shù)模型.