瀝青砂漿半圓彎曲斷裂試驗(yàn)參數(shù)及黏彈性分析

江 紅

(安徽省交通控股集團(tuán)有限公司 合肥 230008)

0 引 言

近年研究表明：瀝青混合料的高低溫性能與其內(nèi)部的瀝青砂漿具有極大的關(guān)聯(lián).Cristian[1]同時(shí)測(cè)量了瀝青混合料的剪切模量G*和累積永久剪切應(yīng)變及瀝青砂漿的參數(shù)，進(jìn)行對(duì)比分析參數(shù)之間的相關(guān)性；Riara等[2]通過(guò)自愈合試驗(yàn)認(rèn)為砂漿的愈合是混合料愈合的前提條件，干燥的緩慢流動(dòng)的砂漿促進(jìn)混合料裂縫的愈合；Gao等[3]通過(guò)微觀數(shù)值模擬方法，認(rèn)為纖維的長(zhǎng)度在一定程度上可以降低砂漿的應(yīng)力水平，從而提高混合料抗裂性能；在瀝青砂漿斷裂性能有關(guān)是室內(nèi)試驗(yàn)方面，孔祥明等[4]對(duì)通過(guò)靜態(tài)加載，研究變形控制加載速率對(duì)不同瀝青水泥比例的CAM進(jìn)行單軸抗壓力學(xué)實(shí)驗(yàn)；龐海峰[5]通過(guò)抗壓強(qiáng)度、小梁彎曲等室內(nèi)試驗(yàn)，研究分析瀝青混合料細(xì)集料含量、粗細(xì)集料粒徑與瀝青砂漿的基本性能的關(guān)聯(lián)度等等.在以往采用的多種試驗(yàn)方法中，半圓彎曲由于其操作簡(jiǎn)便，成型容易，被廣泛采用[6-7].但試件厚度及加載條件等試驗(yàn)參數(shù)在瀝青砂漿半圓彎曲斷裂試驗(yàn)中的影響尚未明晰.

因此，文中通過(guò)成型瀝青砂漿半圓試件，開(kāi)展多種加載速率下的半圓彎曲斷裂試驗(yàn)，并設(shè)置三種溫度水平，研究其對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，并基于DIC數(shù)字圖像技術(shù)，進(jìn)行瀝青砂漿試件加載過(guò)程中的黏彈性分析.

1 瀝青砂漿試件的制備

根據(jù)SUP-13混合料的配合比得到的砂漿級(jí)配，見(jiàn)表1.

表1 砂漿級(jí)配

根據(jù)文獻(xiàn)[8]推薦瀝青膜計(jì)算的公式，按5%油石比計(jì)算得瀝青膜厚度為10.2 μm，由砂漿的級(jí)配、集料比表面積、瀝青膜厚度計(jì)算得到瀝青用量.

2 半圓彎曲斷裂試驗(yàn)參數(shù)分析

為統(tǒng)一分析各個(gè)參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，本試驗(yàn)以半圓試件底部的極限彎拉應(yīng)力值為代表的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行分析.半圓試件底部的彎拉應(yīng)力為

σt=4.888F/(WD)

(1)

式中:σt為試件底部拉應(yīng)力；F為頂部荷載；W為試件厚度；D為試件直徑.

2.1 半圓彎曲試件厚度對(duì)斷裂強(qiáng)度的影響

為研究瀝青砂漿試件厚度對(duì)半圓彎曲斷裂試驗(yàn)中試件強(qiáng)度的影響，開(kāi)展厚度為25，30，32，37 mm的半圓彎曲斷裂試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速率確定為3 mm/min，每組三個(gè)平行試件，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 不同厚度砂漿試件半圓彎曲斷裂試驗(yàn)結(jié)果

由表2可知，砂漿半圓試件厚度在25～37 mm時(shí)，砂漿試件的低溫抗彎拉強(qiáng)度隨著砂漿半圓試件厚度增加而增大，且增大的幅度隨著厚度的增加.

