王 君

(湖南省高速百通建設(shè)投資有限公司,湖南長(zhǎng)沙 410003)

瀝青混合料作為一種廣泛應(yīng)用的工程材料,在其使用過(guò)程中除了承受靜荷載的作用外,還可能承受沖擊、爆炸等動(dòng)荷載的作用。而人們對(duì)瀝青混合料材料在動(dòng)態(tài)荷載作用下的力學(xué)性能又研究甚少,因而展開(kāi)對(duì)瀝青混合料動(dòng)力性能研究,有利于完善瀝青混合料設(shè)計(jì)系統(tǒng),全面的掌握瀝青混合料在動(dòng)態(tài)工作環(huán)境下的性能,彌補(bǔ)瀝青混合料在動(dòng)力學(xué)這一領(lǐng)域的空缺,為瀝青混合料動(dòng)力性能研究提供技術(shù)儲(chǔ)備[1,2]。

以往對(duì)瀝青混合料的研究工作大都基于靜態(tài)、準(zhǔn)靜態(tài)條件,對(duì)材料在動(dòng)力荷載作用下的研究相對(duì)較少。近年來(lái),一些學(xué)者已經(jīng)開(kāi)始從不同角度對(duì)瀝青混合料的動(dòng)力性能進(jìn)行了探索性研究。本文擬通過(guò)SHPB試驗(yàn),對(duì)比研究沖擊荷載下普通瀝青混合料與瀝青瑪蹄脂碎石的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。

1 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)及試樣制作

1.1 瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)

本文選取路面層常用的普通瀝青混凝土AC—13與瀝青瑪蹄脂碎石SMA—13進(jìn)行研究。其中與所用瀝青均為未改性的70號(hào)A級(jí)道路石油基質(zhì)瀝青,集料采用江蘇鎮(zhèn)江玄武巖,在級(jí)配組成上,普通瀝青混凝土AC—13采用開(kāi)級(jí)配磨耗結(jié)構(gòu),具體合成級(jí)配見(jiàn)表1;瀝青瑪蹄脂碎石SMA—13采用斷級(jí)配嵌鎖結(jié)構(gòu),具體合成級(jí)配見(jiàn)表2。級(jí)配組成均滿(mǎn)足現(xiàn)行《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》(JTG F40-2004)[3]要求。

表1 AC—13合成級(jí)配%

表2 SMA—13合成級(jí)配%

根據(jù)JTG F40—2004規(guī)范,瀝青混合料配合比設(shè)計(jì)采用馬歇爾配合比設(shè)計(jì)方法,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選取預(yù)估油石比Pb,然后選取Pb-0.6%,Pb±0.3%,Pb+0.6%五個(gè)油石比制作馬歇爾試件,測(cè)定瀝青混凝土試件的空隙率、礦料間隙率、有效瀝青的飽和度等體積指標(biāo),以及測(cè)定馬歇爾穩(wěn)定度及流值,并進(jìn)行體積組成分析,綜合各指標(biāo)得出最佳油石比。

對(duì)瀝青混凝土AC—13和瀝青瑪蹄脂碎石SMA—13在不同油石比下進(jìn)行馬歇爾試驗(yàn),其中AC—13預(yù)估油石比Pb為5.1%,取4.5%,4.8%,5.1%,5.4%,5.7%五個(gè)油石比制作馬歇爾試件;SMA—13的預(yù)估油石比Pb為5.9%,取5.3%,5.6%,5.9%,6.2%,6.5%五個(gè)油石比制作馬歇爾試件,其馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表3,表4。

表3 AC—13不同油石比下的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

表4 SMA—13不同油石比下的馬歇爾試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試樣制作

本試驗(yàn)的研究對(duì)象為瀝青混合料,其集料的公稱(chēng)最大粒徑可達(dá)13.2 mm,如此粗的集料顆粒用于成型瀝青混合料試件,如果試件的整體大小不能達(dá)到一定的數(shù)值,將會(huì)使試件存在很大的缺陷。在《公路工程瀝青及瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ 052-2000)T0704-1993[4]有規(guī)定:瀝青混凝土試件制作的試件尺寸應(yīng)滿(mǎn)足試件直徑不小于公稱(chēng)最大粒徑的4倍,試件厚度不小于公稱(chēng)最大集料粒徑的1～1.5倍。根據(jù)現(xiàn)有的SHPB桿尺寸,本研究選取Φ74 mm SHPB變截面壓桿,并根據(jù)相關(guān)要求選取試件直徑為70mm,因?yàn)樵嚰L(zhǎng)度與直徑之比約在0.5時(shí)彌散效應(yīng)會(huì)最小。為此,選擇試件的高度為35mm。

