沥青混合料的半圆弯拉与小梁三点弯拉对比试验*

杨大田 朱洪洲

(重庆交通大学山区道路建设与维护技术实验室 重庆 400074)

0 引 言

抗拉强度试验是评价热拌沥青混合料物理力学性能重要试验之一,也是测试沥青混凝土路面设计参数重要试验方法.沥青混凝土路面的破坏,如疲劳开裂和低温缩裂,与热拌沥青混合料的抗拉强度密切相关.长期以来,路面工程师和研究人员一直广泛采用间接拉伸试验(IDT)、小梁三点弯曲试验或直接拉伸试验来评价热拌沥青混合料的抗拉强度、断裂韧性及疲劳寿命.

直接拉伸试验由于很难保证夹具与试件的轴心在同一条线上,往往出现偏向荷载,导致试验误差大,因而在实验室很少采用.

半圆弯曲试验(SCB)是从岩石力学引进的一项评价沥青混合料抗拉性能的试验.1984年K.P.Chong和M.D.Kuruppu提出了用于岩石、混凝土和其他圆形试件的半圆弯曲试验来确定岩石和其他材料的断裂韧性.1996年R.L.Krans等用半圆弯曲研究沥青混凝土圆形心样实际裂纹发展,并分析了半圆弯曲试验的优点;1997年R.L.Krans等研究了半圆弯曲试验的可行性,测试了2种沥青混凝土的弯拉强度、劲度模量和疲劳寿命,与间接拉伸试验相比较,得出了半圆弯曲试验可作为在沥青混合料设计中相关性能的测试以及现场混合料生产和路面施工的质量控制的测试方法,并提交半圆弯曲试验的标准操作规程;2002年X.Erkens等人认为半圆弯曲试验是一个既简单又实用的试验方法,完全满足路面设计参数(模量、弯拉强度等)测试、质量控制和保证;2003年R.Hofman等人用带来预设裂纹的半圆试样分别试验了静态等速加载和动态疲劳试验,用2种沥青混合料和3个实验室分别独立测试沥青混合料的断裂韧性和裂纹增长速率,试验结果表明半圆弯曲试验具有较高的可重复性和再现性,能够区辨沥青混合料性能好与坏;2005年Huang Baoshan等用半圆弯曲试验和间接拉伸试验测试沥青混合料的弯拉强度,分析了在间接拉伸试验的加载条附近产生了较大的永久变形,而半圆弯曲试验减小了加载条附近的塑性变形,因而半圆弯曲试验比间接拉伸试验更适合评价沥青混合料的弯拉性能,半圆弯曲试验完全可代替间接拉伸试验.2007年刘宇[1]用半圆弯拉断裂韧性试验研究3种应力吸收层的力学特性,2008年[2-3]总结国外半圆弯拉试验方法在沥青混合料中的应用与研究,并用半圆弯拉试验研究了3种沥青混合料的疲劳寿命,得到了:具有断级配的应力吸收层沥青混合料具有很好的抗裂性能和抗疲劳性能;混合料累积疲劳破坏能符合Miner线性假定.沥青混合料的疲劳寿命与断裂韧度有很好的相关性.2007年曹轲铭[4]对3种沥青混凝土试样进行了半圆与小梁弯拉强度试验,得到了它们的弯拉强度比为1.3～1.9.

可见,国内外大多数学者都集中在沥青混合料的间接拉伸与半圆弯曲强度的比较研究,而对它们的疲劳寿命和蠕变变形对比研究较少.同时,在对小梁三点弯曲与半圆弯曲强度、断裂韧性和疲劳寿命等方面比较试验研究就更少.本文首先进行沥青混合料的半圆弯拉和小梁三点弯拉强度比较试验,再进行断裂韧性比较试验,最后进行疲劳寿命对比试验.根据试验结果和文献资料,分析半圆弯曲试验评价沥青混合料的强度、断裂韧性和疲劳寿命等相关性能的可行性,为沥青混合料半圆弯曲试验今后的研究和在国内推广运用作一次探索.

1 原材料与试样制备

1)沥青 本试验选用SBS改性70#重交道路石油沥青,其技术性能试验结果见表1.

2)集料及矿粉 集料为石灰岩碎石,其技术性质满足规范要求.矿粉是石灰岩经过磨细得到的,其技术性质满足规范要求.

3)矿料级配 本次混合料的矿料级配,见表2.

表1 沥青试验

表2 AC-13F级配

4)沥青用量 本次试验试样制作采用沥青用量——油石质量比5.4%.

5)试样制备 试验采用标准马歇尔试件.双面击实75次成型,用表干法测取试样毛体积密度,以此值称料碾压成型300 mm×300 mm×50 mm的试块,再切割成250 mm×40 mm×40 mm的小梁试件,以供小梁三点弯曲试验.把标准马歇尔试件切割成两半,用于半圆弯曲试验.

