冲击荷载作用下AC与SMA沥青混合料动力学性质比较

王 君

(湖南省高速百通建设投资有限公司,湖南长沙 410003)

沥青混合料作为一种广泛应用的工程材料,在其使用过程中除了承受静荷载的作用外,还可能承受冲击、爆炸等动荷载的作用。而人们对沥青混合料材料在动态荷载作用下的力学性能又研究甚少,因而展开对沥青混合料动力性能研究,有利于完善沥青混合料设计系统,全面的掌握沥青混合料在动态工作环境下的性能,弥补沥青混合料在动力学这一领域的空缺,为沥青混合料动力性能研究提供技术储备[1,2]。

以往对沥青混合料的研究工作大都基于静态、准静态条件,对材料在动力荷载作用下的研究相对较少。近年来,一些学者已经开始从不同角度对沥青混合料的动力性能进行了探索性研究。本文拟通过SHPB试验,对比研究冲击荷载下普通沥青混合料与沥青玛蹄脂碎石的动力学性质。

1 沥青混合料配合比设计及试样制作

1.1 沥青混合料配合比设计

本文选取路面层常用的普通沥青混凝土AC—13与沥青玛蹄脂碎石SMA—13进行研究。其中与所用沥青均为未改性的70号A级道路石油基质沥青,集料采用江苏镇江玄武岩,在级配组成上,普通沥青混凝土AC—13采用开级配磨耗结构,具体合成级配见表1;沥青玛蹄脂碎石SMA—13采用断级配嵌锁结构,具体合成级配见表2。级配组成均满足现行《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)[3]要求。

表1 AC—13合成级配%

表2 SMA—13合成级配%

根据JTG F40—2004规范,沥青混合料配合比设计采用马歇尔配合比设计方法,根据经验选取预估油石比Pb,然后选取Pb-0.6%,Pb±0.3%,Pb+0.6%五个油石比制作马歇尔试件,测定沥青混凝土试件的空隙率、矿料间隙率、有效沥青的饱和度等体积指标,以及测定马歇尔稳定度及流值,并进行体积组成分析,综合各指标得出最佳油石比。

对沥青混凝土AC—13和沥青玛蹄脂碎石SMA—13在不同油石比下进行马歇尔试验,其中AC—13预估油石比Pb为5.1%,取4.5%,4.8%,5.1%,5.4%,5.7%五个油石比制作马歇尔试件;SMA—13的预估油石比Pb为5.9%,取5.3%,5.6%,5.9%,6.2%,6.5%五个油石比制作马歇尔试件,其马歇尔试验结果分别见表3,表4。

表3 AC—13不同油石比下的马歇尔试验结果

表4 SMA—13不同油石比下的马歇尔试验结果

1.2 试样制作

本试验的研究对象为沥青混合料,其集料的公称最大粒径可达13.2 mm,如此粗的集料颗粒用于成型沥青混合料试件,如果试件的整体大小不能达到一定的数值,将会使试件存在很大的缺陷。在《公路工程沥青及沥青混凝土试验规程》(JTJ 052-2000)T0704-1993[4]有规定:沥青混凝土试件制作的试件尺寸应满足试件直径不小于公称最大粒径的4倍,试件厚度不小于公称最大集料粒径的1～1.5倍。根据现有的SHPB杆尺寸,本研究选取Φ74 mm SHPB变截面压杆,并根据相关要求选取试件直径为70mm,因为试件长度与直径之比约在0.5时弥散效应会最小。为此,选择试件的高度为35mm。

2 SHPB试验

分离式Hopkinson压杆可以用来测定材料在一定应变率范围的动态力学行为,已经被证明是研究材料在冲击荷载作用下力学行为的有效手段[5,6]。典型的SHPB试验装置主要有:发射加载装置、压杆系统、数据测量采集系统和数据处理系统构成。直径为74 mm SHPB变截面压杆装置也包括这几大系统,其示意简图见图1。

试验时,子弹在高压气体的推动下以一定速度撞击入射杆,在入射杆中产生入射波,入射波到达试件时分成两部分:一是向前传递透射波;二是逆向回弹反射波,同时应变片将分别测出入射杆与透射杆的应力应变值,并将信号输出至示波器中,通过数据处理系统得出试件的应力-应变曲线。

图1 直径74mm SHPB装置示意图[7]

对于普通沥青混凝土AC—13与沥青玛蹄脂碎石SMA—

13,考虑温度对路面使用性能的影响,试验选取了路面使用环境典型的3个温度,即冬季-20℃、常温25℃、夏季60℃。各温度下采用3个应变率,分别为25 s-1、60 s-1、110 s-1。对于每种材料,不同温度与应变率组合,至少进行3个平行试验,取平均值作为结果进行分析。

3 试验结果与分析

3.1 试件行为

冲击荷载作用下,沥青混合料试件的行为可以分为4种模式,分别为表观完好、不同程度块裂、完全碎裂及不同程度压缩,如图2所示。表5为所用沥青混凝土试件在不同温度、不同应变率条件下的破坏模式汇总。

由表5可见,温度对沥青混凝土的破坏模式有一定影响。在低温-20℃下,试件易发生脆性的不同程度块裂或完全碎裂;在高温60℃下,试件呈现不同程度的塑性压缩;常温25℃时的情况介于两者之间。

