应力吸收层贯入试验数值分析与试验方法评价

周 燕，李美东，苑瑞星，陈拴发

(1.天津城市建设学院土木工程系，天津300384;2.霍尼韦尔综合科技(中国)有限公司，上海201203;3.长安大学材料科学与工程学院，陕西西安710061)

0 引言

应力吸收层沥青混合料因具有低弹性模量、高韧性、材料密实、良好的弹性恢复性能、优良的抗疲劳性能等特点，可以缓解裂缝尖端的应力集中、延缓或抑制反射裂缝的发展［1-4］，延长沥青混凝土罩面层的服务寿命［5-7］.由于应力吸收层位于接缝(或裂缝)端部，夏季高温时，在荷载作用下也会受到较大的剪应力作用，因此研究应力吸收层沥青混合料的抗剪性能，保证其上罩面层不出现车辙等破坏具有重要的现实意义.许多文献［8-10］提出了沥青混合料的抗剪试验方法，但试验复杂，数据处理困难.应力吸收层沥青混合料，由于集料细、沥青用量大、对温度变化敏感等原因，相关的抗剪试验方法还处于摸索阶段.鉴于此，笔者采用贯入试验来模拟裂缝尖端应力吸收层的受力状态，研究试件规格、压头大小、矿料级配等对试验结果的影响，讨论应力吸收层沥青混合料贯入试验的可行性及适宜的试验条件.

1 试验方法

1.1 抗压回弹模量

抗压回弹模量反映了材料的弹性变形和弹性滞后变形.为满足计算及路面设计要求，首先确定应力吸收层沥青混合料的抗压回弹模量.试验采用单轴压缩试验方法，加载速率均采用2 mm/min，圆柱体试件的直径为100 mm，高为100 mm，在设计级配的最佳沥青用量下，分别测试了5，15，20，45，60 ℃ 温度下的抗压回弹模量，试验结果如表1所示.

随温度的升高，试件抗压回弹模量减小;在各温度条件下，应力吸收层混合料抗压回弹模量较一般沥青混合料小.如15℃条件下，普通细粒式密级配沥青混合料抗压回弹模量约为2 000 MPa［11］，应力吸收层混合料抗压回弹模量仅为527.4 MPa，约为普通沥青混合料的0.26倍.表1为贯入试验的数值模拟提供了试验依据.

1.2 贯入试验

贯入试验是通过一个钢压头在试件上加压，模拟裂缝尖端应力吸收层的受力状态，试验方法如图1所示.

加载钢压头的直径应远小于试件的直径，用r/R表示压头和试件直径的比例.从路面的实际受力角度，r/R越小越可以模拟应力吸收层的实际受力状态，但是压头太小试验数据会出现较大的变异性，同时压头的大小还受集料尺寸的影响.应力吸收层沥青混合料最大公称粒径为4.75 mm，所以压头的直径不可过大.选择4倍于最大公称粒径的压头直径19 mm和6倍于最大公称粒径的压头直径28.5 mm进行ANSYS计算分析.同时，为了试验操作方便，选择静压圆柱形试件直径和高均为100 mm和马歇尔试件(100 mm×63.5 mm)进行试验的数值模拟，计算荷载为实际试件的破坏力.抗压回弹模量取500 MPa，泊松比取0.25.

表1 抗压回弹模量试验结果Tab.1 Compression rebound modulus test results

图1 贯入试验方法Fig.1 Penetration test

2 数值模拟结果分析

2.1 圆柱形试件与Φ28.5 mm压头

直径和高均为100 mm的圆柱形试件在直径为28.5 mm的压头作用下，各主应力及剪应力沿试件表面分布的路径图如图2～3所示.

第一主应力、第三主应力在压头范围内最大，第三主应力约为第一主应力的1.4倍.各主应力最大值在试件中心处，剪应力最大值出现在压头边缘处.无论是第一主应力、第三主应力还是剪应力，在试件外边缘处应力均达到最小值，第一主应力约为最大值的0.1倍，第三主应力约为最大值的0.005倍，但剪应力约为最大值的0.3倍，说明试件直径为100 mm时，直径28.5 mm的压头偏大，试件不能满足横向支撑.

为研究试件高度是否满足应力分布的范围，图4～5给出了各应力沿试件纵向的分布路径图.其中，第一主应力和第三主应力取试件的中心处，而剪应力取压头边缘最大剪应力处.

可以看出，各主应力在距离表面70 mm左右达到稳定值，剪应力在距离表面60 mm左右收敛，可见在直径28.5 mm的压头作用下，试件高度可满足应力的纵向分布.