2 SHPB試驗(yàn)

分離式Hopkinson壓桿可以用來(lái)測(cè)定材料在一定應(yīng)變率范圍的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為,已經(jīng)被證明是研究材料在沖擊荷載作用下力學(xué)行為的有效手段[5,6]。典型的SHPB試驗(yàn)裝置主要有:發(fā)射加載裝置、壓桿系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)構(gòu)成。直徑為74 mm SHPB變截面壓桿裝置也包括這幾大系統(tǒng),其示意簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

試驗(yàn)時(shí),子彈在高壓氣體的推動(dòng)下以一定速度撞擊入射桿,在入射桿中產(chǎn)生入射波,入射波到達(dá)試件時(shí)分成兩部分:一是向前傳遞透射波;二是逆向回彈反射波,同時(shí)應(yīng)變片將分別測(cè)出入射桿與透射桿的應(yīng)力應(yīng)變值,并將信號(hào)輸出至示波器中,通過(guò)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得出試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)。

圖1 直徑74mm SHPB裝置示意圖[7]

對(duì)于普通瀝青混凝土AC—13與瀝青瑪蹄脂碎石SMA—

13,考慮溫度對(duì)路面使用性能的影響,試驗(yàn)選取了路面使用環(huán)境典型的3個(gè)溫度,即冬季-20℃、常溫25℃、夏季60℃。各溫度下采用3個(gè)應(yīng)變率,分別為25 s-1、60 s-1、110 s-1。對(duì)于每種材料,不同溫度與應(yīng)變率組合,至少進(jìn)行3個(gè)平行試驗(yàn),取平均值作為結(jié)果進(jìn)行分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試件行為

沖擊荷載作用下,瀝青混合料試件的行為可以分為4種模式,分別為表觀完好、不同程度塊裂、完全碎裂及不同程度壓縮,如圖2所示。表5為所用瀝青混凝土試件在不同溫度、不同應(yīng)變率條件下的破壞模式匯總。

由表5可見(jiàn),溫度對(duì)瀝青混凝土的破壞模式有一定影響。在低溫-20℃下,試件易發(fā)生脆性的不同程度塊裂或完全碎裂;在高溫60℃下,試件呈現(xiàn)不同程度的塑性壓縮;常溫25℃時(shí)的情況介于兩者之間。

應(yīng)變率對(duì)瀝青混凝土的破壞模式也有一定影響。在25 s-1低應(yīng)變率下,所用瀝青混凝土試件在各個(gè)溫度下均能保持表觀完好;在110 s-1高應(yīng)變率下,-20℃時(shí)所有瀝青混合料試件均發(fā)生了完全碎裂,25℃時(shí)大多試件發(fā)生塊裂或碎裂,60℃時(shí)則大多試件呈現(xiàn)顯著塑性壓縮。相比普通瀝青混凝土,瀝青瑪蹄脂碎石的柔韌性明顯增強(qiáng),較少發(fā)生脆性塊裂或碎裂。

3.2 應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)是SHPB沖擊壓縮試驗(yàn)的基本結(jié)果[8]。本文對(duì)普通瀝青混凝土AC—13與瀝青瑪蹄脂碎石SMA—13兩種瀝青混凝土進(jìn)行對(duì)比研究。圖3至圖5為第一組瀝青混凝土AC—13與瀝青瑪蹄脂碎石SMA—13在不同溫度、不同應(yīng)變率條件下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)圖。

本文將普通瀝青混凝土AC—13與瀝青瑪蹄脂碎石SMA—13動(dòng)態(tài)力學(xué)性能做了簡(jiǎn)單對(duì)比,圖3是AC—13與SMA—13在-20℃條件下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)圖。

3.3 動(dòng)力強(qiáng)度

圖2 試件不同破壞模式

表5 沖擊荷載作用下試件行為匯總

圖3 AC—13與SM A—13在-20℃條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

動(dòng)力強(qiáng)度是指材料在經(jīng)受外界沖擊荷載時(shí)抵抗破壞的能力,本文以瀝青混凝土試件所能達(dá)到的最大應(yīng)力值作為動(dòng)力強(qiáng)度。所用瀝青混凝土在不同溫度、不同應(yīng)變率條件下的動(dòng)力強(qiáng)度值列于表6至表8。

由表6至表8可見(jiàn),溫度對(duì)瀝青混凝土的動(dòng)力強(qiáng)度有顯著影響。一般地,材料在常溫25℃條件下的強(qiáng)度最高,在低溫-20℃條件下的強(qiáng)度次之,高溫60℃條件下的強(qiáng)度最低。

瀝青混凝土的動(dòng)力強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增大而提高,提高的程度與溫度有關(guān)。在低溫-20℃條件下,瀝青混凝土的動(dòng)力強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增大提高最多;在常溫25℃條件下,材料強(qiáng)度隨應(yīng)變率增大而提高的幅度次之;在高溫60℃條件下,材料強(qiáng)度隨應(yīng)變率增大而提高的幅度最小。

