沥青混合料抗剪强度参数确定的纯扭纯压试验方法

李玉华, 白云峰

(大连理工大学 建设工程学部, 辽宁 大连　116023)

李玉华, 白云峰

(大连理工大学 建设工程学部, 辽宁 大连116023)

摘要:基于摩尔-库伦强度理论采用一种新的试验设备和方法来评价沥青混合料的抗剪强度.这种试验设备通过在沥青混合料试件两端施加纯扭矩使其发生扭转破坏,能实现沥青混合料在近似纯剪切应力状态下的破坏.采用这种纯扭试验和单轴压缩试验来得到沥青混合料的抗剪强度参数.

关键词:沥青混合料; 抗剪强度; 纯扭试验; 单轴压缩试验

公路所承受的力主要是来自车辆载荷的重复作用,当车辆在正常行驶、变速、起步、制动及非线性行驶时,都会对路面产生相应的水平力作用,这部分水平力作用对道路的影响主要体现在和轮胎直接接触的路面部分.沥青混合料面层由于水平力作用的存在,会在内部产生较强的剪应力,当高温条件下路面结构抗剪强度不足时,就可能造成路面结构的剪切破坏,一般会在路表面以推移、波浪、拥包、车辙等形式表现出来.1982年在我国交通部公路局“公路柔性路面抗弯拉、抗剪切指标科研成果评议会”上引入了抗剪切指标的概念.我国现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中采用三轴压缩试验来得到抗剪强度参数,但存在试验设备造价高、试验方法不统一等问题.本文采用一种创新的纯扭矩加载的试验方法来研究沥青混合料的高温抗剪强度问题.

1沥青混合料的抗剪强度

沥青混合料是以沥青为胶结材料,以石料和矿粉等按特定比例经过拌合压实形成的材料.不同于金属类均质材料和水泥混凝土等水凝性材料,沥青混合料具有明显的颗粒特征,属于相对比较松散的材料,也正因如此,它有独特的结构形式和力学特性.经过多年来对沥青混合料强度的分析研究,目前普遍认为摩尔-库伦理论模型比较符合沥青混合料的强度构成特性.沥青混合料的抗剪强度摩尔-库伦表达式如下[1]:

式中:τ为沥青混合料的抗剪强度;c为沥青胶结料的黏结力;σ为载荷产生的正应力;φ为矿物集料颗粒之间的内摩阻角.

从式(1)中可见, 摩尔-库伦理论公式包含两个强度参数----黏结力c和内摩擦角φ, 这两个参数直接反映了沥青混合料的强度构成, 也就是两个方面的强度来源: 沥青本身的黏结力和各种集料之间的内摩阻力. 也就是说, 若要提高沥青路面面层的抗剪强度, 就必须从沥青和集料的性质两方面着手. 但是目前关于沥青混合料的抗剪强度参数黏结力c、内摩擦角φ的确定上仍存在不足之处, 或实验操作复杂、试验设备昂贵不便推广, 或试验不容易操作、结果精度难以保证.

2沥青混合料的纯扭试验

我国现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中采用三轴压缩法进行沥青混合料的抗剪强度试验得到抗剪强度参数.目前国内各种新型三轴仪迅速发展,但基本上价格高昂较难推广,并且国内外大量研究成果表明,如今采用三轴压缩试验测定沥青混合料抗剪强度也还没有形成统一的试验方法.另外,如沥青混合料的直剪试验破坏面属于人为固定,并且破坏面面积是不断变化的,只能粗略描述沥青混合料的抗剪强度.国内学者孙立军、毕玉峰[2]等开发了一种与土力学中CBR试验方法类似的沥青混合料单轴贯入试验,试图以此来模拟沥青混凝土路面面层中产生的剪力,评价沥青混合料的抗剪强度.本文采用一种创新的试验方法,其加载方式是在棱柱体沥青混合料试件两端施加纯扭矩,使其发生扭转变形破坏,实现了沥青混合料在近似于纯剪切应力状态下的破坏,此简单受力状态在摩尔-库伦理论的应用上是非常方便的,适合用于评价沥青混合料的抗剪强度.这就提供了一种新的研究沥青混合料抗剪强度的试验方法,再配合简单的单轴压缩试验就可以得到沥青混合料的抗剪强度参数.

