DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.08.037
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)
摘要：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。
关键词：沥青混合料；强度特性；主拉应变；破坏准则
中图分类号：U414.1 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2016)08-2820-08
Strength characteristics of asphalt mixture with various loading modes
HUANG Tuo, ZHENG Jianlong
(Key Laboratory of Highway Engineering, Ministry of Education, School of Traffic &
Transportation Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410004, China)
Abstract: In order to study the failure reason in bending test, tensile test and split test of asphalt mixture, strength-loading velocity characteristics with various loading modes were carried out, and the change laws of strength, failure strain and critical strain energy density parameters with various loading rates were obtained. The results show that strength and critical strain energy density increase with the increase of loading rate. Taking ultimate bearing capacity as failure criterion leads to the randomness of the selected strength, and affects the pavement structure design. Tensile strain is the main factor leading to the failure of asphalt mixture. Taking principal tensile strain as failure criterion can unite various mechanical parameters and solve the problems that the strength of asphalt mixture is uncertain and the cause of failure is unknown.
Key words: asphalt mixture; strength characteristics; principal tensile strain; failure criterion
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
Table 1 Gradation of AC-13C dense grad asphalt mixture
表2 最佳油石比下马歇尔试验结果
Table 2 Marshall test results at optimal asphalt content
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
沥青混合料弯曲试验采用长为(250
2.0) mm、宽为(50±2.0) mm、高为(50±2.0) mm、跨径为(200.0±0.5) mm的棱柱体小梁，通过三分点加载使试件破坏。各力学参数的计算公式为：
(1)
(2)
式中：RB为弯拉强度，MPa；PB为破坏荷载，N；h和b分别为试件跨中断面的高度和宽度，mm；d为跨中挠度，mm；L为跨径，mm；ε1为弯拉破坏应变，10-6。应变能密度函数dw/dm的计算公式为
(3)
式中：σij和εij分别为应力分量和应变分量；εmax为破坏应变即临界应变；材料破坏时的dw/dm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
，R2=0.96 (4)
其中：RB为弯拉强度，MPa；
为加载速度，Pa/s。
弯拉破坏应变ε1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。
图1 不同加载速度的弯拉试验曲线
Fig. 1 Bending test curves with various loading rates
表3 沥青混合料小梁弯曲试验结果
Table 3 Bending test results of asphalt mixture
2.2 直接拉伸试验