2 弯拉强度与断裂韧性试验

2.1 弯拉强度试验

23种试验方法的抗拉强度试验结果,见表3、表4,在表中列出了均值、标准差、变异系数及半圆弯曲和小梁3点弯曲试验的强度比.

表3 小梁三点弯曲与半圆弯曲强度比较

从表3可以看出,在试验条件1下半圆弯曲弯拉强度均值与三点弯曲的比值为1.05;在试验条件2下半圆弯曲弯拉强度均值与三点弯曲的比值为1.01.这说明半圆弯曲试验得到的沥青混合料强度与小梁三点弯曲试验得到的几乎相同.同样2种试验条件下,半圆弯曲试验结果的变异系数比小梁三点弯曲试验的要小.可见,用半圆弯曲试验可大大减少材料的变异性对试验结果的影响.

2.2 断裂韧性试验

为了比较小梁三点弯曲与半圆弯曲试验对沥青混合料抗裂性能的评价差异,根据文献[5,8-9]制作了小梁试件40 mm×40 mm×250 mm(跨径200 mm),高跨比1∶5,刻槽深度在20～30 mm间变化,并计算断裂韧度K Ic和延性断裂韧度J Ic.根据文献[5-7],在半圆试件跨中刻槽深度20～30 mm,其断裂韧度KIc和延性断裂韧度JIc,依据式(1)、(2)和(3)计算

式中:D为半圆弯曲试件的直径,mm;L为半圆弯曲试件的厚度,mm;Y I为I型裂纹应力强度因子[9].

式中:U1和U2分别为刻槽a1和a2试件获得断裂应变能,J;b1和b2分别为刻槽a1和a2试件的厚度,m.

在试验条件2下对沥青混合料小梁和半圆进行断裂韧性试验,其结果见表5.

表4 小梁三点弯曲与半圆弯曲断裂韧性试验

从表4可以看出,用半圆弯曲试验得到的断裂韧度K Ic比三点弯曲的稍大19%.同样J-积分试验,半圆弯曲得到的延性断裂韧度JIc比三点弯曲的大42%.因而用带有刻槽的半圆弯曲试验来评价沥青混合料的断裂韧性是可行的,可代替小梁三点弯曲试验.

3 疲劳试验

在温度15℃和30%的应力强度下做半圆弯拉和小梁三点弯拉疲劳试验,其试验结果见表5.

表5 半圆弯曲和小梁三点弯曲疲劳试验比较

从表5可以看出,2种方法得到的疲劳寿命均值大小顺序为3-point＞SCB,但整体上相互间相差不大.但从标准差和变异系数来看,3-point的较大,而SCB的较小.

从上述试验结果来看,半圆弯拉试验结果的变异系数比小梁三点弯拉试验的小,这有利于保证试验的可靠性和重复性.其中的原因与半圆试样是通过马歇尔试件获得的,而小梁是先通过车辙板碾压,再切割而成的.从试样体积大小来看,马歇尔试件相对于车辙板试样的体积小,所用混合料少,在制作过程中较容易控制混合料的均匀性,能减少混合料的离散性.所以,在室内制作或在现场切割钻芯取样,所得到的半圆弯拉试样的变异性比小梁试样的要小.

4 结 论

1)用小梁三点弯曲与半圆弯曲试验,得到弯拉强度比接近1.

2)在带有刻槽的小梁三点弯曲和半圆弯曲断裂韧性对比试验中,发现用半圆弯曲试验得到的结果比用小梁三点弯曲试验的结果偏大.

3)用半圆弯曲疲劳试验得到的沥青混合料疲劳寿命比与小梁三点弯曲疲劳试验的小.

4)从变异系数来看,半圆弯曲试验可大大减轻材料的变异性而对试验结果产生的影响.

5)还需要进一步对比研究2者的蠕变变形试验.

[1]刘 宇,张肖宁,薛忠军.应用J积分断裂准则评价应力吸收层抗裂性能[J],科学技术与工程,2007,7(24):6 362-6 367.

[2]刘 宇,张肖宁,王端宜.沥青混合料裂纹扩展阶段的疲劳寿命预测[J].华南理工大学学报:自然版,2008,36(2):42-47.

[3]刘 宇,张肖宁,迟凤霞.国外SCB(半圆弯抗)试验方法在沥青混合料中的研究与应用[J].中外公路,2008,28(3):190-193.

[4]曹轲铭.沥青混合料半圆弯拉试验方法研究[D].长沙:湖南大学土木建筑学院,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]贾丽魏,张南鹭.沥青混合料低温性能J-积分的研究[J].同济大学学报,1995,23(2):158-162.

[9]JTJ 052—2000.沥青及沥青混合料试验规程[M].北京:人民交通出版社,2000.