沥青混凝土双轴压缩强度试验研究

锁利军 栗培龙 王秉纲

(山西工程技术学院土木工程系1) 阳泉 045000) (长安大学特殊地区公路工程教育部重点实验室2) 西安 710064)

0 引 言

开放交通后的沥青路面,降温作用时易产生开裂,高温作用时会产生车辙,这都与沥青混凝土的强度不足有关[1].在沥青混凝土强度研究中,用到了局部三轴压缩试验方法、三轴剪切试验方法、半圆弯拉强度试验方法、间接拉伸强度试验方法、小梁三点弯拉试验方法、四点弯曲疲劳试验方法、单轴贯入试验方法及平面应变试验方法[2-6].现行JTG E20—2019《公路沥青及沥青混合料试验规程》[7]中沥青混合料单轴压缩试验、马歇尔稳定度试验和三轴压缩试验都是评价沥青混凝土的强度的试验方法.近年来,三轴压缩试验方法在沥青混合料抗剪性能研究中应用广泛,通过三轴压缩试验研究两种沥青混合料的抗剪强度参数,分析不同情况下沥青混合料的黏聚力、内摩擦角值、抗剪性能[8-9].

文中基于不同形状试件受力特点,选择立方体试件建立了考虑第二主应力的双轴试验方法.以此为基础,研究第二主应力对沥青混凝土强度变化影响的规律和沥青混凝土应力应变曲线的变化规律.

1 沥青混凝土双轴试验方法

1.1 双轴试验试件形状

马歇尔稳定度试验和沥青混合料闭式三轴试验都采用圆柱体试件[10],其应力状态见图1a).立方体试件应力状态见图1b).立方体试件六个面的面积相等,试验中可控制三个主应力大小,便于进行试验的加载操作.这也是圆柱体试件不能实现的.因此,试验采用立方体形状试件.

图1 两种形状试件

1.2 沥青混凝土双轴试验仪设计

1) 设计考虑的因素 沥青混凝土双轴试验仪器设计以立方体形状试件为基础,考虑三个主应力的大小与方向、加载方式、平面应变条件、试件尺寸、试件变形等因素.

2) 沥青混凝土双轴试验仪构成 以立方体试件为基础进行沥青混凝土双轴试验仪设计.沥青混凝土双轴试验仪器由双轴压力室、变形检测装置、静态电阻应变仪、数据采集系统、水平刚架、千分表、电阻应变计等组成.双轴压力室由两块1 cm厚的钢板、应变检测系统和数据采集系统构成.水平刚架包括两块厚10 mm的刚性钢板、四根螺杆和上下两个专用压头.在试件装配好后,压头用来传递轴向压力,钢板和螺杆的作用是限制试件在侧限方向上的变形.变形检测装置位于两块钢板的外侧,用于检测试验中钢板产生的侧向位移,它由两个支架和四个千分表构成.无钢板约束自由面贴两个电阻应变计,并与静态电阻应变仪连接,以检测试验中试件侧面的变形情况.数据采集系统与MTS多功能试验机连接.沥青混凝土双轴试验仪见图2.

图2 沥青混凝土双轴试验仪

1.3 力学验证

沥青混凝土双轴试验中试件受力的力学问题是空间问题,但由于试件具有特殊的形状(立方体形状),并且承受的是平行于横截面的外力(MTS竖向加载压头用来传递轴向压力)和约束(钢板和螺杆的作用是限制试件在侧限方向上的变形),这样,可把空间问题简化为平面问题,见图3.

图3 试验中试件力学模型

图3中,xy平面为试件横截面,y方向为MTS竖向加载压头用来传递轴向压力,与xy平面垂直的z方向为限制试件发生侧限变形的方向.该平面问题属于平面应变问题,沿z方向的正应变与正应力满足:

εz=0σz≠0

(1)

通过力学推导验证试验中是否满足式(1).Z方向螺杆连接的与试件横截面接触的刚性钢板的刚度K1和弹性模量E1:

K1=F1/Δl1

E1=(F1·l)/(Δl1·A)

(2)

式中:F1为立方体试件作用于刚性钢板的力;Δl1为z方向螺杆连接的与试件横截面接触的刚性钢板的的轴向变形量;E1为刚性钢板的弹性模量;l为立方体试件边长.

