瀝青混合料的半圓彎拉與小梁三點彎拉對比試驗*

楊大田 朱洪洲

(重慶交通大學山區道路建設與維護技術實驗室 重慶 400074)

0 引 言

抗拉強度試驗是評價熱拌瀝青混合料物理力學性能重要試驗之一,也是測試瀝青混凝土路面設計參數重要試驗方法.瀝青混凝土路面的破壞,如疲勞開裂和低溫縮裂,與熱拌瀝青混合料的抗拉強度密切相關.長期以來,路面工程師和研究人員一直廣泛采用間接拉伸試驗(IDT)、小梁三點彎曲試驗或直接拉伸試驗來評價熱拌瀝青混合料的抗拉強度、斷裂韌性及疲勞壽命.

直接拉伸試驗由于很難保證夾具與試件的軸心在同一條線上,往往出現偏向荷載,導致試驗誤差大,因而在實驗室很少采用.

半圓彎曲試驗(SCB)是從巖石力學引進的一項評價瀝青混合料抗拉性能的試驗.1984年K.P.Chong和M.D.Kuruppu提出了用于巖石、混凝土和其他圓形試件的半圓彎曲試驗來確定巖石和其他材料的斷裂韌性.1996年R.L.Krans等用半圓彎曲研究瀝青混凝土圓形心樣實際裂紋發展,并分析了半圓彎曲試驗的優點;1997年R.L.Krans等研究了半圓彎曲試驗的可行性,測試了2種瀝青混凝土的彎拉強度、勁度模量和疲勞壽命,與間接拉伸試驗相比較,得出了半圓彎曲試驗可作為在瀝青混合料設計中相關性能的測試以及現場混合料生產和路面施工的質量控制的測試方法,并提交半圓彎曲試驗的標準操作規程;2002年X.Erkens等人認為半圓彎曲試驗是一個既簡單又實用的試驗方法,完全滿足路面設計參數(模量、彎拉強度等)測試、質量控制和保證;2003年R.Hofman等人用帶來預設裂紋的半圓試樣分別試驗了靜態等速加載和動態疲勞試驗,用2種瀝青混合料和3個實驗室分別獨立測試瀝青混合料的斷裂韌性和裂紋增長速率,試驗結果表明半圓彎曲試驗具有較高的可重復性和再現性,能夠區辨瀝青混合料性能好與壞;2005年Huang Baoshan等用半圓彎曲試驗和間接拉伸試驗測試瀝青混合料的彎拉強度,分析了在間接拉伸試驗的加載條附近產生了較大的永久變形,而半圓彎曲試驗減小了加載條附近的塑性變形,因而半圓彎曲試驗比間接拉伸試驗更適合評價瀝青混合料的彎拉性能,半圓彎曲試驗完全可代替間接拉伸試驗.2007年劉宇[1]用半圓彎拉斷裂韌性試驗研究3種應力吸收層的力學特性,2008年[2-3]總結國外半圓彎拉試驗方法在瀝青混合料中的應用與研究,并用半圓彎拉試驗研究了3種瀝青混合料的疲勞壽命,得到了:具有斷級配的應力吸收層瀝青混合料具有很好的抗裂性能和抗疲勞性能;混合料累積疲勞破壞能符合Miner線性假定.瀝青混合料的疲勞壽命與斷裂韌度有很好的相關性.2007年曹軻銘[4]對3種瀝青混凝土試樣進行了半圓與小梁彎拉強度試驗,得到了它們的彎拉強度比為1.3～1.9.

可見,國內外大多數學者都集中在瀝青混合料的間接拉伸與半圓彎曲強度的比較研究,而對它們的疲勞壽命和蠕變變形對比研究較少.同時,在對小梁三點彎曲與半圓彎曲強度、斷裂韌性和疲勞壽命等方面比較試驗研究就更少.本文首先進行瀝青混合料的半圓彎拉和小梁三點彎拉強度比較試驗,再進行斷裂韌性比較試驗,最后進行疲勞壽命對比試驗.根據試驗結果和文獻資料,分析半圓彎曲試驗評價瀝青混合料的強度、斷裂韌性和疲勞壽命等相關性能的可行性,為瀝青混合料半圓彎曲試驗今后的研究和在國內推廣運用作一次探索.

1 原材料與試樣制備

1)瀝青 本試驗選用SBS改性70#重交道路石油瀝青,其技術性能試驗結果見表1.

2)集料及礦粉 集料為石灰巖碎石,其技術性質滿足規范要求.礦粉是石灰巖經過磨細得到的,其技術性質滿足規范要求.

3)礦料級配 本次混合料的礦料級配,見表2.

表1 瀝青試驗

表2 AC-13F級配

4)瀝青用量 本次試驗試樣制作采用瀝青用量——油石質量比5.4%.

5)試樣制備 試驗采用標準馬歇爾試件.雙面擊實75次成型,用表干法測取試樣毛體積密度,以此值稱料碾壓成型300 mm×300 mm×50 mm的試塊,再切割成250 mm×40 mm×40 mm的小梁試件,以供小梁三點彎曲試驗.把標準馬歇爾試件切割成兩半,用于半圓彎曲試驗.

2 彎拉強度與斷裂韌性試驗

2.1 彎拉強度試驗

23種試驗方法的抗拉強度試驗結果,見表3、表4,在表中列出了均值、標準差、變異系數及半圓彎曲和小梁3點彎曲試驗的強度比.