2.1试验设备

整套纯扭试验装置主要包含4个部分:安装平台、扭矩加载系统、数据采集系统和计算机控制系统.试验安装平台用于集成组装扭矩加载系统和数据采集系统,即扭矩加载电机和位移扭矩传感器等都安装固定在平台基座上,以保证实验过程中整个设备系统的稳定性;数据采集系统是通过拉线式位移计和扭矩仪分别测量试验中实时的扭转变形和扭矩力;计算机控制系统指的是基于本实验装置专门开发的软件控制系统,可以通过软件命令的形式来实现伺服电机的启动、停止和工作频率设定,对数据采集系统得到的数据进行自动存储和分析处理,并绘制力-位移曲线图.扭转加载试验装置和组成结构如图1和图2所示.

图1　沥青混合料纯扭试验仪

2.2试验方法

2.2.1试验准备

(1) 自由扭转长度.本试验采用正方形截面的棱柱体沥青混合料试件,由轮碾法压实成型的车辙试件经切割获得.为便于后期分析计算,加上车辙试件本身的尺寸限制,截面尺寸为40mm×40mm,为了确定一个合适的自由扭转长度,选取SMA10、SMA13、SMA16和AC16共四种沥青混合料在不同自由扭转长度下进行破坏试验,现仅将SMA13沥青混合料的试验数据列于表1作为示例.

图2　沥青混合料扭转剪切试验装置示意图

表1　　SMA13沥青混合料试件60 ℃时不同自由扭转

通过数据分析可以发现,沥青混合料纯扭试验的最大扭矩值与自由扭转长度有关, 总体上随着自由扭转长度的增加,最大扭矩值变小; 当自由扭转长度超过3倍沥青混合料的最大标称粒径时, 最大扭矩值趋于稳定. 这是由于扭转长度过小时沥青混合料内部的大粒径集料会卡在夹具之间发生嵌挤, 破坏面倾斜扩展, 造成实测扭矩偏大. 本文所用沥青混合料最大标称粒径为16 mm, 故统一选取50 mm的自由扭转长度是比较合适的. 安装好的沥青混合料试件和夹具如图3所示.

图3　沥青混合料试件夹具

(2) 试验基本参数.本试验的扭转加载角速度取0.2 rad/s,在试验正式开始前,首先启动恒温水箱,设定实验要求的温度60 ℃,待水温恒定达到60 ℃后将要进行扭转破坏的沥青混合料试件置于水中保温,保温时试件之间间隔大于10 mm,水表面高于试件顶端大于20 mm,试件保温时长应在1 h以上.

2.2.2试验过程

当试验前期准备工作都完成后,就可以正式进行沥青混合料试件的纯扭破坏试验.将保温好的沥青混合料试件连同配套夹具立即从恒温水箱中取出,放置于夹具托盘上,然后将扭矩加载轴和传递轴分别卡入两端夹具的凹槽内紧密连接,保证沥青混合料试件的纵向轴线与扭矩加载轴和传递轴在同一条直线上.试件和夹具安装完毕后立即在计算机控制面板上启动伺服电机,开始转动对试件进行加载直到破坏.为保证沥青混合料试件的温度符合试验要求温度,要求从试件拿出恒温水箱开始到扭转变形破坏试验结束控制在45 s以内[3].在试验进行的同时,计算机控制系统可以实时监控并对拉线式位移计、扭矩编码器和频率控制器的动态数据进行存储和编辑计算,也可以根据这些基础数据进行图形绘制等高级操作.在沥青混合料试件扭转破坏后取出试件和夹具,试验结束,可以进行下一个试件的扭转试验.

