沥青砂浆半圆弯曲断裂试验参数及黏弹性分析

江 红

(安徽省交通控股集团有限公司 合肥 230008)

0 引 言

近年研究表明：沥青混合料的高低温性能与其内部的沥青砂浆具有极大的关联.Cristian[1]同时测量了沥青混合料的剪切模量G*和累积永久剪切应变及沥青砂浆的参数，进行对比分析参数之间的相关性；Riara等[2]通过自愈合试验认为砂浆的愈合是混合料愈合的前提条件，干燥的缓慢流动的砂浆促进混合料裂缝的愈合；Gao等[3]通过微观数值模拟方法，认为纤维的长度在一定程度上可以降低砂浆的应力水平，从而提高混合料抗裂性能；在沥青砂浆断裂性能有关是室内试验方面，孔祥明等[4]对通过静态加载，研究变形控制加载速率对不同沥青水泥比例的CAM进行单轴抗压力学实验；庞海峰[5]通过抗压强度、小梁弯曲等室内试验，研究分析沥青混合料细集料含量、粗细集料粒径与沥青砂浆的基本性能的关联度等等.在以往采用的多种试验方法中，半圆弯曲由于其操作简便，成型容易，被广泛采用[6-7].但试件厚度及加载条件等试验参数在沥青砂浆半圆弯曲断裂试验中的影响尚未明晰.

因此，文中通过成型沥青砂浆半圆试件，开展多种加载速率下的半圆弯曲断裂试验，并设置三种温度水平，研究其对试验结果的影响，并基于DIC数字图像技术，进行沥青砂浆试件加载过程中的黏弹性分析.

1 沥青砂浆试件的制备

根据SUP-13混合料的配合比得到的砂浆级配，见表1.

表1 砂浆级配

根据文献[8]推荐沥青膜计算的公式，按5%油石比计算得沥青膜厚度为10.2 μm，由砂浆的级配、集料比表面积、沥青膜厚度计算得到沥青用量.

2 半圆弯曲断裂试验参数分析

为统一分析各个参数对试验结果的影响，本试验以半圆试件底部的极限弯拉应力值为代表的强度指标进行分析.半圆试件底部的弯拉应力为

σt=4.888F/(WD)

(1)

式中:σt为试件底部拉应力；F为顶部荷载；W为试件厚度；D为试件直径.

2.1 半圆弯曲试件厚度对断裂强度的影响

为研究沥青砂浆试件厚度对半圆弯曲断裂试验中试件强度的影响，开展厚度为25，30，32，37 mm的半圆弯曲断裂试验，试验温度为-10 ℃，加载速率确定为3 mm/min，每组三个平行试件，试验结果见表2.

表2 不同厚度砂浆试件半圆弯曲断裂试验结果

由表2可知，砂浆半圆试件厚度在25～37 mm时，砂浆试件的低温抗弯拉强度随着砂浆半圆试件厚度增加而增大，且增大的幅度随着厚度的增加.

2.2 试件切缝深度对半圆试验的影响

为研究切缝对半圆试验结果的影响，采用0，5，10 mm三种规格的切口深度，试验温度为-10 ℃，加载速率为3 mm/min，试验结果见表3.

表3 不同开缝试件半圆弯曲断裂试验结果

由表3可知，本次试验的试验结果的变异性小，结果的可靠度高.结果表明:切缝会降低砂浆半圆试件在低温低速率下的弯拉强度.随着切缝深度的增加，破坏荷载不断减小，试件弯拉强度也在减小，这是由于切缝使得试件中部位置的受拉区域面积减小，降低材料抵抗外荷载作用的能力.

2.3 不同加载速率对半圆弯曲断裂试验的影响

为研究加载速率对沥青砂浆试件半圆弯曲断裂试验的影响，采用0.75，3，15，30，50和80 mm/min七种加载速率进行试验，试验温度为15 ℃，试验结果见表4.

表4 砂浆半圆弯拉强度随加载速率变化(15 ℃)

由表4可知，本次实验的变异系数均在5%以下，试验效果可靠性和稳定性较好.绘制15 ℃下沥青砂浆的弯拉强度随加载速率的变化关系图，见图1.

图1 15 ℃下半圆弯拉强度随加载速率变化曲线

由图1可知，在15 ℃下，沥青砂浆试件的弯拉强度随加载速率的变化有明显的变化趋势，总体上随着加载速率的增大，弯拉强度增大，但呈现明显的非线性特征：随着加载速率的逐渐增大，弯拉强度增幅逐渐放缓.

