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基于实际应力比的沥青混合料疲劳方程的半圆弯曲试验研究
蒋继望a，倪富健a，董侨a，吴凡a，戴逸青b
a东南大学交通学院，江苏南京，210096
b莫纳什大学土木工程系，澳大利亚维多利亚，3800
摘要
本文采用半圆弯曲(SCB)强度试验和疲劳试验对沥青混合料的强度性能和疲劳性能进行了评价。在8种加载速率和3种温度下进行了SCB强度试验，然后对一种沥青玛蹄脂碎石(SMA)混合料进行了5个荷载水平下的SCB疲劳试验。根据循环加载过程中的位移变化和能量消耗,研究了SCB强度的时间-温度特性,对疲劳性能进行了评价。并根据建立的强度-加载速率模型，得到了基于实际应力比的疲劳方程。结果表明，加载速率和温度对沥青混合料强度有显著影响，强度与加载速率的关系可近似表示为幂函数，疲劳寿命与应力水平(或名义应力比)的关系也可表示为幂函数。应力水平越低，疲劳寿命越长，疲劳寿命与累积能耗在双对数坐标下呈良好的线性关系，基于实际应力比的疲劳方程揭示了疲劳失效与强度失效之间的关系。
关键词
沥青混合料；SCB试验；疲劳方程；实际应力比
引言
受交通负荷和水温环境两个因素的影响，在使用过程中，路面结构内部逐渐出现损坏[1]。由于损伤的不断发展，随着重复荷载的增加，路面结构强度逐渐减小，从而导致路面裂缝和路面开裂最终导致疲劳失效。长期以来，如何提高沥青路面耐久性是道路工程师工作的重点[2]。路面的耐久性和使用寿命将受到路面疲劳性能的影响。目前，沥青混合料的室内疲劳试验有很多种，包括直接拉伸试验，间接拉伸试验(即劈裂疲劳试验)，梁弯曲试验，半圆弯曲试验[3-6]。直接拉伸试验的试件形状多样，操作简单，但直接拉伸的应力模式与路面的实际应力状态不同。实际应力路面状况间接拉伸试验较易操作，但加载过程中试件的应力状态较复杂。间接拉伸试验较为复杂，拉应力模式不同于实际的路面结构，在小型梁的弯曲试验中可以得到与实际路面相似的应力模式，但不能有效地评价路面的性能，梁试件不易加工，也不易从芯试件中提取。近年来，推拉试验利用粘弹性连续损伤模型对沥青混合料的疲劳机理进行了较为可靠的研究[7],[8]，但试验操作非常复杂，很难对现场的岩心样品进行试验。相反，半圆弯曲试验(SCB试验)，试样制备试验过程简单，试件应力状态与实际路面相似，试件同时受压和受拉，具有一定的优越性[9]。近年来，半圆弯曲试验在沥青混合料中得到了广泛的应用，最初，在岩石力学里，SCB测试用于描述抗折性[10]，后来它被VAN和Smith用来表征抗拉强度在沥青混合料中的性能[11]。考虑到上述试验的优缺点，本文采用半圆弯曲试验对时间温度沥青混合料的特性及疲劳性能进行了评价。沥青混合料是一种典型的黏弹性材料，其力学响应与加载方式和温度密切相关[12]。对半圆结构下多次温度和加载速率下的拉伸强度的研究较少，以前也没有建立过抗拉强度模型。目前，沥青混合料疲劳试验中的参考强度是在一定的加载速率或温度下确定为强度值，然后根据该值选择应力水平。然而，沥青混合料的强度受以下因素的影响：负载率，负载波形测试期间的温度[13]。因此，在疲劳试验中，在不同的应力水平下，动强度随载荷速率的变化而变化。但是，传统的应力控制疲劳试验得出的疲劳方程并没有考虑加载条件的影响[14]，这将影响黏弹性沥青混合料在一定程度上。因此，有必要在疲劳试验前研究沥青混合料强度的时间-温度特性，研究沥青混合料的时温特性和疲劳方程，对提高沥青路面的耐久性具有重要意义。
目标和范围
本研究的主要目的是根据SCB强度试验和SCB疲劳试验的结果，评价SMA混合料的疲劳性能。具体目标如下：
（1）探讨温度和加载速率对SMA混合料强度的影响。
（2）根据位移和能量消耗，比较分析不同应力水平下SMA混合料SCB疲劳试验的疲劳曲线。
（3）根据实际应力比验证SCB疲劳试验中SMA混合料的疲劳方程。
配合比设计与试样制备
为了表征沥青混合料的疲劳特性，根据SCB试验，选择了一种名义最大粒径为13mm（SMA-13）的石基沥青混合料进行本研究。本文所用的沥青是一种SBS改性沥青，其PG等级为70-22。集合体和矿粉分别为玄武岩和石灰石粉。在压实过程中，所有材料都是干净和干燥的。另外，选择纤维素纤维作为纤维稳定剂进行混合，其含量为混合物重量的0.3%。采用标准马歇尔法设计了基层混合料，确定了最佳沥青掺量为6.2%。SMA-13混合料的骨料级配见表1。
表1.SMA-13级配
|
筛子尺寸/mm |
16 |
13.2 |
9.5 |
4.75 |
2.36 |
1.18 |
0.6 |
0.3 |
0.15 |
0.075 |
|
超过百分比% |
100 |
91.1 |
62.6 |
27.3 |
20.3 |
16.8 |
14.4 |
12.8 |
11.4 |
9.4 |
为了更准确地控制沥青混合料的空隙率，采用Superpave旋转压实机（SGC）制作了高180mm、直径150mm的圆柱体试件[15]。然后将空气孔较大的试件的两端切除，并保留空气孔相似的中间部分和均匀分布的聚集门，以切割成半圆形试件。先前的研究[16-17]表明，当试样厚度小于50 mm时，应力集中会很严重；当厚度超过50毫米时，试样底部的应力趋于恒定。因此，将每个SCB试样切割成目标尺寸为高度50 mm、直径150 mm的六个半圆形圆形试样，以减小试样厚度引起的误差。SCB试样的空隙率主要在3-5%范围内，大部分试样都能满足目标要求（4plusmn;0.5%），不合格的试样被丢弃（见图1）。
图1. SCB试样的制备工艺
SCB测试装置
SCB试验采用带温度控制室的UTM-25万能试验机。如图2所示，SCB测试的设置包括底部边缘的两个支撑辊和顶部边缘中点的一个加载辊。两个支架的跨距设置为试样直径的0.8倍。在实际加载前10s施加最大载荷为0.2kN的接触载荷，以确保加载辊与试样之间的统一接触。当负载降至0时，测试停止。峰后区域为3kN。在实际加载过程中，在试件上施加了一个恒定的位移，并有一个预定的速率，直到开裂失效。本文在三种不同的温度(minus;10℃，0℃，15℃)下和8种不同的装载率（0.1mm/min，0.75mm/min，3mm/min，7.
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资料编号：[2996]
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