基于第二主应力的沥青混合料强度试验研究

锁利军，王秉纲，郑传超

(1.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064; 2.洛阳理工学院 土木工程系，河南 洛阳 471023)

基于第二主应力的沥青混合料强度试验研究

锁利军1,2，王秉纲1，郑传超1

(1.长安大学 特殊地区公路工程教育部重点实验室，陕西 西安 710064; 2.洛阳理工学院 土木工程系，河南 洛阳 471023)

沥青混合料的强度理论与沥青混合料试验方法都未考虑第二主应力对沥青混合料强度的影响.为了研究第二主应力与沥青混合料强度的关系，选定第二主应力、试验温度和加载速率三个因素进行了正交试验设计，据此完成了沥青混合料强度试验.试验结果表明，正温时有第二主应力的沥青混合料的强度明显大于无第二主应力的相应结果，而在零度和负温度时，有第二主应力的沥青混合料的强度与无第二主应力的相应结果相差不大.考虑各因素的交互作用，对给定显著水平α=0.05的正交试验显著性分析表明：温度大于零度时，对沥青混合料强度显著性影响的强弱顺序是第二主应力、试验温度和加载速率；在零度和负温度时，对沥青混合料强度显著性影响的强弱顺序是试验温度、加载速率和第二主应力.

道路工程；沥青混合料；强度；第二主应力；正交试验设计

0 引言

沥青路面在使用过程中易产生高温车辙和低温裂缝病害，前者与沥青混合料的高温强度有关，后者与沥青混合料的低温强度有关.实践中，如何提高沥青混合料的强度以减少沥青路面的车辙和开裂等病害，成为一个重要问题.刘宇等[1]将半圆弯拉试验方法和间接拉伸试验方法进行对比，分析了半圆弯拉强度与间接拉伸强度的相关性.钱国平等[2]对不同加载速率下单轴压缩、弯曲、直接拉伸和劈裂强度进行试验研究.Hartman等[3]采用四点弯曲疲劳试验方法对沥青混合料进行疲劳强度试验研究.Archilla等[4]通过强度试验数据建立沥青路面车辙计算模型.实践中，Mohr-Coulomb强度理论未考虑第二主应力，测试沥青混合料抗压强度采用圆柱形马歇尔试件抗压试验或棱柱体试件单轴压缩试验，都是无侧限强度试验.评价沥青混合料剪切强度的闭式三轴试验对圆柱体试件施加的围压是第三主应力.由此可知，现有研究成果、现行规范中沥青混合料的试验方法均未涉及第二主应力.因此，有必要考虑第二主应力进行沥青混合料强度试验研究.笔者设计了试验装置，确定了试验条件，进行了考虑各因素交互作用的正交试验研究，并对试验结果进行了显著性分析.

1 沥青混合料与试验试件

1.1 沥青混合料

沥青混合料的类型是AC-16，矿料的合成级配见表1.

表1 矿料的合成级配Tab.1 Gradation for aggregates %

1.2 试验试件

1.2.1 试件形状

图1反映两种试件的受力状态.圆柱体试件侧面的应力为一个值.立方体试件的侧面的应力是两个值，可以充分考虑第二主应力变化对沥青混合料强度的影响.因此，沥青混合料试验中采用立方体试件.

图1 两种试件受力状态Fig.1 Stress state for two specimens

1.2.2 试件尺寸

按照现行沥青混合料试验规程，对于轮碾板块试件，碾压层厚度或宽度不小于公称最大粒径1～1.5倍，长度不小于公称最大粒径的4倍，试验中级配集料的公称最大粒径为16 mm，所以试验采用边长50 mm的立方体试件.

2 试验方案

2.1 试验温度与加载速率

沥青混合料的力学性能受加载速率、试验温度的影响较大，综合考虑国内外沥青混合料试验规程的要求，确定试验温度25 ℃、15 ℃、0 ℃和-10 ℃；确定试验加载速率为5.08 mm/min 、2 mm/min和1 mm/min[5].

2.2 试验仪器

试验仪器包括SANS多功能压力试验机和平面应变试验装置.平面应变试验装置通过钢板和螺杆的作用来限制试件在侧限方向上的变形.下面分析试验装置能否达到平面应变状态.

(1)

(2)

F1=F2;

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

σ22=v(σ11+σ33);

(9)

ε22=0.

(10)

假设试件在侧限方向的位移Δl2与平面应变装置的轴向变形量Δl1相等，试件的应变为式(5).用广义虎克定律表示试件的应变为式(6).

平面应变试验装置采用1 cm厚的钢板，其模量E1远大于沥青混合料的模量E22，所以式(8)可转化为式(9).式(9)和式(10)表明，试验完全满足平面应变的条件.

2.3 试验步骤

首先以表1矿料合成级配为基础，成型轮碾车辙板试件；第二步考虑试验试件的形状，将车辙板试件切割为50 mm的立方体试件；接下来将试件放入温度控制箱使试件的温度满足试验的要求；最后将试件放入试验装置，在SANS多功能压力试验机上测试试件的强度值.

3 考虑交互作用的正交试验

3.1 正交试验设计

正交试验选择L8(27).试验因素水平见表2.试验表头设计见表3.

