瀝青混合料半圓彎曲試驗影響因素研究

王志福

(山西省交通新技術發展有限公司 太原市 030006)

0 引言

半剛性基層瀝青路面承載和擴散荷載的能力優良，是我國二級及以上等級公路所采用的主要路面結構形式[1]。然而當外界溫度驟降或出現短時間周期性變化時，瀝青混合料產生的收縮變形與溫度變化不同步，導致材料內部應力驟增，達到一定程度后，由溫縮產生的溫度應力超過道路建筑材料的抗拉強度，半剛性基層瀝青路面就會產生溫度裂縫[2]。溫度裂縫包括低溫開裂和溫度疲勞裂縫[3-5]。溫度裂縫產生初期，雨水及雜物等會進入路面結構內部，在行車荷載及動水壓力作用下引發瀝青路面松散、坑槽等病害的發生，同時會削弱基層及路基的承載能力，宏觀表現為破壞瀝青路面的連續性，影響行車舒適性、安全性及路面的使用壽命。為了研究瀝青路面低溫開裂機理，AASHTO設計了瀝青混合料半圓彎曲試驗(semi-circular bending，SCB)模擬瀝青路面低溫開裂發展的過程，采用裂縫階段的應力強度因子分布狀況來評價瀝青混合料的低溫抗開裂性能。

近年來，不斷有學者對SCB試件的幾何參數進行研究。呂光印等[6]分別采用馬歇爾擊實儀和旋轉壓實儀成型試件，并制作SCB試件，對兩種方法成型的試件施加相同的荷載，觀察應力的發展變化情況，結果表明兩種方法成型的SCB試件的力學響應規律是一致的。王曉英等[7]分析了試件厚度對SCB試驗結果的影響，結果表明20mm厚的SCB試件具有較好的位移荷載力學響應。然而，對于影響SCB試驗的影響因素尚缺乏全面有效的分析研究。基于此，以半剛性基層瀝青路面低溫開裂為研究背景，借助于有限元軟件，分析影響SCB試驗結果的因素，并總結規律，以期為半圓彎曲試驗的推廣提供借鑒。

1 工程概況

建模依托某二級公路實體工程，其上面層采用AC-13瀝青混合料，粗集料、細集料的篩分結果見表1，合成集配見表2。

表1 集料篩分結果

表2 集料的合成級配

所采用的原材料包括SBS改性道路石油瀝青，輝綠巖1#料(10～16mm)、2#料(5～10mm)，石灰巖3#料(0～5mm)，油石比5.0%。AC-13配合比設計各項指標均按照《公路瀝青路面施工技術規范》(JTG F40-2004)中其高速公路的相關質量要求進行設計。

2 有限元建模

2.1 模型基本假定

(1)假設瀝青混合料的力學特性為各向均勻的線彈性體。

(2)考慮到路面為多層彈性體系，設定有限元模型層間位移完全連續。

(3)設定模型支座為法向約束，水平方向可自由移動。

(4)以-5℃條件下瀝青混合料的工程參數作為模型的計算參數。

2.2 模型建立

在對半圓彎曲試驗進行有限元建模時，需要確定的參數有支座間距與試件直徑比值D，半徑R，厚度H，裂縫長度L，瀝青混合料-5℃條件下的彈性模量取E=5000MPa，泊松比0.3，裂縫尖端的劃分方式為奇異網格，單元類型設置為PLANE183，有限元模擬時采用控制變量法，在研究單一幾何影響因素的規律時，控制其他幾何因素不變，通過有限元建立SCB試驗模型，分析幾何參數對試驗結果的影響，并確定合理的實驗室試驗幾何參數，幾何參數取值見表3。有限元模型如圖1，分析試件幾何參數對裂縫尖端處應力強度因子的影響。