立方体试件与z方向螺杆连接的钢板完全接触且互相作用,为

(3)

假设z方向螺杆连接的与试件横截面接触的刚性钢板的位移Δl1与立方体试件在z方向的位移Δl2相等,试件的应变为

ε22=-Δl2/l

(4)

用广义虎克定律表示立方体试件在Z方向的应变:

(5)

(6)

(7)

(8)

∂=E2/E1

(9)

式中:E1为刚性钢板的弹性模量,约为200 GPa;E2为沥青混凝土的弹性模量,约为1 500 MPa.E1≫E2,式(8)转化为式(10).

σ22=ν(σ11+σ33)

(10)

将其代入式(5)得到:

ε22=0σ22≠0

(11)

力学推导验证表明,式(11)与式(1)完全一致,说明试验中力学模型正确,试验方法有效,试验结果可信.

2 试验原材料

试验采用AC-16沥青混凝土,沥青试验指标见表1.矿料的合成级配见图4.

表1 沥青试验指标

图4 AC-16型矿料级配曲线

3 物理力学性能及应力应变分析

3.1 沥青混凝土物理力学性能

以油石比3.5%、4%、4.5%、5%、5.5%成型轮碾车辙板试件.钻芯取样,按标准方法进行不同油石比的芯样试件物理力学性能指标测试.按沥青混合料试验规程的要求,轮碾板块试件的碾压层厚度不小于公称最大粒径的1～1.5倍,取轮碾板块试件的碾压层厚度为50 mm.将成型轮碾车辙板试件切割成50 mm立方体试件,采用边长50 mm的立方体试件进行沥青混凝土双轴试验研究.

3.2 沥青混凝土应力应变曲线分析

双轴作用下,试验温度25℃,加载速率变化时应力应变曲线见图5.由图5可知:试验温度25℃,加载速率变化不会改变应力-应变曲线的形式,随着加载速率的增大,沥青混合料应力-应变曲线明显抬高.三条应力-应变曲线具有前期小范围线性增长,中期非线性快速增长,后期增长趋缓的特点,根据应力-应变曲线的特点,沥青混凝土双轴强度取应力-应变曲线的最高点.

图5 25℃双轴不同加载速率的应力应变曲线

试验温度25℃、加载速率2 mm/min时,双轴、单轴的应力应变曲线对比见图6.

图6 25℃加载速率2 mm/min单双轴应力应变曲线

由图6可知:双轴应力-应变曲线明显高于单轴应力应变曲线,应变值大于0.010后,两条应力-应变曲线的开口明显放大,同样应变时,双轴应力-应变曲线对应的应力值要明显大于单轴条件的应力值.

4 试验温度、加载速率对双轴强度影响

4.1 不同温度时立方体双轴强度对比

加载速率2 mm/min,15、20℃的立方体双轴强度变化见图7a).由图7a)可知:加载速率2 mm/min时,15℃的立方体双轴强度明显高于20℃的值,油石比从3.5%经4%变化到4.5%,15、20℃的立方体双轴强度变化趋势基本一致,当油石比从5%变化到5.5%时,15,20℃的立方体双轴强度增长趋势变缓,后者还有下降的趋势.

加载速率5.08 mm/min,15,25℃的立方体双轴强度变化见图7b).由图7b)可知:加载速率5.08 mm/min时,15℃的立方体双轴强度明显高于25℃的值,油石比从3.5%变化到5.5%,15、25℃的立方体双轴强度变化趋势基本一致,都呈现非线性增长而后期增长变缓反有下降的趋势.

加载速率8.16 mm/min,20、25℃的立方体双轴强度变化见图7c).由图7c)可知:油石比从3.5%到4%,20℃的立方体双轴强度值要高于25℃的值,当油石比从4.5%到5.5%时,25℃的立方体双轴强度值要高于20℃的值,油石比4.5%是临界变化点.从总体上看,两者立方体双轴强度都非线性增长而后期回落的变化趋势.产生以上试验现象机理性分析,有以下两个原因:①沥青混凝土力学性能与加载速率大小、试验温度高低、加载时间长短、油石比多少等因素有关,并且各个因素互为影响;②试验中加载速率达到8.16 mm/min时,当油石比大于4.5%,沥青混凝土骨架中结构沥青的增加,随着温度由20℃升高到25℃,沥青流动性增大,更好地包裹在石料周围,粘聚力增大,因此,当油石比从4.5%到5.5%时,25℃的立方体双轴强度值要高于20℃的值.

