沥青混合料的三种实验力学特性比较.pdf

第 31卷?第 1期2010年 2月大连交通大学学报JOURNAL?OF?DALI AN?JI AOTONG?UN I VERSI TYVo.l 31?No.1?Feb.2010?文章编号:1673?9590(2010)01?0059?05沥青混合料的三种实验力学特性比较杨大田,朱洪州(重庆交通大学 山区道路建设与维护技术实验室,重庆 400074)*摘?要:通过对沥青混合料的半圆弯拉强度与间接拉伸强度再次试验,得到了半圆弯拉与间接拉伸的强度比为 2 3倍左右,并与小梁三点弯拉试验强度相比较,得到了两者的强度比为 1左右;进一步对间接拉伸与小梁三点弯拉试验强度进行比较,得到了与半圆弯拉与间接拉伸的强度比相同的结论.比较了半圆弯拉试验与小梁三点弯拉试验的断裂韧性,及三者试验方法得到的疲劳寿命,试验结果表明半圆弯拉试验得到的断裂韧性比小梁三点弯拉的偏大;半圆弯拉试验得到的疲劳寿命介于间接拉伸与小梁三点弯拉试验得到的之间.进一步分析试验结果的变异系数,表明半圆弯拉试验的变异性最小.关键词:半圆弯拉试验;间接拉伸试验;小梁三弯拉试验;断裂韧性;疲劳寿命中图分类号:U416.2文献标识码:A0?引言抗拉强度是热拌沥青混合料的重要指标之一.长期以来,路面工程师和研究人员一直广泛采用间接拉伸试验(IDT)、小梁三点弯拉试验或直接拉伸试验来评价热拌沥青混合料的抗拉强度、断裂韧性及疲劳寿命.自从上世纪 60年代起,间接拉伸试验广泛用于柔性路面(特别是 HMA 混合料设计)结构设计研究.此外,通过圆柱形试件进行间接拉伸蠕变、间接拉伸疲劳和间接拉伸回弹模量试验 1.半圆弯拉试验(SCB)是从岩石力学 2引进的一项评价沥青混合料抗拉性能的试验.1984年K.P.Chong andM.D.Kuruppu提出了用于岩石、混凝土和其他圆形试件的半圆弯拉试验来确定岩石和其他材料的断裂韧性 2;1996年 R.L.Frans,F.Tol m an and F.F.C.Van de Ven用半圆弯拉研究沥青混凝土圆形芯样实际裂纹发展,并分析了半圆弯拉试验的优点 3;2003年 R.Hofman,B.Oosterbaan等人用带来预设裂纹的半圆试样分别试验了静态等速加载和动态疲劳试验,试验结果表明半圆弯拉试验具有较高的可重复性和再现性,能够区辩沥青混合料性能好与坏 4;2005年BaoshanHuang,Xiang Shu and Yongjing Tang 5用半圆弯拉试验和间接拉伸试验测试沥青混合料的弯拉强度.2007年刘宇 6用半圆弯拉断裂韧性试验研究 3种应力吸收层的力学特性,2008年 7?8总结国外半圆弯拉试验方法在沥青混合料中的应用与研究,并用半圆弯拉试验研究了 3种沥青混合料的疲劳寿命.从上述文献来看,国内外大多数学者都集中在沥青混合料的间接拉伸与半圆弯拉强度的比较,或者单独利用半圆弯拉试验评价沥青混合料疲劳寿命和断裂韧性性能,而缺少他们两者获得的沥青混合料疲劳寿命和蠕变变形的比较.更缺少小梁三点弯拉与半圆弯拉获得的强度、断裂韧性和疲劳寿命等方面比较,因此有必要在前人的基础上,重点比较半圆弯拉试验与间接拉伸、小梁三点弯拉试验获得沥青混合料的断裂韧性、疲劳寿命的区别与联系,找出半圆弯拉试验方法评价沥青混合料的优点.本文首先对沥青混合料的间接拉伸、半圆弯拉和小梁三点弯拉强度进行对比性试验,再对沥青混合料的小梁三点弯拉和半圆弯拉断裂韧性进*收稿日期:2009?10?10基金项目:国家自然科学基金资助项目(50808189)作者简介:杨大田(1973-),男,讲师,博士研究生,主要从事路面材料、结构设计的研究E?m ai:l hongyangliutian .60?大连交通大学学报第 31卷行比较试验,最后对 3种方法的疲劳寿命进行对比试验,并根据试验结果和文献资料,进一步证实了半圆弯拉试验评价沥青混合料的强度、断裂韧性和疲劳寿命等相关性能的可行性,为沥青混合料半圆弯拉试验今后的研究和在国内推广运用作一次探讨.1?原材料与试样制备(1)沥青本试验选用 SBS改性 70#重交道路石油沥青,其技术指标见表 1.(2)集料及矿粉集料为石灰岩碎石,其技术性质满足规范要表 1?沥青技术指标技术项目试验结果规范要求试验规程试验结论针入度(25?,100g,5 s)/0.1mm6560 80T0604满足规范延度(5 cm/m in,10?)/c m 100 软化点/?65!44T0606满足规范求.矿粉是石灰岩经过磨细得到的,其技术性质满足规范要求.(3)矿料级配本次混合料的矿料级配,见表 2.