3扭转应力分析

本文采用的纯扭试验方法是对正方形截面的沥青混合料试件两端施加纯扭矩作用,试验温度为60 ℃,假设这一温度下的沥青混合料近似于一种弹性-理想塑性材料.正方形截面的试件在扭转时横截面会发生翘曲,相邻横截面上的翘曲程度也不一样,横截面上会产生附加正应力.这种附加正应力对薄壁型杆件影响较大[4],在实体截面杆件中很小,一般忽略不计.这样就可以近似应用弹性-理想塑性扭转理论,假设达到扭矩最大值时,沥青混合料试件截面各点的切应力都达到剪切屈服极限τs,如图4所示.

图4　正方形截面剪应力

全截面的切应力都达到剪切屈服极限τs对应的是试件扭转条件下的极限状态,这时对应的扭矩Tu就是截面能承担的极限扭矩.极限扭矩可以表示为

本文扭转试验采用的沥青混合料试件横截面尺寸为40 mm×40 mm,根据试件破坏前截面合力扭矩与试验最大扭矩Tu相等的关系,在原点和矩形截面形心重合的极坐标系下推导可以得到τs.推导过程如下:

Tu=∫AρτsdA =∫Aρτs·ρdρdφ=

这样就可以得到沥青混合料纯扭破坏前截面的最大剪应力

在纯扭矩力作用下的沥青混合料试件可以近似认为处于纯剪切应力状态,这种简单应力状态的应力圆圆心与坐标原点重合;再结合沥青混合料试件的无侧限抗压强度试验,得到压缩破坏应力圆.单轴压缩试验方法参照我国现行《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中规定的棱柱体法沥青混合料单轴压缩试验.由摩尔-库伦破坏准则可以知道,这两个应力圆的公切线就是沥青混合料的抗剪强度包络线,并且得到公切线后就可以求得沥青混合料的黏结力c和内摩擦角φ这两个抗剪强度指标.这两种试验在摩尔-库伦平面上的理论关系如图5所示.

图5　两种试验的摩尔圆

4试验结果分析

本文主要研究沥青混合料的抗剪性能,为了保证试验的代表性,选取了不同结构类型和不同种类的沥青混合料进行破坏试验.其中包括悬浮密实结构连续级配的AC16、AR-AC10和骨架密实结构间断级配的SMA16、SMA13、SMA10共五种沥青混合料.其中连续级配的AC16沥青混合料分别采用90号基质沥青, AR-AC10采用橡胶沥青,间断级配的SMA混合料采用SBS改性沥青.为了保证试验结果的可靠性和便于进行数据离散程度的分析,每种试验的每种沥青混合料至少做3次平行试验.

试件编号以T表示扭转破坏试件,P表示压缩破坏试件,例如AC16-T1表示类型为AC16的沥青混合料扭转破坏1号试件.下面按每种试验不同种类沥青混合料分别列出其典型的力-位移关系曲线图.

4.1纯扭破坏试验

以AC16和AR-AC10沥青混合料为例,其纯扭破坏试验的扭矩-位移曲线(同条件的3个试样)分别如图6和图7所示.

图6　AC16沥青混合料扭转破坏

图7　AR-AC10沥青混合料扭转破坏

图6和图7的横坐标表示的是拉线式位移计测得的加载轴线位移,除以加载轴的半径可以得到扭转变形的角位移.可以看出,每种沥青混合料扭转的力-位移曲线形态类似,扭矩峰值也是比较稳定的.这里近似认为沥青混合料破坏面保持为平面,破坏前平面上任意点都达到一个屈服应力τs.这样根据之前的分析,由式3可以得到和最大扭矩对应的最大切应力τs,其值列于表2中.

表2　60 ℃沥青混合料扭转破坏试验结果

续表2

试件编号尺寸/mm扭转长度/mm最大扭矩值/(N·m)最大切应力/kPaSMA16-T140.240.0501.9780.5SMA16-T240.339.9502.3093.9SMA16-T340.338.6502.45100.1AR-AC10-T140.139.8505.07207.1AR-AC10-T240.439.6504.84197.7AR-AC10-T340.939.1505.28215.6

4.2单轴压缩破坏试验

同样以AC16和AR-AC10沥青混合料为例,其单轴压缩破坏试验的扭矩-位移曲线(同条件的3个试样)分别如图8和图9所示.

