不同加载模式下沥青混凝土的断裂特性.pdf

第 1 9卷第 4 期 2 0 1 6年 8月 建筑材料学报 J 0URNAL OF B UI LDI NG MATERI ALS Vol _i 9 No 4 Au g 。 2 01 6 文章编号 ： 1 0 0 7 9 6 2 9 ( 2 0 1 6 ) 0 4 0 7 5 8 0 4 不同加载模式下沥青混凝土的断裂特性 田小革 ， 韩 海峰。 ， 李新伟 ， 李思强。 ， 彭 凯 ， 李绍鹏 ， 但 瑞 强 ( 1 _ 长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 4 1 0 0 0 4 ； 2 广州市高速公路有限公司， 广东 广州 5 1 0 2 8 8 ) 摘要 ： 通 过 改 变带预 切 缝半 圆形 试件 三点 弯 曲断裂 ( S C B ) 试验 的 支座 位 置 和预 制 裂 纹位 置 来 改 变 试件的加载模式， 对沥青混凝土试件进行 了 4种温度和 5 种加载模式的断裂试验 ， 获得 了临界应力 强度 因子( C S I F ) 随温度和加载模 式的变化规律 结果表 明： 温度和加载模式对沥青混凝 土抗裂性 能有显著影响， 在试验温度范围内， 沥青混凝 土抗 裂性 能随温度的降低 而增 大， 在 I 型 断裂的 某个混合模式时最弱， 纯 I型或纯 型断裂试验会 高估其抗裂性能 ， 应 以 I 型混合模 式下的临 界应力强度 因子作为沥青混凝土抗裂性能评价指标 关键词 ：沥青混凝土；断裂性能； 加载模式 ；临界应力强度 因子 ；半圆形试件弯曲试验 中图分 类 号 ： U4 1 4 文 献标 志码 ： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 7 9 6 2 9 2 0 1 6 0 4 0 2 6 Fr a c t u r e Pe r f o r ma n c e o f As p ha l t Co nc r e t e u nd e r Di f f e r e nt Lo a d i ng M o d e s T I AN Xi a o g e ， HAN Ha i f e n g ， L Xi n we i ， L S i q i a n g 。 ， PEN G Kai ，LI Sha o pe n g ，DAN Rui q i an g ( 1 S c h o o l o f Tr a f f i c Tr a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g，Ch a n g s h a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e Te c h n o l o g y，Ch a n g s h a 4 1 0 0 0 4，Ch i n a 2 Gu a n g z h o u Hi g h wa y Co ，Lt d ，Gu a n g z h o u 5 1 0 2 8 8 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ：Po s i t i o n s o f b e a r i n g s a n d p r e f a b r i c a t e d c r a c k o f a s p h a l t c o n c r e t e ( AC)s e mi c i r c l e s p e c i me n we r e a d j u s t e d t o d e t e r mi n e c r a c k i n g r e s i s t a n c e u n d e r d i f f e r e n t l o a d i n g mo d e s Th r e e p o i n t b e n d i n g( S CB)t e s t s we r e c o nd uc t e d a t 4 t e mpe r a t ur e s an d 5 l o a d i ng mo de s ，a n d t he r ul e s of t h e c r i t i c a l s t r e s s i nt e n s i t y f a c t o r ( CS I F)a n d i t s v a r i a t i o n wi t h t e mp e r a t u r e a n d 1 o a d i n g mo d e we r e o b t a i n e d ，wh i c h s h o w t h a t t e mp e r a t u r e a n d l o a d i ng mod e ha v e o bv i o us e f f e c t s on t he a nt i c r a c ki ng pe r f o r ma n c e，t he c r a c k r e s i s t a nc e i nc r e a s e s wi t h t h e d e c r e a s e o f t e mp e r a t u r e ，a n d t h e mi n i mu m f r a c t u r e r e s i s t a n c e o c c u r r e d u