表 2?AC?13F级配级配类型通过下列方筛孔(mm)的质量百分数/%1613.29.54.752.361.180.60.30.150.075矿料级配10096.771.84431.921.617.712.310.17.3(4)沥青用量本次试验试样制备所用沥青用量为油石比5.4%.(5)试样制备间接拉伸试验采用标准马歇尔试件.双面击实 75次成型,用表干法测取试样毛体积密度,以此值称料碾压成型 300mm 300mm 50mm 的试块,再切割成 250mm 40mm 40mm 的小梁试件,以供小梁三点弯拉试验.把标准马歇尔试件切割成两半,用于半圆弯拉试验.2?强度与断裂韧性试验关于等速加载试验,不同学者对试验温度和加载速率取值不同.M.Arabani and B.Ferdowsi 9选取试验温度为 25,0,60?,加载速率为 50.8,5.1 mm/m in;R.Hofman,B.Oosterbaan等人 4选用试验温度为 0?,加载速率为 5.1mm/m in;其他学者还取 30?等其他温度和加载速率 2?3,6;我国对沥青混合料间接拉伸和小梁三点弯拉试验 10常用的试验温度和加载速率的规定是-10,15?和 1,50mm/m in,这是因为我国广泛使用路基路面材料强度仪,而多数厂家在生产该设备时就固化了 1,50mm/m in 2种加载速率.因此结合具体试验条件,本试验拟定了 2种试验温度和加载速率,见表 3,并附强度计算公式.表 3?试验条件和强度计算公式序号试验方法试验条件 1试验条件 2试验温度(?)/加载速率/(mm#m in-1)试验温度(?)/加载速率/(mm#m in-1)弯拉强度计算公式1间接拉伸试验-10/115/50RT=0.006287Pm ax/h 122半圆弯拉试验-10/115/50?m ax=3.564Pmax/D t93小梁三点弯拉试验-10/115/50RB=3L Pm ax/2Bh2 12注:半圆弯拉试验的跨径为 80mm,与直径比为 0.8.2.1?抗拉强度试验3种试验方法的抗拉强度试验结果,见表 4、表 5、表 6,在表中列出了均值、标准差、变异系数及半圆弯拉与间接拉伸和小梁 3点弯拉试验的强度比.?第 1期杨大田,等:沥青混合料的三种实验力学特性比较61?表 4?间接拉伸与半圆弯拉强度比较试验温度?I DT平均值MPa标准差变异系数%SCB平均值MPa标准差变异系数%SCB/I DT 比-103.170.195.998.960.3023.382.83152.410.239.677.340.2994.083.05表 5?小梁三点弯拉与半圆弯拉强度比较试验温度?3?Point平均值MPa标准差变异系数%SCB平均值MPa标准差变异系数%SCB/3?Point比-108.500.586.878.960.3023.381.05157.290.8611.757.340.2994.081.01表 6小梁三点弯拉与间接拉伸强度比较试验温度?3?Point平均值MPa标准差变异系数%I DT平均值MPa标准差变异系数%3?Po int/I DT比-108.500.586.873.140.195.992.71157.290.8611.752.410.239.673.02从表 4可以看出,在试验条件 1下半圆弯拉强度均值与间接拉伸强度均值的比值为 2.83;在试验条件 2下半圆弯拉强度均值与间接拉伸强度均值的比值为 3.05,这与文献 9相近(SCB/IDT比为 2.73 3.28),但与文献 5(SCB/IDT 比为3.2 4.1)相比较小.同样,半圆弯拉试验结果的变异系数比间接拉伸试验的要小,因此,半圆弯拉试验可有效地减小试验误差,减小因材料变异而产生的误差.这可能是间接拉伸试验在加载条下出现大量压缩变形,形成一个楔子,改变了试件破坏的力学模式 楔入破坏,但对于半圆弯拉和小梁弯拉试验,其加载条下的沥青混合料压缩变形较小,更没有出现楔子,见附图.这与其他试验结果相一致.附图?半圆弯拉与间接拉伸试件破图片从表 5可以看出,在试验条件 1下半圆弯拉强度均值与小梁三点弯拉的比值为 1.05;在试验条件 2下半圆弯拉强度均值与小梁三点弯拉的比值为 1.01.这说明不管是低温还是常温条件下,半圆弯拉试验得到的沥青混合料强度与小梁三点弯拉试验得到的几乎相同.同样 2种试验条件下,半圆弯拉试验结果的变异系数比小梁三点弯拉试验的要小.可见,用半圆弯拉试验可大大减少材料的变异性对试验结果的影响.从表 6可以看出,在试验条件 1下小梁三点弯拉与间接拉伸强度的比值为 2.71;在试验条件2下半圆弯拉强度均值与小梁三点弯拉的比值为3.02.