瀝青混合料小梁彎曲試驗與數(shù)值分析

張 蘭 峰

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州 510650)

瀝青混合料小梁彎曲試驗與數(shù)值分析

張 蘭 峰

(廣東交通職業(yè)技術(shù)學院，廣東 廣州 510650)

通過試驗和ABAQUS有限元軟件，分析了瀝青混合料單點和雙點兩種小梁彎曲試驗加載模式的特點，結(jié)果表明，ABAQUS有限元計算結(jié)果與雙點加載模式試驗結(jié)果具有較好的一致性，雙點加載模式可以有效減少試驗結(jié)果的變異性，提高試驗結(jié)果的可靠性，所以小梁彎曲試驗采用雙點加載模式更加合理。

瀝青混合料，單點加載，雙點加載，有限元，彎拉強度，彎拉應變

抗拉強度是熱拌瀝青混合料路面的最重要指標之一。瀝青路面的破壞,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(guān)。小梁彎曲試驗是測量材料抗拉強度的重要試驗之一，現(xiàn)行小梁彎曲試驗有單點加載和雙點加載兩種受力模式，本文通過試驗和有限元模擬，研究兩種加載模式的特點，最終確定兩種加載模式的合理性。

1 原材料與試樣制備

1.1 瀝青

瀝青性能指標見表1。

1.2 集料

集料為石灰?guī)r碎石,礦粉是石灰?guī)r磨細得到的,其技術(shù)性質(zhì)均滿足規(guī)范要求。

1.3 級配及試樣技術(shù)指標

混合料級配采用JTG F40—2004公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范推薦的AC-16配范圍中值進行配比，混合料性能指標見表2。

1.4 試樣制備

試件采用輪碾法成型,試模置室溫下冷卻至少12 h后方可脫模。將冷卻后的試模切割成JTJ 052—2000公路工程瀝青及瀝青

混合料試驗規(guī)程規(guī)定的瀝青混合料彎曲試驗采用的尺寸(30 mm×35 mm×250 mm的棱柱體小梁試件)，試驗時將試件置于環(huán)境箱中保溫，直到試件內(nèi)部溫度達到試驗溫度±0.5 ℃為止。本文分別采用單點加載模式和雙點加載模式研究兩種加載模式對小梁受力性能的影響。

表1 中海90號道路石油瀝青性能指標測試數(shù)據(jù)表

表2 中海90號基質(zhì)瀝青為粘結(jié)劑的各瀝青混合料最佳瀝青用量試驗數(shù)據(jù)表

2 試驗

2.1 單點加載

小梁彎曲試驗單點加載模式試驗，試件破壞時的抗彎拉強度Rb、破壞時梁底最大彎拉應變εb按式(1),式(2)計算：

(1)

(2)

其中，Rb為試件破壞的抗彎拉強度，MPa；εb為試件破壞時梁底最大彎拉應變；b，h分別為跨中斷面試件的寬度和高度，mm；L為試件的跨徑，mm；PB為試件破壞時的最大荷載，N；d為試件破壞時的跨中撓度，mm。

2.2 雙點加載

雙點加載受力模式圖見圖1。

當k=t=L/3時，即三分點加載狀態(tài)下，破壞時梁底彎拉應力Rb、梁底最大彎拉應變εb可根據(jù)式(3)，式(4)求出：

(3)

(4)

2.3 試驗數(shù)據(jù)

試驗分別在0 ℃，20 ℃進行，為了對比兩種加載模式下的彎曲試驗結(jié)果，選取了兩種加載模式下的小梁試件各10根進行試驗。以規(guī)定的速率(50 mm/min)分別對兩組試件進行對中點單點集中加載和雙點加載，直到試件破壞；由萬能材料試驗機MTS自動采集荷載P和跨中的變形值d。試驗結(jié)果如表3所示。

表3 兩種加載模式小梁彎曲試驗結(jié)果

試驗數(shù)據(jù)表明單點加載模式產(chǎn)生的數(shù)據(jù)結(jié)果變異性較大，單點加載試驗中有的試件不是沿試樣中線破壞，而在理論計算時，試件破壞時的彎拉應力和應變是按照破壞是從底邊中點開始沿試樣中線的理想狀態(tài)下計算得到的。這樣就出現(xiàn)理論計算與實際試驗結(jié)果不符的現(xiàn)象。同時試件成型及瀝青混合料自身的不均勻性,也可導致試驗的結(jié)果離散性較大。而雙點加載模式下，可以有效減少試件不在底邊中線破壞的狀況，理論計算與實際較符合，試驗結(jié)果變異系數(shù)顯著減小，結(jié)果較為理想。

3 有限元模擬

本文采用ABAQUS有限元模擬分析軟件，分析小梁在兩種加載模式下的受力狀況。小梁彎曲試驗的試件受力模式分別如圖2，圖3所示。梁底左右支撐的邊界條件都是U1=U2=UR3=0。整個模型區(qū)域采用Quad單元，中軸算法，free模式劃分網(wǎng)格，整個模型采用CPE8R(平面應變減積分單元類型)。

20 ℃單點、雙點加載有限元模型計算結(jié)果表明(見表4)，最大彎拉應力和彎拉應變均出現(xiàn)在小梁模型底邊中心，在底邊產(chǎn)生的拉應力分布范圍較大。在底邊兩個支撐處也出現(xiàn)局部較大拉應力。單點加載模式導致底邊中心拉應力更加集中，較大拉應力分布范圍較小。0 ℃單點、雙點加載有限元模型計算有相似的20 ℃時單、雙點加載有限元模擬結(jié)果規(guī)律。

表4 有限元計算結(jié)果數(shù)據(jù)表

4 結(jié)語

1)瀝青混合料彎曲試驗中雙點加載模式減小了試驗結(jié)果的變異性，數(shù)據(jù)結(jié)果穩(wěn)定，而且室內(nèi)試驗容易實現(xiàn)，所以采用雙點加載彎曲試驗可以更好測量瀝青混合料的彎曲性能。2)0 ℃，20 ℃的瀝青混合料單、雙點小梁彎曲加載試驗結(jié)果與相應的有限元模擬結(jié)構(gòu)有較好的符合性。

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Beam bending test for bituminous mixture and numerical analysis

Zhang Lanfeng

(GuangdongCommunicationPolytechnic,Guangzhou510650,China)

Abstrac: This paper through the test and ABAQUS finite element, analyzing characteristics of single point and double point beam bending test load mode for the asphalt mixture. ABAQUS finite element calculation results are well according with the experimental results of double point load mode. The experimental results show that the double point load model can effectively reduce the variability of the test results, and improve the reliability of the test results, so the beam bending test with double point load mode is more reasonable.

asphalt mixture, single point load, double point loading, finite-element, flexural-tensile strength, flexural-tensile strain

1009-6825(2017)01-0130-03

2016-10-29

張?zhí)m峰(1982- )，女，碩士，講師

TU535

A