沥青混合料直接拉伸试验采用长为(250.0±2.0) mm、宽为(50.02.0) mm、高为(50.02.0) mm的棱柱体小梁，通过在轴向施加拉伸荷载使试件破坏。各力学参数的计算公式为：
(5)
(6)
式中：RD为直接拉伸强度，MPa；PD为破坏荷载，N；a和b分别为试件的宽度和高度，mm；l为试件高度，mm；L为试件长度，mm。不同加载速度的直拉试验曲线见图2，试验结果见表4。
图2 不同加载速度的直拉试验曲线
Fig. 2 Direct tensile test curves with various loading rates
直拉强度与加载速度的函数关系为
，R2=0.90 (7)
直拉破坏应变ε1及临界应变能密度与加载速度之间没有明显关系。
2.3 劈裂试验
沥青混合料劈裂试验采用直径为(101.6±0.25) mm、高为(63.5±1.3) mm的圆柱体试件，通过宽度为12.7 mm的压条轴向加压使试件破坏。各力学参数的计算公式为：
(8)
(9)
式中：RT为劈裂强度，MPa；PT为破坏荷载，N；μ为泊松比，根据“公路工程沥青及沥青混合料试验规程”[17]中劈裂试验所用的泊松比取值，取为0.3；XT为试件破坏时水平方向的总变形，mm；不同加载速度的劈裂试验曲线见图3，试验结果见表5。
劈裂强度与加载速度的函数关系为
，R2=0.90 (10)
劈裂破坏应变ε1及临界应变能密度与加载速度无显著关系。
2.4 以极限承载力作为破坏准则存在的问题
以往的弯曲试验、直接拉伸试验和劈裂试验多以极限承载力作为破坏准则。从试验结果可知不同加载速度的沥青混合料极限承载力差异显著：弯拉强度最小值与最大值相差2.75倍，直拉强度相差2.59倍，劈裂强度相差2.78倍，且弯拉强度＞直拉强度＞劈裂强度。计算破坏应变ε1无明显规律，其值也存在明显差异：弯拉试验相差3.74倍，直拉试验相差2.06倍，劈裂试验相差3.65倍。临界应变能密度为：弯拉试验相差2.45倍、直拉试验相差2.51倍、劈裂试验相差2.19倍。
图3 不同加载速度的劈裂试验曲线
Fig. 3 Split test curves with various loading rates
表4 沥青混合料直接拉伸试验结果
Table 4 Direct tensile test results of asphalt mixture
表5 沥青混合料劈裂试验结果
Table 5 Split test results of asphalt mixture
图4 以极限承载力作为破坏准则时各力学参数对比
Fig. 4 Comparison of mechanical parameters by taking ultimate bearing capacity as failure criterion
以极限承载力作为破坏准则时各力学参数对比见图4。从图4可知：以极限承载能力作为破坏准则，无法统一不同强度试验方法的各个力学参数。也就是说，对沥青混合料进行强度试验及强度取值时存在随意性问题，这定会对路面结构设计科学性产生影响。
3 以主拉应变作为破坏准则的沥青混合料强度特性
3.1 力学参数的定义及计算
观察试件的破坏形态，发现在弯拉、直拉及劈裂试验中，沥青混合料均表现为拉应变破坏特征。为了明确究竟是拉应力还是拉应变导致材料破坏，试验时在试件的不利受力位置贴电阻应变片：进行弯曲试验时，在试件跨中底部沿长度方向贴应变片；进行直接拉伸试验时，沿试件高度方向首尾顺次相连贴应变片；进行劈裂试验时，在试件断面中部的水平方向贴应变片。将MTS测得的应变与应变仪实测的应变进行对比，得到如图5所示的试验曲线。
图5 试验曲线及各力学参数的定义
Fig. 5 Test curves and definition of each mechanical parameter
以往的强度试验是通过计算公式将MTS测得的力与位移换算为相应的应力、应变。以极限承载能力作为破坏准则，定义图5中曲线1的σ1点为破坏点；以σ1点对应的由MTS采集位移换算得到的应变ε1作为破坏应变；定义曲边三角形△Oσ1ε1的面积数值上为临界应变能密度。由于MTS通过加载轴的升降测量试件的整体变形，图5中曲线1所示的应变表示单位长度试件的变形量。在试验中，试件将在不利的受力位置最先发生破坏，而不可能在长度或高度方向上发生均匀变形。显然，由整体变形计算得来的平均破坏应变不能真实反映沥青混合料的局部变形特征。
应变仪实测的应变反映沥青混合料的局部变形，当试件已经局部开裂、尚未完全失去承载能力时，应变片会断裂失效。由于应变仪与MTS是不同的试验系统，需将相同时刻MTS测得的应力和应变仪实测的应变绘于同一曲线上，才能得到图5中的曲线2。若以主拉应变ε2作为破坏准则，则应变片断裂时的应力为极限承载力，即ε2点的应力σ2为极限应力；△Oσ2ε2的面积数值上为临界应变能密度。考虑到应变仪的数据采集频率难以与MTS精确同步，△Oσ2ε2的面积可以近似地通过
×S(△Oσ1ε1)计算。显然，应变仪实测的主拉应变ε2能更好地表征材料的局部变形特征(其中，S(△Oσ1ε1)为三角形(△Oσ1ε1)的面积)。
表6所示为采用这2种破坏准则时各力学参数的计算方法比较结果。3种不同的强度试验方法中应变仪实测的应变曲线分别如图6~8所示。
表6 不同破坏准则的各力学参数的比较
Table 6 Comparison of each mechanical parameter by taking different failure criterions