这说明小梁三点弯拉试验得到的沥青混合料强度与间接拉伸试验得到的几乎相同.2.2?断裂韧性试验为了比较小梁三点弯拉与半圆弯拉试验对沥青混合料抗裂性能的评价差异,根据文献 11?12制作了小梁试件 40mm 40 mm 250 mm(跨径 200mm),高跨比 15,刻槽深度在 2030mm间变化,并计算断裂韧度KIC和延性断裂韧度 JIC.根据文献 9?10,13,在半圆试件跨中刻槽深度 20 30mm,其断裂韧度 KIC和延性断裂韧度 JIC,依据式(1)、(2)和(3)计算:?0=Fm axDL(1)K1=?0?a Y1(2)其中,D 为半圆弯拉试件的直径,mm;L 为半圆弯拉试件的厚度,mm;Y1为%型裂纹应力强度因子 10.J1C=U1b1-U2b21a1-a2(3)62?大连交通大学学报第 31卷其中,U1和 U2分别为刻槽 a1和 a2试件获得断裂应变能,J;b1和 b2分别为刻槽 a1和 a2试件的厚度,m.在试验条件 2下对沥青混合料小梁和半圆进行断裂韧性试验,其结果见表 7.表 7?小梁三点弯拉与半圆弯拉断裂韧性试验试验种类KIC/(MPa#m12)JIC/(J#m-2)3?Point0.84111.75SCB1.00158.14SCB/3?Point比1.191.42从表 7可以看出,用半圆弯拉试验得到的断裂韧度 KIC比三点弯拉的稍大 19%.同样 J?积分试验,半圆弯拉得到的延性断裂韧度 JIC比三点弯拉的大 42%.因而用带有刻槽的半圆弯拉试验来评价沥青混合料的断裂韧性是可行的,可代替小梁三点弯拉试验.3?疲劳试验在温度 15?和 30%的应力强度下做间接拉伸、半圆弯拉和小梁三点弯拉疲劳试验,其试验结果见表 8.表 8?间接拉伸、半圆弯拉和小梁三点弯拉疲劳试验比较试验荷载MPa试验方法试件 1试件 2试件 3试件 4平均值标准差变异系数%0.723I DT1 4491 9672329*1 915442.29923.0972.202SCB2 0352 07718782 0772 016.7594.5954.6902.1873?Point1 9441 9892781*2 238470.79021.036从表 8可以看出,3种方法得到的疲劳寿命均值大小顺序为 3?Point SCB I TT,但整体上相互间相差不大,I TT与 SCB得到结果几乎相近.但从标准差和变异系数来看,I TT和 3?Point的最大,而 SCB的最小.同时,发现间接拉伸加载条下的压缩变形最大,而小梁三点弯拉和半圆弯拉的最小.4?结语通过以上试验,可得到以下结论:(1)半圆弯拉试验与小梁三点和间接拉伸试验,得到的抗拉强度比与文献资料基本是相一致的,再一次证明了半圆弯拉试验得到的抗拉强度要比间接拉伸试验得到的大 2倍以上的结论,同时小梁三点弯拉强度与间接拉伸强度比也有相似的规律;(2)用小梁三点弯拉与半圆弯拉试验,得到弯拉强度比接近 1;(3)在带有刻槽的小梁三点弯拉和半圆弯拉断裂韧性对比试验中,发现用半圆弯拉试验得到的结果比用小梁三点弯拉试验的结果偏大;(4)用半圆弯拉疲劳试验得到的沥青混合料疲劳寿命间于间接拉伸与小梁三点弯拉疲劳试验的中间;(5)从变异系数来看,半圆弯拉试验可大大减轻材料的变异性而对试验结果产生的影响;(6)初步判定半圆弯拉试验可替代间接拉伸和小梁三点弯拉试验来评价沥青混合料的路用性能是可行的;(7)还需要进一步比较研究 3者的蠕变变形区别.参考文献:1NCHRP9?19.Si mple Perfor manceTest for SuperpaveM ixDesign R.Transportation Reseach Board,WASHI NG?TON,D.C.,2002:14?15.2KRANS R L,TOLMAN F,VAN DE VEN M F C.Se m i?Circular Bending Test:A PracticalCrackGrowth TestU?sing Asphalt Concrete Cores J.Reflective Cracking inPavements,1996(15):123?132.3 CHONG K P,KURUPPU M D.N e w Speci men For Frac?ture Toughness Deter m ination For Rock and OtherM ate?rials J.International Journal of F racture,1984(26):59?62.4HOFMAN R,OOSTERBAAN B,ERKENS SM JG,et