图7 三种加载速率不同温度的立方体双轴强度

4.2 不同加载速率立方体双轴强度对比

试验温度20℃,加载速率2,8.16 mm/min的立方体双轴强度变化见图8a).由图8a)可知:加载速率8.16 mm/min的立方体双轴强度明显高于加载速率2 mm/min的值,当油石比从4.5%到5.5%时,两者差距愈加明显.试验温度15℃,2、5.08 mm/min加载速率的立方体双轴强度见图8b).由图8b)可知:加载速率5.08 mm/min的立方体双轴强度明显高于加载速率2 mm/min的值,油石比从3.5%到5.5%时,两者变化趋势基本一致,前期非线性增大而后期增长变缓.试验温度25℃,加载速率5.08,8.16 mm/min的立方体双轴强度见图8c).由图8c)可知:加载速率8.16 mm/min的立方体双轴强度明显高于加载速率5.08 mm/min的值,当油石比从3.5%到5.5%时,两者都非线性增大趋势发展,而后期两者差值明显增大.

图8 三种试验温度不同加载速率的立方体双轴强度

5 双轴强度回归模型分析

5.1 双轴强度与试验温度回归关系

当加载速率2 mm/min、试验温度与强度回归模型概述见表2.由表2可知:三次曲线模型的相关系数最大,但对估计标准误差而言,指数曲线模型最小,各模型回归系数检验显示,指数模型系数的t检验最为显著.因此,选择指数曲线模型能够较好地反映温度与强度回归关系.

表2 温度与强度的模型概述

5.2 双轴强度与加载速率的回归关系

试验温度-10、25℃时,加载速率与双轴强度的关系模型见表3.由表3可知:与线性模型比较,指数曲线模型的相关系数较大,但对估计标准误差而言,指数曲线模型较小.

表3 加载速率与强度的模型概述

通过以上分析得知,-10、25℃加载速率与强度的关系满足式(14),对温度为-5,0,15,20℃进行回归分析,系数a、b的回归结果见式(15)～(16).

y=a·ebx

(14)

(15)

(16)

式中:y为沥青混凝土双轴强度,MPa;x为加载速率,mm/min;a、b分别为影响系数;t为试验温度,℃.

6 结 论

1) 通过自行设计的沥青混凝土双轴试验仪器,进行沥青混凝土双轴压缩试验.与传统的三轴压缩试验、单轴压缩试验和马歇尔稳定度试验相比,采用的立方体试件,能把试验中三个主应力的方向清晰显示出来,便于研究第二主应力变化对沥青混合料的强度的影响.

2) 试验温度25℃,双轴作用下,加载速率分别为2,5.08,8.16 mm/min时应力应变曲线.三条应力应变曲线具有开始阶段小范围线性增长,中期非线性快速增长,后期增长较慢,趋于平缓的特点,根据应力应变曲线的特点,沥青混凝土双轴强度取自对应的应力应变曲线的最高点.

3) 不同油石比条件下,试验温度对双轴立方体强度的影响,加载速率2或5.08 mm/min时,15℃的立方体双轴强度明显高于20或25℃的值.加载速率8.16 mm/min,油石比4.5%是临界变化点,小于4.5%时20℃的立方体双轴强度值要高于25℃的值.大于4.5%时,25℃的立方体双轴强度值要高于20℃的值.原因是试验中加载速率达到8.16 mm/min时,当油石比大于4.5%,沥青混凝土骨架中结构沥青的增加,随着温度由20℃升高到25℃,沥青流动性增大,更好地包裹在石料周围,粘聚力增大,因此,当油石比从4.5%到5.5%时,25℃的立方体双轴强度值要高于20℃的值.

4)不同油石比条件下,加载速率对双轴立方体强度的影响,试验温度15,20,25℃时,加载速率大的立方体双轴强度明显高于加载速率小的对应值.得到了加载速率、试验温度与双轴立方体强度的回归指数模型.