表3 SCB試驗有限元模型幾何參數

圖1 有限元模型及荷載布設方式

3 結果與討論

3.1 試件半徑R對應力強度因子的影響

試件半徑R是導致裂縫尖端處應力強度因子產生變異性的原因之一，為提高實驗室SCB試驗結果精度，需要確定半徑R對應力強度因子的影響規律，進而確定實驗室試件半徑R。選定半徑R為自變量，半徑取值范圍是50～100mm，步長設定為10mm，模型的其他幾何參數分別為裂縫深度L=15mm，模型厚度H=25m，支座間距與直徑比D=0.8。將試件半徑R對應力強度因子影響的結果匯總于表4，并繪制應力強度因子隨半徑R變化的曲線圖于圖2。

表4 試件半徑R對應力強度因子影響

圖2 應力強度因子隨半徑R的變化規律

由表4及圖2結果可知，整體來看，裂縫尖端處的應力強度因子隨著半徑R的增大而逐漸減小，當半徑R在50～60mm時，隨著半徑的增大，應力強度因子衰減速率明顯大于半徑R在60～100的衰減速率，具體表現為曲線斜率由大變小。半徑R由50mm擴大為60mm時，應力強度因子減小了58.75%，半徑R由60mm擴大為70mm時，應力強度因子增大了6.06%，當半徑R>80mm時，應力強度因子幾乎不再改變，因此，考慮到實驗室的實際條件，確定試件的半徑R為80mm。

3.2 厚度H對應力強度因子的影響

合理的試件厚度既能夠方便試驗操作，又能夠保證試件在低溫狀態下內部溫度均勻。在分析厚度H對應力強度因子的影響時，將厚度H設置為自變量，取值范圍是10～35mm，步長設置為5mm，其他幾何參數為半徑R=80mm，其他兩項參數與3.1小節中一致，結果見表5和圖3。

表5 厚度H對應力強度因子影響

圖3 應力強度因子隨厚度H的變化規律

從表5和圖3結果可知，隨著厚度H的增加，應力強度因子逐漸減小，當模型厚度H小于25mm時，應力強度因子隨厚度H增加衰減速率較快，說明應力強度因子受厚度H影響較大，而當厚度H超過25mm后，應力強度因子趨于穩定，因此確定試件的厚度為25mm。

3.3 裂縫深度L對應力強度因子的影響

試件的初始裂縫深度是影響應力強度因子的因素之一。將裂縫深度設置為自變量，范圍0～25mm，步長5mm，半徑R=80mm，厚度H=25mm，支座間距與直徑比D=0.8。結果見表6和圖4。從表6和圖4可知：裂縫深度L越大，應力強度因子也越大，當L在0～10mm和20～25mm時，曲線的切線斜率較大，說明當裂紋深度處于此范圍時，應力強度因子受裂縫深度L較大，而在10～20mm范圍內，L對應力強度因子的影響較小，因此，確定裂紋深度為15mm。

表6 裂縫深度L對應力強度因子影響

圖4 應力強度因子隨裂縫深度L的變化規律

3.4 支座間距對應力強度因子的影響

將支座間距與直徑比值D的取值分別取0.5、0.6、0.7、0.8、0.9，其他幾何參數為R=80cm，H=25mm，L=15mm，結果如表7和圖5所示。

表7 支座間距與直徑比值D對應力強度因子影響

圖5 應力強度因子隨支座間距與直徑比值D的變化規律

從表7和圖5結果可知，支座間距與裂縫尖端應力強度因子呈正相關，即D值越大，應力強度因子也越大。為使操作簡單，同時避免試件支座間距間過長導致試件底端的彎矩增大，選擇D=0.8。

4 結論

(1)當SCB試件半徑在50～60mm時，裂縫尖端應力強度因子受半徑影響較大，當半徑>80mm時，裂紋尖端應力強度因子幾乎不再受半徑的影響，最終由有限元模擬試驗結果確定的實驗室SCB半徑為80mm。

(2)試件厚度H越大，相應的裂紋尖端應力強度因子越大，為使試件內部溫度分布均勻，確定實驗室SCB試件的厚度H=25mm。

(3)裂縫深度L和支座間距與直徑比值D對裂縫尖端應力強度因子的影響規律相似，經有限元分析后確定的實驗室SCB試件幾何尺寸L=15mm，D=0.8。