表2 正交试验因素水平Tab.2 Factors and levels of orthogonal test

表3 试验表头设计Tab.3 Table design of orthogonal test

3.2 正交试验结果分析

不同温度时试验方差分析结果见表4，从表中可以看到，工况为正温时，显著水平α=5%时，第二主应力的F值为340.742 1且远大于Fα(1,4)=7.71，这表明第二主应力对沥青混合料强度的影响最为显著.试验温度和加载速率的F值分别为41.429 1和24.465 55，也都大于Fα(1,4)=7.71，说明温度和加载速率对沥青混合料的强度也有显著性影响.工况为零度和负温度时，考虑交互作用的正交试验方差分析结果显示，对于给定显著水平α=5%的Fα(1,4)=7.71,第二主应力、温度和加载速率对沥青混合料的强度都有显著影响，其影响的强弱顺序为温度、加载速率和第二主应力.

水平随机化处理后的试验方案和试验结果见表5.从试验结果可以看出，考虑第二主应力、不同温度时沥青混合料的力学强度存在较大的差异.正温时有第二主应力的沥青混合料的强度明显大于无第二主应力的相应结果，这说明25 ℃、20 ℃、15 ℃时沥青混合料的黏弹性与第二主应力的作用共同影响着沥青混合料的试验结果.而在零度和负温度时，有第二主应力的沥青混合料的强度与无第二主应力的相应结果相差不大，原因是零度和负温度时沥青混合料的脆性增加，试验中从加载到试件破坏经历的时间短，导致试件侧面与平面应变装置接触时间短，第二主应力未充分发挥作用沥青混合料已经破坏.

表4 试验方差分析Tab.4 Orthogonal test variance analysis

表5 试验方案与试验结果Tab.5 Orthogonal test plan and test results

4 结论

(1)设计了平面应变试验装置，并对其进行力学分析，结果表明：试验基本达到平面应变的条件.确定试验采用边长50 mm的立方体试件.确定试验温度25 ℃，15 ℃，0 ℃和-10 ℃；确定试验加载速率为5.08 mm/min，2 mm/min和1 mm/min.

(2 )考虑第二主应力、加载温度与加载速率3因素，进行了正交试验设计.试验结果表明，考虑第二主应力、不同温度时沥青混合料的力学强度存在较大的差异.正温时有第二主应力的沥青混合料的强度明显大于无第二主应力的相应结果，而在零度和负温度时，有、无第二主应力对沥青混合料的强度结果影响不大.

(3)考虑交互作用的试验方差分析结果表明，正温度条件下，第二主应力对沥青混合料强度影响最为显著，其次是温度和加载速率.零度和负温度条件下，温度对沥青混合料强度的影响最为显著，加载速率对沥青混合料强度的影响次之，第二主应力对沥青混合料的强度也有显著影响，但在3因素中最弱.

[1] 刘宇, 张肖宁．沥青混合料半圆弯拉强度与间接拉伸强度对比分析[J]. 公路交通技术, 2011, 27(3): 34-39.

[2] 钱国平，刘宏富，郑健龙，等．不同受力模式下沥青混合料强度的速度特性试验研究[J]. 中南大学学报：自然科学版, 2012, 43(2): 681-686.

[3] HARTMAN A M, GILCHRIST M D. Evaluating four-point bend fatigue of asphalt mix using image analysis[J]. Journal of Materials in Civil Engineering ,2004,16(1): 60-68．

[4] ARCHILLA A R, MEDANAT S. Development of asphalt pavement rutting model from experimental data[C]//79th Annual TBR Meeting.Washington D C: National Research Council,2000:425-445．

[5] JTG E20—2011公路沥青及沥青混合料试验规程[S]．北京：人民交通出版社，2011.

[6] JTG D50—2006公路沥青路面设计规范[S]．北京：人民交通出版社,2006.

[7] 刘红瑛，叶松，谭发茂，等.大粒径沥青混合料级配离析测量和评价方法[J]. 郑州大学学报：工学版,2014,35(2)：24-27．

[8] 锁利军,王秉纲.多孔混凝土基层缩缝处沥青面层荷载应力分析[J]. 郑州大学学报：工学版，2011，32 (5)：100-103．

Experiment on Strength of Asphalt Mixture Based on Second Principal Stress

SUO Li-jun1,2, WANG Bing-gang1, ZHENG chuan-chao1

(1.Key laboratory of Highway Engineering in Special Region of Ministry of Education, Chang’an University, Xi’an 710064, China; 2.Civil Engineering Department, Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023, China)

Both strength theory of Mohr-Coulomb and testing methods, which are used to value strength of asphalt mixture in specification, do not include second principal stress. In order to study influence of second principal stress on strength of asphalt mixture, strength of asphalt mixture in different condition is tested on the base of orthogonal experimental design, which includes three factors, such as temperature, loading velocity and second principal stress. Experimental results show that strength of asphalt mixture with the second principal stress is obviously larger than the corresponding results without the second principal stress when it is positive temperature. However,there is a little difference in strength between asphalt mixture with second principal stress and one without second principal stress when it is negative temperature. The results also show that，for a given significant level, orthogonal experimental design significance analysis in positive temperature shows that second principal stress has the most obvious influence on strength of asphalt mixture, as followed by temperature and loading velocity. On the other hand，orthogonal experimental design significance analysis in negative temperature shows that temperature has the most obvious influence on strength of asphalt mixture, as followed by loading velocity and second principal stress.

road engineering；asphalt mixture；strength；second principal stress；orthogonal experimental design

2014-08-30；

2014-11-19

河南省科技攻关计划资助项目(102102310271)

锁利军(1975-)，男，河北徐水人，洛阳理工学院副教授，博士，研究方向为路面工程，E-mail：lijunsuo@126.com.

1671-6833(2015)01-0079-04

U416.01

A

10.3969/j.issn.1671-6833.2015.01.019