n d e r a s p e c i f i c mi x e d mo d e I I I f r a c t u r e mo d e S o，a p u r e t y p e I o r 1 1 f r a c t u r e t e s t wi l l o v e r e s t i ma t e t h e c r a c k r e s i s t a n c e ，i t s c r i t i c a l s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r s h o u l d b e t e s t e d u n d e r a I mi x e d mo d e Ke y wo r d s ：a s p h a l t c o n c r e t e ；f r a c t u r e p e r f o r ma n c e ；l o a d i n g mo d e ；c r i t i c a l s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r ( CS I F)； s e mi c i r c l e be nd i ng( SCB)t e s t 沥青路面的开裂是一种常见破坏形式 ， 不仅会 引起路面结构 的破坏 ， 而且易使水渗入路面结构 内 部 ， 进而加速路面结构的破坏_ 1 沥青混凝土抗裂性 能的室内试验除直接拉伸试验、 间接拉伸试验 、 简单 剪切试验 以及弯 曲试验等常规方法外 ， 国内外研究 人员还基于断裂力学理论对沥青混凝土的抗裂性能 进行 了研究l l 断裂力学将断裂模式分为 3种基本 形式 ： 拉伸型 ( 工型) 、 剪切 型 ( I I 型) 和撕裂 型 ( 型) 研究人员对沥青混凝土断裂性能的研究大多集 中在 工型开裂及其扩展 ， 对于 型和 I 型混合模 式下的断裂性能研究非常有限 实际上， 沥青路面 同时受到温度变化 和行车荷载的综合作用 ， 除单 纯 的温度变化所引起 的开裂属于 工型断裂外 ， 行车荷 载作用 、 行车荷载与温度的综合作用所引起的开裂 收稿 日期 ： 2 0 1 5 一 O 3 1 8 ；修订 日期 ： 2 0 1 5 - 0 9 0 7 基金项 目： 国家 自然科 学基金资 助项 目( 5 0 8 7 8 0 3 2 ) ； 广东省交通运输厅科技项 目( 科技 2 0 1 3 0 2 0 1 3 ) 第一作者 ： 田小革( 1 9 7 O 一 ) ， 男， 湖北武汉人 ， 长沙理工大学教授 ， 博 士E - ma i l ：t i a n x i a o g e 1 2 6 t o m 第 4期 田小革 ， 等 ： 不同加载模式下沥青混凝土 的断裂 特性 ( 包括反射裂缝) 均属 于 I 型混合 断裂模式 因 此 ， 除 工型断裂模 式外 ， 对沥青混 凝土在纯 型和 工型混合模式下的断裂性能进行研究非 常必要 1 复杂加载模式下沥青混凝 土抗 裂性 能测试方 法 预制裂纹的梁式试件弯曲试验L 1 、 圆形试件拉 伸试验 及半 圆形试件弯曲试验 5 等均可用于测 定沥青混凝土的断裂力学性能参数 考虑到半 圆形 试件相对于梁式试件来源广泛 ， 而且制件方便 ， 故本 文选择带预制裂纹的半圆形试件弯 曲( S C B ) 试验来 研 究 沥青 混凝 土 的抗 裂 性 能 S C B试 件 在 不 同荷 载 1 ： 墨 f 图 1 沥青混凝土 S C B试 件在不同荷载模式 下 的支点及预切 口位置 Fi g 1 P o s i t i o n s o f b e a r i n g a n d p r e f a b r i c a t e d c r a c k i n S CB s pe c i me n 模式下的支点及预切 口位置见图 1 数 S ， s ： ， L取值不同时的应力强度 因子， 从中选择 试件半径 R为 1 5 0 mm， 厚度 t 为 3 2 mm， 预制 5 种 ( 1种纯 工型、 1种纯 型、 3种 工 混合 型) 加 裂纹深度 n为 2 0 mm， 宽度 b为 1 5 mm 通过调整 载断裂模式作为本文试验加载模式 这 5种加载模 支座位置( S 和 S 。 ) 和预切缝位置 ( L) 来实现预制 式所对应的模 式参数( Me ) 及相应 的支座位置 ( S ， 裂纹处不同断裂模式的加载 S 。 ) 、 裂缝位置( L ) 、 应力强度 因子 ( KI ， K ) 以及几 对图 1 所示 的加载模 型， 应用有 限元法计算参 何参数 ( yI， y ) 见表 1 表 1 不同加载模式对应的支座位 置、 预切缝位 置及 断裂力学指标 Ta b l e 1 Po s i t i o n s o f b e a r i n g s a n d pr e f a b r i c a t e d c r a c k a t d i f f e r e n t l o a d i n g mo d e s a n d c o r r e s p o n d i n g f r a c t u r e i n d e x e s L o a d i n g roo d e S 】 ram S 2 ram L mm M K T ( MP a m 。 ) K ( MP am ) Y T ( MP am ) Y ( MP a m ) 工 工 工 工 Me 采用式 ( 1 ) 计算 ： yI ， y 是反 映试件尺寸 、 形状 、 预制裂纹位置 M e 一 t n 一 1 f 1 ( 1 ) 和 长度对 应 力强度因 子 影响的 几何特征 参数 当 荷 7 c II 载为 P时 ， 其值可 由式 ( 2 ) 计算I 6 ： 式中： KI ， K 分别 为 工型 、 型断裂模式下的应力 、， K I 2 Rt 、 ， K 2 Rt ， n 、 强度 因子 P “ P 在 缔 ： 2M 材料设计与试件成型 在纯 型断裂模式下， e O ； 在混合断裂模式下， Me 1 _ J 在 O 1之间变化 随着 的减小 ， 剪应力成分增加 ， 本文选择沥青混凝土 A C - 1 3 C为研究对象 原材料 张拉应力成分减小 因此可通过该参数的不 同取值来 采用玄武岩集料、 石灰岩矿粉、 S B S改性沥青 级配见表 表征纯 I 型、 纯 型或 工 混合型断裂模式 2 ， 采用马歇尔法确定最佳油石比( 质量分数) 为 5 3 表 2 沥青混凝土 A C - 1 3 C级配 S i e v e s i z e mm 1 6 U p p e r l i mi t i 0 0 0 Pa s s i n g t i o ， Gr a d a t i o n i 0 0 0 ( b yma s s ) Lo we r l i m i t 1 0 0 0 1 3 2 1 O 0 0 9 5 2 9 0 0 3 试验方案 试验前 ， 先将试件在设置的试验温度条件下恒 温 4 h ， 以确保试件的内外部均达到设定温度 ； 随后 按表 1确定 的支座位置安装 试件， 采用 MTS机对 其进行三点弯 曲断裂试验 采用控制位移的加载模 3 O l 0 6 0 3 O L 鲳 的 弛 乱 弘 5 0 8 0 。 ； n 第 4 期 田小革 ， 等 ： 不 同加载模式下沥青混凝土 的断裂特性 由图 4可知 ： 在纯 工型加载模式 ( Me 一1 0 ) 下 ， 裂缝基本上沿预制裂纹方 向呈直线 向上扩展； 在纯 型、 工 混合型加载模式 下， 起裂方 向均与预制 裂纹面有一定的夹角 ( 起裂角) ， 并且 以曲线的形式 向上扩展 ， 最终抵达施加荷载位置处 ， 且随着加载模 式参数 Me 的减小 ， 起裂角 的角度增加 这是 因为在 工型断裂时， 裂尖只受到水平拉应力的作用 ， 最大主 应 力 的方 向就是 水平 拉 应 力 的 方 向 ， 所 以裂 纹会 沿 预 制裂 纹 面 的方 向起 裂 和 扩展 ； 在 型 、 工 型混 合模式下 ， 裂尖 除水平拉应力外 ， 还有 剪应力 的作 用 ， 最大主应力方向不再是垂直于预制裂纹面 ， 而是 与之形成一定的夹角， 所以裂 纹的起裂与预制裂纹 面呈一定 的夹角 该夹角 的大小与荷载 中水平拉应 力和剪应力的相对值有关 ， 随着荷载效应 中剪应力 分量 的增大 ， 起裂角随之增大 4 3加载模 式 对 临界应 力强 度 因子 的影响 4种 温度 下 ， 临界应 力强 度 因子 K “ 随加 载模 式 参数 Me 的变化 情况 如 图 2 所 示 由图 2可见 ： 在不同温度条件下 ， 随着加载模式 参数 的减小 ， 临界应力强度因子 K。 呈现 出先减 小后增大的趋势 ， 即 工型及 型加载模式 下临界应 力强度因子要大 于 I 混合型加载模式条件下的 临界 应力 强度 因子 在 4种试 验 温度 下 ， 临界应 力 强 度 因子 的最 小 值 均 出现 在 加 载 模 式 参 数 Me 一 0 8时 5 结 论 ( 1 ) 温度对 沥青混凝 土临界应力强度 因子 K 的影响显著 ， K 随着温度的降低而增加 ( 2 ) 加载模式影响裂纹 的起裂角度和扩展路径 在纯 工型断裂模式下 ， 沿预制裂纹方向呈直线 向上 扩展 ， 随荷载效应中剪应力分量 的逐步增大( Me 减 小 ) ， 起裂 角 随之 增大 ( 3 ) 加 载模 式对 沥 青 混 凝 土 的 临 界 应 力 强 度 因 子 K 具有 较大影响 ： 随着 加载模 式参数 Me的减 小 ， 临界应力强度因子 K 呈现先减后增 的趋势 ( 4 种试验 温度 下 ， K 的最 小值 均 出现在 Mo ：0 8 时) 用纯张拉或纯剪切试验会高估沥青混凝 土的抗 裂性能 ， 而应以混合模式条件下的临界应力强度因 子作为沥青混凝土断裂性能的评价指标 参 考文 献 ： 1 1 MA J I D Z AD EH K， KAUF F MANN E M， RAMS AMOOJ D V Ap p l i a t ion o f f r a c t u r e me c h a n i c s i n t h e a na l y s i s o f p a v e m e n t f a t i g u e J J o u r n a l o f As p h a l t P a v e me n t Te c h n o l o g y ， 1 9 7 1 ， 4 o ( 3 )： 2 2 7 2 4 6 2 AND E RS ON D A， C HRI S TE NS E N D W， D ONGR E R， e t a 1 As p h a l t b e h a v i o r a t l o w t e mp e r a t u r e s R F HWA RD - 8 8 0 7 8 S 1 ： US De p t o f Tr a n s p o r t a t i o n ， 1 9 9 0 3 E D WAR DS M A， HE S P S A M C o mp a c t t e n s i o n t e s t i n g o f a s p h a l t a t l o w t e m p e r a t u r e s C 8 5 t h A n n u a l Me e t i n g T r a n s p o r t a t i o nRe s e a r c h B o a r d Wa s h i n g t o n ：s n ， 2 0 0 6 ： 2 2 2 6 4 3 AY AT0L L AHI M R。