不同试验方法的沥青混合料强度特性

黄拓，郑健龙

HUANG Tuo, ZHENG Jianlong



不同试验方法的沥青混合料强度特性

黄拓，郑健龙

(长沙理工大学 交通运输工程学院，公路工程教育部重点实验室，湖南 长沙，410004)

为了研究沥青混合料弯曲试验、直接拉伸试验和劈裂试验的拉应变破坏原因，采用不同试验方法对沥青混合料强度特性进行研究，得到沥青混合料强度、破坏应变和临界应变能密度参数随加载速度的变化规律。研究结果表明：沥青混合料强度和临界应变能密度随加载速度的增大而增大；以极限承载能力作为破坏准则，导致在强度参数取值时存在随意性问题，影响路面结构设计的科学性；拉应变是导致沥青混合料发生破坏的主因；以主拉应变作为破坏准则，可以通过加载速度统一不同试验方法的各个力学参数，解决沥青混合料强度的不确定性问题和破坏原因不明的问题。

沥青混合料；强度特性；主拉应变；破坏准则

沥青混合料因具有抗滑、耐磨、柔韧、可再生利用、施工与养护维修方便、开放交通快等特点被广泛用作现代公路的路面材料[1]。至2015年底，我国已建成通车的高速公路突破了12.35万km，居世界第1位，其中90%以上为沥青路面。但从近年来已投入运营的沥青路面使用状况看，许多沥青路面结构未达到设计寿命便出现不同程度的病害，造成了巨大的经济损失和不良的社会影响。在研究路面破损时，一次荷载作用下的强度问题是各种破坏问题研究的基础[2−4]。沥青混合料的强度性质十分复杂[5−8]：1) 沥青混合料的黏弹性特性导致强度的速度相关性与温度相关性；2) 压力成型的特点导致沥青混合料拉、压性质的差异性，并使得强度随应力状态的不同而变化；3) 不同试验方法得到的强度因应力状态的不同而变化，表现出强度不确定性。即便是广泛应用的弯曲试验、直接拉伸试验和劈裂试验，也存在破坏原因不明的问题。上述试验条件和受力状态不同，所得到的强度和刚度指标完全不同[9−14]，很少有研究者从强度理论的角度研究这些破坏之间的内在联系与规律。针对上述问题，本文作者进行不同加载速度下的弯曲试验、直接拉伸试验和劈裂试验，得到沥青混合料强度、破坏应变和临界应变能密度随加载速度的变化规律，提出沥青混合料的拉应变破坏准则。

1 试验材料与配合比设计

选用细粒式沥青混合料AC-13C作为研究对象。胶结料为SBS改性沥青，集料为玄武岩。矿料级配见表1，马歇尔试验确定最佳油石比(即沥青混合料中沥青质量与矿料质量之比)为5.2%，最佳油石比条件下的试验结果见表2。

表1 AC-13C密级配沥青混合料矿料级配

2 不同试验方法的沥青混合料强度特性

分别采用10，50，100，200，400和1 000 N/s的加载速度，在MTS材料试验机上进行沥青混合料弯曲试验、直接拉伸试验和劈裂试验，然后根据强度计算公式进行换算。试验温度为15 ℃。

2.1 弯曲试验

式中：B为弯拉强度，MPa；B为破坏荷载，N；和分别为试件跨中断面的高度和宽度，mm；为跨中挠度，mm；为跨径，mm；1为弯拉破坏应变，10−6。应变能密度函数d/d的计算公式为

式中：和分别为应力分量和应变分量；max为破坏应变即临界应变；材料破坏时的d/d为临界应变能密度，通过试验曲线下方的包络线面积确定[15−16]。不同加载速度的弯拉试验曲线见图1，试验结果见表3。弯拉强度与加载速度的函数关系为

其中：B为弯拉强度，MPa；为加载速度，Pa/s。弯拉破坏应变1随加载速度的增大而逐渐减小，临界应变能密度与加载速度无显著关系。