圖4 AC—13與SM A—13在25℃條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

對(duì)比AC—13與SMA—13的動(dòng)力強(qiáng)度發(fā)現(xiàn),在不同溫度、不同應(yīng)變率下SMA—13的動(dòng)力強(qiáng)度值均略?xún)?yōu)于AC—13。在低應(yīng)變率251下,SMA—13的動(dòng)力強(qiáng)度相比AC—13的增幅最大,在25℃條件下增幅達(dá)29.5%,60℃條件下增幅達(dá)64.8%。但隨著應(yīng)變率的提高,其增幅逐漸減小?？傮w而言,從動(dòng)力強(qiáng)度角度看,SMA—13的動(dòng)力性能要優(yōu)于AC—13。

3.4 沖擊韌性

沖擊韌性常用于反映金屬材料對(duì)外來(lái)沖擊負(fù)荷的抵抗能力,并以沖擊載荷下試樣被折斷而消耗的沖擊功為衡量指標(biāo)。本文的研究定義試件最大應(yīng)力時(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線(xiàn)所圍面積,作為衡量瀝青混凝土抗沖擊能力的韌性指標(biāo)。表6至表8還給出了所用瀝青混凝土在不同溫度、不同應(yīng)變率條件下的最大應(yīng)力對(duì)應(yīng)的應(yīng)變及韌性值。

由表6至表8可見(jiàn),與動(dòng)力強(qiáng)度類(lèi)似,溫度對(duì)瀝青混凝土的沖擊韌性有顯著影響。一般地,材料在常溫25℃條件下的韌性最高,在低溫-20℃條件下的韌性次之,高溫60℃條件下的韌性最低。

圖5 AC—13與SMA—13在60℃條件下的應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)

瀝青混凝土的沖擊韌性隨應(yīng)變率的增大而提高,提高的程度與溫度有關(guān)。在低溫-20℃條件下,瀝青混凝土的沖擊韌性隨應(yīng)變率的增大提高最多;在常溫25℃條件下,材料韌性隨應(yīng)變率增大而提高的幅度次之;在高溫60℃條件下,材料韌性隨應(yīng)變率增大而提高的幅度最小。

對(duì)比AC—13與SMA—

13的沖擊韌性發(fā)現(xiàn),在不同溫度、不同應(yīng)變率下SMA—13的沖擊韌性值均略?xún)?yōu)于AC—13。在低應(yīng)變率251下,SMA—13的沖擊韌性相比AC—13的增幅最大,在-20℃條件下增幅達(dá)9.4%,在25℃條件下增幅達(dá)22.9%,60℃條件下增幅達(dá)139.5%,但隨著應(yīng)變率的提高,其增幅也逐漸減小?？傮w而言,從沖擊韌性角度看,SMA—13的動(dòng)力性能要優(yōu)于AC—13。

表6 -20℃不同應(yīng)變率下動(dòng)力強(qiáng)度,應(yīng)變及沖擊韌性值

表7 25℃不同應(yīng)變率下動(dòng)力強(qiáng)度,應(yīng)變及沖擊韌性值

表8 60℃不同應(yīng)變率下動(dòng)力強(qiáng)度,應(yīng)變及沖擊韌性值

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)結(jié)果與對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析顯示:

1)在沖擊荷載作用下,瀝青混凝土的行為可以為完好、塊裂、碎裂及壓縮等4種模式,隨著溫度升高、應(yīng)變率降低,材料逐漸由脆性破壞變成塑性壓縮。

2)瀝青混凝土的動(dòng)力強(qiáng)度是溫度與應(yīng)變率的函數(shù),材料在常溫2 5℃時(shí)的強(qiáng)度高于在低溫-20℃及高溫60℃時(shí)的值,材料強(qiáng)度隨應(yīng)變率的增大而單調(diào)提高。對(duì)比AC—13與SMA—13的動(dòng)力強(qiáng)度發(fā)現(xiàn),在不同溫度、不同應(yīng)變率下SMA—13的動(dòng)力強(qiáng)度值均略?xún)?yōu)于AC—13,且SMA—13的動(dòng)力強(qiáng)度相比AC—13的增幅隨應(yīng)變率的增大而減小。

3)類(lèi)似地,瀝青混凝土的沖擊韌性也是溫度與應(yīng)變率的函數(shù),材料在常溫25℃時(shí)的韌性高于在低溫-20℃及高溫60℃時(shí)的值,材料韌性隨應(yīng)變率的增大而單調(diào)提高。對(duì)比AC—13與SMA—

13的沖擊韌性發(fā)現(xiàn),在不同溫度、不同應(yīng)變率下SMA—13的沖擊韌性值均略?xún)?yōu)于AC—13,且SMA—13的沖擊韌性相比AC—13的增幅隨應(yīng)變率的增大而減小。

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