2.2 試件切縫深度對(duì)半圓試驗(yàn)的影響

為研究切縫對(duì)半圓試驗(yàn)結(jié)果的影響，采用0，5，10 mm三種規(guī)格的切口深度，試驗(yàn)溫度為-10 ℃，加載速率為3 mm/min，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 不同開(kāi)縫試件半圓彎曲斷裂試驗(yàn)結(jié)果

由表3可知，本次試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果的變異性小，結(jié)果的可靠度高.結(jié)果表明:切縫會(huì)降低砂漿半圓試件在低溫低速率下的彎拉強(qiáng)度.隨著切縫深度的增加，破壞荷載不斷減小，試件彎拉強(qiáng)度也在減小，這是由于切縫使得試件中部位置的受拉區(qū)域面積減小，降低材料抵抗外荷載作用的能力.

2.3 不同加載速率對(duì)半圓彎曲斷裂試驗(yàn)的影響

為研究加載速率對(duì)瀝青砂漿試件半圓彎曲斷裂試驗(yàn)的影響，采用0.75，3，15，30，50和80 mm/min七種加載速率進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為15 ℃，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4.

表4 砂漿半圓彎拉強(qiáng)度隨加載速率變化(15 ℃)

由表4可知，本次實(shí)驗(yàn)的變異系數(shù)均在5%以下，試驗(yàn)效果可靠性和穩(wěn)定性較好.繪制15 ℃下瀝青砂漿的彎拉強(qiáng)度隨加載速率的變化關(guān)系圖，見(jiàn)圖1.

圖1 15 ℃下半圓彎拉強(qiáng)度隨加載速率變化曲線

由圖1可知，在15 ℃下，瀝青砂漿試件的彎拉強(qiáng)度隨加載速率的變化有明顯的變化趨勢(shì)，總體上隨著加載速率的增大，彎拉強(qiáng)度增大，但呈現(xiàn)明顯的非線性特征：隨著加載速率的逐漸增大，彎拉強(qiáng)度增幅逐漸放緩.

對(duì)其進(jìn)行指數(shù)形式擬合，為

S=2.422 2v0.313 8

(2)

式中：S為彎拉強(qiáng)度，MPa；v為加載速率，mm/min.R2=0.993，說(shuō)明砂漿半圓彎曲斷裂試驗(yàn)強(qiáng)度與加載速率關(guān)系結(jié)果可用指數(shù)函數(shù)擬合，且增長(zhǎng)率隨著加載速率的增大而減小.

2.4 溫度對(duì)半圓彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)的影響

為研究溫度對(duì)半圓彎曲斷裂試驗(yàn)的影響，本文在上文15 ℃的半圓彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行0和-10 ℃下不同加載速率下的試驗(yàn)，同樣采用7種不同加載速率，結(jié)果見(jiàn)表5、表6.

表5 砂漿半圓試件彎拉強(qiáng)度隨加載速率變化(0 ℃)

表6 砂漿半圓試件彎拉強(qiáng)度隨加載速率變化(-10 ℃)

由表6可知，本次試驗(yàn)的變異系數(shù)都在7%以下，試驗(yàn)的可靠性和穩(wěn)定性較好.從整體上來(lái)看，在砂漿半圓彎曲斷裂試驗(yàn)中，-10 ℃和0 ℃下砂漿彎拉強(qiáng)度都隨加載速率增大而逐漸增大，且增長(zhǎng)速率隨加載速率的提高而逐漸減小，其彎拉強(qiáng)度-加載率曲線及擬合結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2 半圓彎拉強(qiáng)度隨加載速率變化曲線

由圖2可知，在半圓試驗(yàn)中各溫度下砂漿試件彎拉強(qiáng)度隨加載速率的變化趨勢(shì)基本相同.隨著溫度的提高，試件彎拉強(qiáng)度不斷減小，對(duì)加載速率的變化越來(lái)越敏感，表現(xiàn)為擬合曲線方程中指數(shù)不斷增大；同一溫度下，試件彎拉強(qiáng)度增幅隨加載速率增大而降低，彎拉強(qiáng)度-加載速率曲線越來(lái)越平緩，且-10 ℃的加載速率臨界值為7.5 mm/min，而0 ℃的臨界值接近30 mm/min.