应变率对沥青混凝土的破坏模式也有一定影响。在25 s-1低应变率下,所用沥青混凝土试件在各个温度下均能保持表观完好;在110 s-1高应变率下,-20℃时所有沥青混合料试件均发生了完全碎裂,25℃时大多试件发生块裂或碎裂,60℃时则大多试件呈现显著塑性压缩。相比普通沥青混凝土,沥青玛蹄脂碎石的柔韧性明显增强,较少发生脆性块裂或碎裂。

3.2 应力-应变关系

应力—应变关系曲线是SHPB冲击压缩试验的基本结果[8]。本文对普通沥青混凝土AC—13与沥青玛蹄脂碎石SMA—13两种沥青混凝土进行对比研究。图3至图5为第一组沥青混凝土AC—13与沥青玛蹄脂碎石SMA—13在不同温度、不同应变率条件下的应力—应变曲线图。

本文将普通沥青混凝土AC—13与沥青玛蹄脂碎石SMA—13动态力学性能做了简单对比,图3是AC—13与SMA—13在-20℃条件下的应力—应变曲线图。

3.3 动力强度

图2 试件不同破坏模式

表5 冲击荷载作用下试件行为汇总

图3 AC—13与SM A—13在-20℃条件下的应力应变曲线

动力强度是指材料在经受外界冲击荷载时抵抗破坏的能力,本文以沥青混凝土试件所能达到的最大应力值作为动力强度。所用沥青混凝土在不同温度、不同应变率条件下的动力强度值列于表6至表8。

由表6至表8可见,温度对沥青混凝土的动力强度有显著影响。一般地,材料在常温25℃条件下的强度最高,在低温-20℃条件下的强度次之,高温60℃条件下的强度最低。

沥青混凝土的动力强度随应变率的增大而提高,提高的程度与温度有关。在低温-20℃条件下,沥青混凝土的动力强度随应变率的增大提高最多;在常温25℃条件下,材料强度随应变率增大而提高的幅度次之;在高温60℃条件下,材料强度随应变率增大而提高的幅度最小。

图4 AC—13与SM A—13在25℃条件下的应力应变曲线

对比AC—13与SMA—13的动力强度发现,在不同温度、不同应变率下SMA—13的动力强度值均略优于AC—13。在低应变率251下,SMA—13的动力强度相比AC—13的增幅最大,在25℃条件下增幅达29.5%,60℃条件下增幅达64.8%。但随着应变率的提高,其增幅逐渐减小。总体而言,从动力强度角度看,SMA—13的动力性能要优于AC—13。

3.4 冲击韧性

冲击韧性常用于反映金属材料对外来冲击负荷的抵抗能力,并以冲击载荷下试样被折断而消耗的冲击功为衡量指标。本文的研究定义试件最大应力时应力-应变曲线所围面积,作为衡量沥青混凝土抗冲击能力的韧性指标。表6至表8还给出了所用沥青混凝土在不同温度、不同应变率条件下的最大应力对应的应变及韧性值。

由表6至表8可见,与动力强度类似,温度对沥青混凝土的冲击韧性有显著影响。一般地,材料在常温25℃条件下的韧性最高,在低温-20℃条件下的韧性次之,高温60℃条件下的韧性最低。

图5 AC—13与SMA—13在60℃条件下的应力应变曲线

沥青混凝土的冲击韧性随应变率的增大而提高,提高的程度与温度有关。在低温-20℃条件下,沥青混凝土的冲击韧性随应变率的增大提高最多;在常温25℃条件下,材料韧性随应变率增大而提高的幅度次之;在高温60℃条件下,材料韧性随应变率增大而提高的幅度最小。

对比AC—13与SMA—

13的冲击韧性发现,在不同温度、不同应变率下SMA—13的冲击韧性值均略优于AC—13。在低应变率251下,SMA—13的冲击韧性相比AC—13的增幅最大,在-20℃条件下增幅达9.4%,在25℃条件下增幅达22.9%,60℃条件下增幅达139.5%,但随着应变率的提高,其增幅也逐渐减小。总体而言,从冲击韧性角度看,SMA—13的动力性能要优于AC—13。

表6 -20℃不同应变率下动力强度,应变及冲击韧性值

表7 25℃不同应变率下动力强度,应变及冲击韧性值

表8 60℃不同应变率下动力强度,应变及冲击韧性值

4 结语

实验室试验结果与对试验结果的分析显示:

1)在冲击荷载作用下,沥青混凝土的行为可以为完好、块裂、碎裂及压缩等4种模式,随着温度升高、应变率降低,材料逐渐由脆性破坏变成塑性压缩。

2)沥青混凝土的动力强度是温度与应变率的函数,材料在常温2 5℃时的强度高于在低温-20℃及高温60℃时的值,材料强度随应变率的增大而单调提高。对比AC—13与SMA—13的动力强度发现,在不同温度、不同应变率下SMA—13的动力强度值均略优于AC—13,且SMA—13的动力强度相比AC—13的增幅随应变率的增大而减小。

3)类似地,沥青混凝土的冲击韧性也是温度与应变率的函数,材料在常温25℃时的韧性高于在低温-20℃及高温60℃时的值,材料韧性随应变率的增大而单调提高。对比AC—13与SMA—

13的冲击韧性发现,在不同温度、不同应变率下SMA—13的冲击韧性值均略优于AC—13,且SMA—13的冲击韧性相比AC—13的增幅随应变率的增大而减小。

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