2.2 直径和高均为100 mm的圆柱形试件与Φ19 mm压头实验研究

图6为剪应力俯视云图，图7为第三主应力竖向分布云图.试件表面边缘处的第三主应力约为中心处最大值的0.1倍，试件表面边缘处的剪应力约为压头边缘处最大值的0.1倍，可见Φ100 mm的试件足以满足各作用力的横向分布.由图7可以看出，试件底部边缘第三主应力约为最大值的0.1倍，可见高度100 mm足以提供纵向支撑.

图6 剪应力俯视云图Fig.6 Top view of shear stress

图7 第三主应力竖向分布云图Fig.7 Vertical dispersion of the third principal stress

2.3 100 mm×63.5 mm圆柱形试件与Φ28.5 mm压头实验研究

由以上研究可以看出，横向主要考虑剪应力是否超出试件直径范围;纵向主要考虑第三主应力是否超出试件的高度范围，所以对100 mm×63.5 mm圆柱形试件仅列出剪应力横向分布云图与第三主应力沿试件中心纵向的分布云图，分别如图8、9所示.

图8 剪应力俯视云图Fig.8 Top view of shear stress

由图8和图9可以看出，试件边缘处剪应力为压头边缘最大剪应力的0.1倍，满足横向支撑;纵向底部边缘第三主应力约为最大主应力的0.2倍，高度不满足纵向的支撑.

2.4 100 mm×63.5 mm圆柱形试件与Φ19 mm压头实验研究

100 mm×63.5 mm圆柱形试件在Φ19 mm压头作用下剪应力横向分布云图与第三主应力沿试件中心纵向的分布云图分别如图10、11所示.

由图8、9可以看出，试件边缘处剪应力仍为压头边缘最大剪应力的0.1倍;纵向底部边缘处第三主应力约为最大主应力的0.1倍;说明在Φ19 mm压头作用下高度为63.5 mm的试件完全满足纵向支撑.

综上所述，在Φ19 mm压头的作用下，两种试件均可满足横向和纵向的支撑;在Φ28.5 mm压头的作用下，马歇尔试件不满足纵向支撑，圆柱形试件不满足横向支撑.

另外，由于应力吸收层沥青混合料最大粒径偏小，在马歇尔击实仪作用下不可避免地存在粒径被压碎的情况，所以宜选择静压法成型的直径和高均为100 mm的圆柱形试件和Φ19 mm的压头进行试验研究.

3 试验方法评价

为了加强对比结果，选择7种代表性改性沥青，如:SBR改性、SBS改性、SAM改性、QP改性、GC改性、TPS改性以及STR改性沥青，进行混合料贯入试验.其中，试件采用第2节的圆柱形试件，压头直径为19 mm.矿料级配对混合料的高温抗剪能力有较大的影响，对设计级配、级配上限和级配下限分别进行7种改性沥青的贯入试验.3种级配、7种沥青样品下的贯入试验破坏荷载如图12所示:

图12 级配类型对贯入破坏荷载的影响Fig.12 Effect of gradation type on penetration failure load

可以看出，在级配上限和级配下限时，混合料的破坏荷载明显偏小.一方面说明设计的级配颗粒比较均匀，沥青用量合理，混合料具有较好的内摩阻力和粘聚力;另一方面也说明:在设计的圆柱形试件和压头作用下，贯入试验方法可以较好地区分矿料级配的优劣，数值模拟和实际试验方法相吻合，圆柱形试件尺寸和压头尺寸选择较为合理.

4 结论

(1)各温度条件下，应力吸收层混合料抗压回弹模量较一般沥青混合料小，15℃条件下的抗压回弹模量约为普通细粒式密级配沥青混合料的0.26倍.

(2)计算分析表明，Φ19 mm压头和Φ28.5 mm压头分别作用在静压法成型的试件和马歇尔试件上时，各主应力最大值出现在试件中心处，剪应力最大值出现在压头边缘处.在Φ19 mm压头的作用下，马歇尔试件和静压圆柱形试件均可满足横向和纵向支撑;在Φ28.5 mm压头的作用下，马歇尔试件不满足纵向支撑，静压圆柱形试件不满足横向支撑.应力吸收层沥青混合料贯入试验推荐采用Φ19 mm压头和静压法成型的高和直径均为100 mm的圆柱形试件.

(3)用室内试验检验了设计圆柱形试件和压头对贯入试验的可行性.结果表明:贯入试验方法可以较好地区分矿料级配的优劣，数值模拟和实际试验方法相吻合，贯入试验可用于应力吸收层沥青混合料抗剪性能的评价.

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