3 基于數(shù)字圖像的砂漿黏彈性分析

為研究該蠕變現(xiàn)象對(duì)半圓彎曲斷裂試驗(yàn)的影響，采用數(shù)字圖像方法對(duì)砂漿在低溫條件下的黏彈性行為進(jìn)行分析.典型的數(shù)字圖像(digital image technology,DIC)測(cè)量系統(tǒng)工作原理是采用高頻率的攝像機(jī)捕捉試件在試驗(yàn)過(guò)程中的圖像，通過(guò)標(biāo)定初始圖像，計(jì)算得到不同時(shí)間下的指定點(diǎn)的位移變化數(shù)值，見(jiàn)圖3.

圖3 DIC數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)測(cè)量系統(tǒng)

3.1 砂漿半圓彎曲斷裂試驗(yàn)中的蠕變分析

在獲取的數(shù)字圖像中，獲得試件對(duì)稱(chēng)軸上5個(gè)點(diǎn)的總豎向位移，見(jiàn)圖4.由圖4可知，在加載過(guò)程中，點(diǎn)越靠近加載區(qū)域，該點(diǎn)的豎向位移越來(lái)越大，并隨靠近加載點(diǎn)的距離呈現(xiàn)較為均勻的變化，但在加載點(diǎn)位置，加載點(diǎn)的位移產(chǎn)生突變，這是由于加載點(diǎn)附近蠕變位移較明顯.

圖4 試件各點(diǎn)總豎向位移隨時(shí)間變化

由蠕變=總位移-整體位移.整體位移通過(guò)始末圖像相減，得到試件蠕變-時(shí)間曲線,見(jiàn)圖5.由圖5可知，蠕變?cè)鲩L(zhǎng)速度隨時(shí)間增長(zhǎng)越來(lái)越大，然后增長(zhǎng)速度趨于穩(wěn)定.

圖5 試件蠕變-時(shí)間曲線

3.2 蠕變對(duì)半圓彎曲斷裂試驗(yàn)的斷裂能影響分析

在試驗(yàn)過(guò)程中，由于試件存在蠕變現(xiàn)象，荷載做功等于試件斷裂能與試件產(chǎn)生蠕變所需能量的總合，為去除蠕變干擾得到試件實(shí)際斷裂能，需獲取蠕變-荷載曲線，見(jiàn)圖6.

圖6 蠕變位移隨荷載變化曲線

采用冪函數(shù)進(jìn)行擬合.

F=AlnV+B

(3)

式中：F為加載荷載，kN；A,B為擬合系數(shù)；V為砂漿試件加載點(diǎn)位置的豎向蠕變.

得到4組試驗(yàn)的荷載-蠕變位移曲線參數(shù)見(jiàn)表7，由于R2較小，可以認(rèn)為冪函數(shù)對(duì)蠕變的荷載-蠕變曲線的擬合較為準(zhǔn)確.

表7 蠕變荷載曲線參數(shù)

計(jì)算蠕變耗能和實(shí)際斷裂能見(jiàn)表8，由表8可知，蠕變?cè)鲩L(zhǎng)速率隨荷載增加不斷增大，體現(xiàn)為斜率不斷提高，這一方面是由于荷載的增大，促進(jìn)了蠕變的發(fā)展；另一方面是由于在加載過(guò)程中，試件產(chǎn)生一定的內(nèi)部破壞及微小裂縫，抵抗蠕變的能力逐漸降低.通過(guò)計(jì)算，可認(rèn)為蠕變對(duì)斷裂能的影響可忽略不計(jì).

表8 蠕變耗能和實(shí)際斷裂能

4 結(jié) 論

1) 砂漿半圓試件的厚度越大，其彎拉強(qiáng)度越大；試件彎拉強(qiáng)度隨加載速率增大而增大，并隨加載速率提高彎拉強(qiáng)度增幅放緩；指數(shù)方程能較好的擬合彎拉強(qiáng)度與加載速率的關(guān)系；隨著溫度的提高，試件彎拉強(qiáng)度不斷減小，對(duì)加載速率的變化越來(lái)越敏感.

2) 砂漿試件在低溫環(huán)境下進(jìn)行半圓彎曲斷裂試驗(yàn)時(shí)，蠕變發(fā)生在試驗(yàn)的全過(guò)程；砂漿試件加載位置的蠕變隨荷載增加而增加，且增幅越來(lái)越大；蠕變對(duì)斷裂能的計(jì)算影響僅為5%～7%.