P I R MOHAMMA D S Te mp e r a t u r e e f f e c t s o n b r i t t l e f r a c t u r e i n c r a c k e d a s p h a l t c o n c r e t e s J St r u c t u r a l En g i n e e r i n g a n d M e c h a n i c s ， 2 0 1 3， 4 5 ( 1 )： 1 9 3 2 5 L I X， MA RAS TE ANU ME v a l u a t i o n o f t h e l o w t e mp e r a t u r e f r a c t u r e r e s i s t a n c e o f a s p ha l t mi x t ur e s u s i n g t he s e mi c i r c u l a r b e n d t e s t F C As p h a l t P a v i n g Te c h n o l o g y s 1 ： As s o c i a t i o n o f As p ha l t P a v i n g Te c h n o l o g i s t s Pr o c e e d i n gs o f t h e Te c h n i c a l S e s s i o ns ， 2 0 0 4： 4 0 卜4 2 6 6 刘宇 基于半圆弯曲试验的沥青混凝土动态响应及断裂性能研 究 D 哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学 ， 2 0 0 9 LI U Yu Re s e a r c h o n d y n a mi c r e s p o ns e a n d f r a c t u r e p e r f o r m a n c e o f a s p h a l t mi xt ur e b a s e d o n s e m i c i r c u l a r b e d nd i ng t e s t D Ha r b i n ： Ha r b i n I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， 2 0 0 9 ( i n C h i n e s e ) 7 王端宜 ， 刘敬辉 ， 刘宇 沥青混 凝土粘 弹塑性 断裂参数 的研究 J 华南理工大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 1 1 ) ： 7 - 1 1 ， 2 1 WANG Du a n y i ， LI U J i n g hu i ， LI U Yu I n v e s t iga t i o n int o v i s c o e l a s t i c - p l a s t i c f r a c t u r e p a r a me t e r s o f a s p h a l t mi x t u r e J J o u r h a l o f S o u t h Ch i na Un i v e r s i t y o f Te c hn o l o g y(Na t u r a l S c i e n c e )， 2 0 0 9， 3 7 ( 1 1 )： 7 - 1 1， Z 1 ( i n Ch i n e s e ) 8 KI M K W， KWE ON S J ， D OH Y S， e t a 1 F r a c t u r e t o u g h n e s s o f p o l y me r mo d i fi e d a s p h a l t c o n c r e t e a t l o w t e mp e r a t u r e s J C a n J Ci v En g， 2 0 0 3， 3 0 ( 2 )： 4 0 6 41 3 9 高洪波 混凝土 I型 、 型断裂参 数确定 的研究 D 大 连 ： 大 连 理 工 大 学 ， 2 0 0 9 GAO Hon g bo S t u dy o n t h e d e t e r mi n a t i o n o f mo d e I a n d mo d e f r a c t u r e p a r a me t e r s f o r c o n c r e t e D D a l i a n： D a l i a n Un i v e r s i t y o f Te c h no l o gy， 2 0 09 ( i n Ch i n e s e )