对其进行指数形式拟合，为

S=2.422 2v0.313 8

(2)

式中：S为弯拉强度，MPa；v为加载速率，mm/min.R2=0.993，说明砂浆半圆弯曲断裂试验强度与加载速率关系结果可用指数函数拟合，且增长率随着加载速率的增大而减小.

2.4 温度对半圆弯曲强度试验的影响

为研究温度对半圆弯曲断裂试验的影响，本文在上文15 ℃的半圆弯曲强度试验的基础上，进行0和-10 ℃下不同加载速率下的试验，同样采用7种不同加载速率，结果见表5、表6.

表5 砂浆半圆试件弯拉强度随加载速率变化(0 ℃)

表6 砂浆半圆试件弯拉强度随加载速率变化(-10 ℃)

由表6可知，本次试验的变异系数都在7%以下，试验的可靠性和稳定性较好.从整体上来看，在砂浆半圆弯曲断裂试验中，-10 ℃和0 ℃下砂浆弯拉强度都随加载速率增大而逐渐增大，且增长速率随加载速率的提高而逐渐减小，其弯拉强度-加载率曲线及拟合结果见图2.

图2 半圆弯拉强度随加载速率变化曲线

由图2可知，在半圆试验中各温度下砂浆试件弯拉强度随加载速率的变化趋势基本相同.随着温度的提高，试件弯拉强度不断减小，对加载速率的变化越来越敏感，表现为拟合曲线方程中指数不断增大；同一温度下，试件弯拉强度增幅随加载速率增大而降低，弯拉强度-加载速率曲线越来越平缓，且-10 ℃的加载速率临界值为7.5 mm/min，而0 ℃的临界值接近30 mm/min.

3 基于数字图像的砂浆黏弹性分析

为研究该蠕变现象对半圆弯曲断裂试验的影响，采用数字图像方法对砂浆在低温条件下的黏弹性行为进行分析.典型的数字图像(digital image technology,DIC)测量系统工作原理是采用高频率的摄像机捕捉试件在试验过程中的图像，通过标定初始图像，计算得到不同时间下的指定点的位移变化数值，见图3.

图3 DIC数字图像相关技术测量系统

3.1 砂浆半圆弯曲断裂试验中的蠕变分析

在获取的数字图像中，获得试件对称轴上5个点的总竖向位移，见图4.由图4可知，在加载过程中，点越靠近加载区域，该点的竖向位移越来越大，并随靠近加载点的距离呈现较为均匀的变化，但在加载点位置，加载点的位移产生突变，这是由于加载点附近蠕变位移较明显.

图4 试件各点总竖向位移随时间变化

由蠕变=总位移-整体位移.整体位移通过始末图像相减，得到试件蠕变-时间曲线,见图5.由图5可知，蠕变增长速度随时间增长越来越大，然后增长速度趋于稳定.

图5 试件蠕变-时间曲线

3.2 蠕变对半圆弯曲断裂试验的断裂能影响分析

在试验过程中，由于试件存在蠕变现象，荷载做功等于试件断裂能与试件产生蠕变所需能量的总合，为去除蠕变干扰得到试件实际断裂能，需获取蠕变-荷载曲线，见图6.

图6 蠕变位移随荷载变化曲线

采用幂函数进行拟合.

F=AlnV+B

(3)

式中：F为加载荷载，kN；A,B为拟合系数；V为砂浆试件加载点位置的竖向蠕变.

得到4组试验的荷载-蠕变位移曲线参数见表7，由于R2较小，可以认为幂函数对蠕变的荷载-蠕变曲线的拟合较为准确.

表7 蠕变荷载曲线参数

计算蠕变耗能和实际断裂能见表8，由表8可知，蠕变增长速率随荷载增加不断增大，体现为斜率不断提高，这一方面是由于荷载的增大，促进了蠕变的发展；另一方面是由于在加载过程中，试件产生一定的内部破坏及微小裂缝，抵抗蠕变的能力逐渐降低.通过计算，可认为蠕变对断裂能的影响可忽略不计.

表8 蠕变耗能和实际断裂能

4 结 论

1) 砂浆半圆试件的厚度越大，其弯拉强度越大；试件弯拉强度随加载速率增大而增大，并随加载速率提高弯拉强度增幅放缓；指数方程能较好的拟合弯拉强度与加载速率的关系；随着温度的提高，试件弯拉强度不断减小，对加载速率的变化越来越敏感.

2) 砂浆试件在低温环境下进行半圆弯曲断裂试验时，蠕变发生在试验的全过程；砂浆试件加载位置的蠕变随荷载增加而增加，且增幅越来越大；蠕变对断裂能的计算影响仅为5%～7%.