图8　AC16沥青混合压缩破坏

由图8和图9可以发现,在加载初期沥青混合料的力-位移关系表现为比例关系,呈现出弹性特征.当达到峰值压力后,沥青混合料的变形迅速发展,开始产生大量的塑性变形直到破坏.从图中还可以看出,每种沥青混合料的压力峰值是比较稳定的.根据最大压力值和试件的横截面尺寸可以得到试件内部的最大压应力,其数据列于表3中.

表3　60 ℃沥青混合料压缩破坏试验结果

4.3试验结果分析

前面已经列出每种试验每种沥青混合料的试验结果数据,现将每种沥青混合料不同试验得到的最大应力均值列于表4中.

设沥青混合料的无侧限抗压强度为P,纯扭抗剪强度为T;则有P=σ1,T=τs.这样利用图解就可以得到沥青混合料抗剪强度参数.现将根据沥青混合料的无侧限抗压强度P和纯扭抗剪强度T得到的c和φ值列于表5中.

表4　沥青混合料试验结果

表5　沥青混合料抗剪强度参数结果

在高温条件下沥青混合料的力学性质变得更加复杂,此时抗剪强度理论的应用常为半经验半理论状态,本文试验结果可以通过其他更精确的沥青混合料抗剪强度试验进行验证.

5结论

(1) 沥青混合料的纯扭破坏试验,试件制作时应根据集料的标称粒径考虑自由扭转长度.试验结果表明,当自由扭转长度超过三倍沥青混合料的最大标称粒径时,剪切破坏面比较稳定,实测扭矩值也比较合理.

(2) 沥青混合料纯扭破坏试验操作简单、理论明确,得到的数据结果比较稳定,力-位移曲线形态接近;配合单轴压缩破坏试验强度结果可以得到沥青混合料的抗剪强度参数,评价沥青混合料的抗剪性能.

参考文献:

[1] 邓学钧. 路基路面工程[M]. 北京: 人民交通出版社, 2008:327.

(DENG X J. Subgrade and pavement engineering[M]. Beijing: China Communications Press, 2008:327.)

[2] 毕玉峰,孙立军. 沥青混合料抗剪试验方法研究[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2005(8):1036-1040.

(BI Y F, SUN L J. Research on test method of asphalt mixture’s shearing properties[J]. Journal of Tongji University (Natural Science), 2005,33(8):1036-1040.)

[3] 交通运输部公路科学研究院. 公路工程沥青及沥青混合料试验规程:JTG E20—2011[S]. 北京: 人民交通出版社, 2011.

( The Ministry of Transport and Road Research Institute. Standard test methods of bitumen and bituminous mixtures for highway engineering: JTG E20-2011[S]. Beijing: China Communications Press, 2011.)

[4] 刘鸿文. 高等材料力学[M]. 北京:高等教育出版社, 1985:360-364.

【责任编辑: 祝颖】

(LIU H W. Advanced material mechanics[M]. Beijing: Higher Education Press, 1985:360-364.)

Pure Torsion-Compression Test Methodon Shear Strength Parameters of Asphalt Mixture

LiYuhua,BaiYunfeng

(Faculty of Infrastructure Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116023, China)

Abstract:A new test equipment and method are used to evaluate the shear strength of asphalt mixture based on Mohr-Coulomb strength theory. Asphalt mixture has torsion failure under pure torque applied on both ends of the specimen by the test equipment, to achieve the asphalt mixture failure under the approximate state of pure shear stress. The shear strength parameters of asphalt mixture are got by using pure torsion test and uniaxial compression test.

Key words:asphalt mixture; shear strength; pure torsion test; uniaxial compression test

中图分类号:TU 575

文献标志码:A

文章编号:2095-5456(2015)06-0483-06

作者简介:李玉华(1971-),男,辽宁大连人,大连理工大学副教授,博士.

收稿日期:2015-07-10