表3 小梁三點彎曲與半圓彎曲強度比較

從表3可以看出,在試驗條件1下半圓彎曲彎拉強度均值與三點彎曲的比值為1.05;在試驗條件2下半圓彎曲彎拉強度均值與三點彎曲的比值為1.01.這說明半圓彎曲試驗得到的瀝青混合料強度與小梁三點彎曲試驗得到的幾乎相同.同樣2種試驗條件下,半圓彎曲試驗結果的變異系數比小梁三點彎曲試驗的要小.可見,用半圓彎曲試驗可大大減少材料的變異性對試驗結果的影響.

2.2 斷裂韌性試驗

為了比較小梁三點彎曲與半圓彎曲試驗對瀝青混合料抗裂性能的評價差異,根據文獻[5,8-9]制作了小梁試件40 mm×40 mm×250 mm(跨徑200 mm),高跨比1∶5,刻槽深度在20～30 mm間變化,并計算斷裂韌度K Ic和延性斷裂韌度J Ic.根據文獻[5-7],在半圓試件跨中刻槽深度20～30 mm,其斷裂韌度KIc和延性斷裂韌度JIc,依據式(1)、(2)和(3)計算

式中:D為半圓彎曲試件的直徑,mm;L為半圓彎曲試件的厚度,mm;Y I為I型裂紋應力強度因子[9].

式中:U1和U2分別為刻槽a1和a2試件獲得斷裂應變能,J;b1和b2分別為刻槽a1和a2試件的厚度,m.

在試驗條件2下對瀝青混合料小梁和半圓進行斷裂韌性試驗,其結果見表5.

表4 小梁三點彎曲與半圓彎曲斷裂韌性試驗

從表4可以看出,用半圓彎曲試驗得到的斷裂韌度K Ic比三點彎曲的稍大19%.同樣J-積分試驗,半圓彎曲得到的延性斷裂韌度JIc比三點彎曲的大42%.因而用帶有刻槽的半圓彎曲試驗來評價瀝青混合料的斷裂韌性是可行的,可代替小梁三點彎曲試驗.

3 疲勞試驗

在溫度15℃和30%的應力強度下做半圓彎拉和小梁三點彎拉疲勞試驗,其試驗結果見表5.

表5 半圓彎曲和小梁三點彎曲疲勞試驗比較

從表5可以看出,2種方法得到的疲勞壽命均值大小順序為3-point＞SCB,但整體上相互間相差不大.但從標準差和變異系數來看,3-point的較大,而SCB的較小.

從上述試驗結果來看,半圓彎拉試驗結果的變異系數比小梁三點彎拉試驗的小,這有利于保證試驗的可靠性和重復性.其中的原因與半圓試樣是通過馬歇爾試件獲得的,而小梁是先通過車轍板碾壓,再切割而成的.從試樣體積大小來看,馬歇爾試件相對于車轍板試樣的體積小,所用混合料少,在制作過程中較容易控制混合料的均勻性,能減少混合料的離散性.所以,在室內制作或在現場切割鉆芯取樣,所得到的半圓彎拉試樣的變異性比小梁試樣的要小.

4 結 論

1)用小梁三點彎曲與半圓彎曲試驗,得到彎拉強度比接近1.

2)在帶有刻槽的小梁三點彎曲和半圓彎曲斷裂韌性對比試驗中,發現用半圓彎曲試驗得到的結果比用小梁三點彎曲試驗的結果偏大.

3)用半圓彎曲疲勞試驗得到的瀝青混合料疲勞壽命比與小梁三點彎曲疲勞試驗的小.

4)從變異系數來看,半圓彎曲試驗可大大減輕材料的變異性而對試驗結果產生的影響.

5)還需要進一步對比研究2者的蠕變變形試驗.

[1]劉 宇,張肖寧,薛忠軍.應用J積分斷裂準則評價應力吸收層抗裂性能[J],科學技術與工程,2007,7(24):6 362-6 367.

[2]劉 宇,張肖寧,王端宜.瀝青混合料裂紋擴展階段的疲勞壽命預測[J].華南理工大學學報:自然版,2008,36(2):42-47.

[3]劉 宇,張肖寧,遲鳳霞.國外SCB(半圓彎抗)試驗方法在瀝青混合料中的研究與應用[J].中外公路,2008,28(3):190-193.

[4]曹軻銘.瀝青混合料半圓彎拉試驗方法研究[D].長沙:湖南大學土木建筑學院,2007.

[5]Arabani M,Ferdowsi B,Characterization of tensile Fracture resistance of hot mix asphalt using semi-circular bend test[C].2006,ISSA International Congress,Beijing,China.

[6]Lim I L,Johnston L W.Stress intensity factors for semicircular specimens under three-point bending[J].Fracture Mechanics,1993,44(3):363-382.

[7]Othman A M.Fracture resistance of rubber-modified asphalt mixtures exposed to high-temperature cyclic aging[J].Journal of Elastomers and Plastics,2006,38:18-30.

[8]賈麗魏,張南鷺.瀝青混合料低溫性能J-積分的研究[J].同濟大學學報,1995,23(2):158-162.

[9]JTJ 052—2000.瀝青及瀝青混合料試驗規程[M].北京:人民交通出版社,2000.