a.lSemi?Circular Bending TestToA ssessThe ResistanceA?gainst Crack Gro wth C.Sixth InernatianlRILEM Sy m?posium on Performance Testing and Evaluation ofBitum i?nousM aterials,2000:257?263.5 BAOSHAN HUANG,X I ANG SHU,YONG JI NG TANG.Comparison of Se m i?Circular Bending and Indirect Ten?sile Strength Tests For HmaM ixtures J.Advances inPave ment Engineering,2005(16):225?227.6刘宇,张肖宁,薛忠军.应用 J积分断裂准则评价应力吸收层抗裂性能 J.科学技术与工程,2007,24(7):?第 1期杨大田,等:沥青混合料的三种实验力学特性比较63?6362?6367.LI U Yu,Z HANG X iao?ning,XUE Zhong?jun.EvaluationFracture Resistance of StressAbsorbing LayerU sing J?In?tegral Fracture Criterio J.Sc.i Tech.Engng,2007,24(7):6362?6367.7刘宇,张肖宁,王端宜.沥青混合料裂纹扩展阶段的疲劳寿命预测 J.华南理工大学学报(自然版),2008,36(2):42?47.LI U Yu,ZHANG X iao?ning,WANG Duan?y.i PredictionofFatigue Life ofAsphaltM ixture in CrackGrowth Stage J.Journal of South China University of Technology(NaturalScience Edition),2008,36(2):42?47.8刘宇,张肖宁,迟凤霞.国外 SCB(半圆弯抗)试验方法在沥青混合料中的研究与应用 J.中外公路,2008,28(3):190?193.LI U Yu,Z HANG X iao?ning,CH I 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Laboratory forMountain Road Construction andM aintenance,Chongqing Jiaotong University,Chongqing 400074,China)Abstract:Through test strengthsof t wo sem i?circular bending(SCB)and indirect tensile test(IDT)methods,it was concluded that ratio of SCB to I DT strengthswas 2 to 3 ti mes,and more ratio of the SCB strength tosmallbea m three?point bending(3?PointB)strengthwas about1 ti me.Their fatigue lifesobtained by three ex?peri mentalmethodswere compared,and fracture toughness and delaying fracture toughnessof the SCB isbiggerthan the one of the 3?Point B,while fatigue lifes of the SCB is between the one of the other two ways.At thesame ti me,variation coefficient of the SCB is smaller than the one of other two kinds ofmethods.H ence,SCB isvery effective method for evaluating the perfor m ance of the hotm ix asphalt concrete.Key words:SCB;IDT;3?Point B;fracture toughness;fatigue life