图6 不同加载速度的弯拉实测应变
Fig. 6 Measured bending strain with various loading rates
由图6~8可知：应变仪实测的沥青混合料弯拉破坏应变、直拉破坏应变和劈裂破坏应变基本保持稳定，其平均值为分别为0.013 868，0.015 076和0.014 986。
3.2 采用不同破坏准则时各力学参数的对比
为了便于对比采用不同破坏准则时的各力学参数，将不同加载速度的沥青混合料强度试验结果进行对比，见表7。
以主拉应变作为破坏准则时各力学参数与加载速度的关系如图9所示(注：图9(c)中剔除了1个偏离的试验点)。以主拉应变作为破坏准则，能统一不同强度试验方法的主拉应变ε1和ε2对应的极限应力与应变能密度，并可分别建立这些力学参数与加载速度的函数关系：
，R2=0.95 (11)
， R2=0.83 (12)
式中：σ2为主拉应变对应的应力，MPa；dw2/dm2为主拉应变对应的应变能密度，kPa。
图7 不同加载速度的直拉实测应变
Fig. 7 Measured direct tensile strain with various loading rates
上述分析表明，以主拉应变作为破坏准则，可通过加载速度统一不同试验方法的各个力学参数，即解决了沥青混合料强度试验和强度取值时存在的任意性问题。
图8 不同加载速度的劈裂实测应变
Fig. 8 Measured split strain with various loading rates
表7 不同破坏准则的沥青混合料强度试验结果
Table 7 Strength test results of asphalt mixture by taking different failure criterions
图9 以主拉应变作为破坏准则时各力学参数与加载速度的关系
Fig. 9 Relationship between mechanical parameters and loading rate by taking principal tensile strain as failure criterion
3.3 不同试验方法的沥青混合料破坏准则
第一强度理论认为，断裂是由最大拉应力引起的，当最大拉应力达到极限值时材料就发生断裂。从试验结果看，极限拉应力随着加载速度和试验方法的改变而显著改变。这表明拉应力并不是导致材料发生破坏的主要原因，第一强度理论并不适合于沥青混合料。
从能量观点看，加载速度和试验方法不同，沥青混合料的临界应变能密度相差较大。显然，沥青混合料也不是因为能量达到极限值才发生破坏，可见能量和应力不是造成沥青混合料发生破坏的主要原因。
最大拉应力理论认为材料发生断裂是由最大拉应变引起的。当最大拉应变达到极限值时材料就发生断裂。由直拉、弯曲和劈裂试验结果可知：实测破坏应变ε2基本保持不变：实测弯拉破坏应变平均值为 0.013 868，实测直拉破坏应变平均值为0.015 076，实测劈裂破坏应变平均值为0.014 986。3种试验方法的破坏应变平均值为0.014 643，最大偏差为5.3%，且沥青混合料表现为拉应变破坏特征，可见拉应变是导致沥青混合料发生破坏的根本原因，用主拉应变作为材料的破坏准则比较合理。
4 结论
1) 若以极限承载力作为破坏准则，则强度、应变和临界应变能密度都随加载速度的变化而变化，导致在对沥青混合料进行强度试验以及强度取值时存在任意性问题。以主拉应变作为破坏准则，可将不同试验方法的各个力学参数统一，即解决了对沥青混合料进行强度试验及强度取值时存在的随意性问题。
2) 在弯曲试验、直接拉伸试验和劈裂试验中，以主拉应变作为沥青混合料的破坏准则比较合理。因为沥青混合料表现为明显的拉应变破坏特征，且实测破坏应变ε2基本保持不变，弯拉试验的实测破坏、直拉破坏和劈裂破坏的应变平均值分别为0.013 868， 0.015 076和0.014 986，这3种试验方法的平均破坏应变为0.014 643，最大偏差为5.3%。
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(编辑 陈灿华)
收稿日期：2015-09-10；修回日期：2015-10-28
基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51038002,51578081,51408064)；湖南省科技计划项目(2014TT2032)；长沙理工大学公路工程教育部重点实验室开放基金资助项目(kfj130103)(Projects(51038002, 51578081, 51408064) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project (2014TT2032) supported by the Science and Technology Plan Program of Hunan Province; Project (kfj130103) supported by the Open Fund of the Key Laboratory of Highway Engineering of Changsha University of Science & Technology, Ministry of Education)
通信作者：黄拓，博士，讲师，从事道路结构与新材料研究；E-mail：huangtuomao@163.com
