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基于半圆弯曲试验的AC-25沥青混合料 抗裂性能指标比选研究

时间:2024/6/5 8:28:16   作者:未知   来源:交通科技与管理   阅读:4   评论:0
内容摘要:林志明,严二虎,周震宇(交通运输部公路科学研究所,北京 100088)摘要 沥青混合料的半圆弯曲试验在国外已经有了较成熟的规程,但均要求最大公称粒径不大于19 mm,空隙率6%~8%,且试验条件较为严苛。文章通过设计密级配AC-25沥青混合料,比选中温和低温状态下半圆弯...
林志明,严二虎,周震宇
(交通运输部公路科学研究所,北京 100088)
摘要 沥青混合料的半圆弯曲试验在国外已经有了较成熟的规程,但均要求最大公称粒径不大于19 mm,空隙率6%~8%,且试验条件较为严苛。文章通过设计密级配AC-25沥青混合料,比选中温和低温状态下半圆弯曲试验的评价指标,相关结论如下:(1)半圆弯曲试验适用于我国的密级配沥青混合料。(2)中温半圆弯曲试验宜采用断裂韧性或断裂能评价抗裂性能,峰值荷载位移、柔性指数结果、峰后拐点斜率等均不稳定,不宜作为评价指标。(3)低温半圆弯曲试验宜采用断裂能或断裂韧性评价抗裂性能,峰值荷载位移补充评价指标,而柔性指数和峰后拐点斜率,结果均不稳定,不宜作为评价指标。
关键词 道路工程;半圆弯曲试验;抗裂性能;变异系数;断裂韧性;断裂能
中图分类号 U213.4  文献标识码 A  文章编号 2096-8949(2024)05-0029-06

0 引言
半圆弯曲试验(semi-circular bending, SCB)制件简单,试验周期短,受到研究人员的青睐。通常,研究沥青路面正常服役状态下的抗疲劳开裂性能,采用中温(25 ℃)半圆弯曲试验;研究沥青路面的低温抗裂性能,采用低温(0 ℃以下)半圆弯曲试验。
许多学者将半圆弯曲试验结果和其他成熟的试验方法对比研究,发现均有很好的相关性。谈海斌等[1]认为,中温半圆弯曲试验测得的临界应变能释放率值与间接拉伸试验测得的疲劳寿命韧性指标值具有良好的相关性。对比路面取芯的SCB试验和取芯回收沥青的BBR试验,SCB断裂能和BBR试验结果有较好的对应关系,证明了SCB试验能很好地反映路面低温性能[2]。对比半圆弯曲试验和劈裂试验[3]、小梁弯曲试验[4],结果表明,半圆弯曲试验和这两种试验均有较好的相关性,但半圆弯曲试验对力更敏感,更适合用来评价沥青混合料的抗裂性能。
还有许多学者研究了集料尺寸、试件直径和厚度等对半圆弯曲试验的影响。结论如下:最大公称粒径NMAS<19 mm时,直径100 mm的试件可以用来评价抗裂性,但直径150 mm的柔性指数更稳定[5];最大公称粒径越大,断裂韧性越大[6];最大公称粒径为12.5 mm的沥青混合料,当厚度为40~60 mm时,每组试件断裂能的变异系数小于10%,而试件厚度为30 mm时,变异系数大于25%[7]。
除学术研究外,欧盟、美国均颁布了基于半圆弯曲试验评价沥青混合料抗裂性能的试验规程。这些规程的演变过程如下:
中温条件下,采用柔性指数(Flexibility Index, FI)试验来评价沥青混合料的断裂应力,AASHTO在2016年、2018年两版临时标准TP124[8]的基础上,放宽了切缝宽度要求,用六次多项式替代三次多项式拟合荷载曲线,规定了峰后拐点斜率的计算方法,补充了柔性指数室内试验的重复性和再现性的变异系数,2021年定为正式标准,编号AASHTO T393[9]。ASTM也在路易斯安那州规程DOTD TR 330[10]的基础上,2016年首次颁布了D8044[11]试验规程,评价指标是临界应变能释放率(Jc),修改了试验结束条件,明确指出荷载小于峰值荷载25%时停止试验。
低温条件下,AASHTO在2013年、2020年两版临时标准TP105[12]基础上,于2021年确定为正式标准,编号AASHTO T394[13],T394主要计算断裂能、断裂韧性、劲度模量等指标,但并未给出相关指标的推荐值和试验的精度和误差。欧盟标准于2010年首次出版,编号EN 12697-44,并于2019年[14]再次修订,放宽了切缝宽度,增加了试件高度要求。
在四个规程中,AASHTO的T393和T394均要求沥青混合料的最大粒径小于19 mm,而D8044和EN 12697-44均未对最大粒径提出要求。
根据以上规范的情况梳理,AASHTO的规范较为完备,但要引入我国,需要解决的问题如下:一是空隙率要求,我国密级配推荐的空隙率为不大于6%,而AASHTO要求空隙率为(7±1)%;二是低温条件下,T394中计算了断裂能、断裂韧性、劲度模量,如何评价沥青混合料的抗裂性能并未给出判断方法;三是AASHTO要求混合料最大粒径不超过19 mm,相当于我国的AC-16级配,常见的中面层AC-20和下面层AC-25,均不适用。
AC-25通常用于沥青路面下面层,考虑高温稳定性与低温抗裂性[15],在我国应用广泛。该文通过设计密级配AC-25沥青混合料,根据不同温度,选择合适的加载速率,进行半圆弯曲试验,计算峰值荷载位移、断裂韧性、断裂能、柔性指数、峰后拐点斜率等指标的计算,进行评价指标的比选。
1 试件制备和试验方法
该文使用的沥青为70#基质沥青,三大指标和薄膜老化后性能均满足《公路沥青路面施工技术规范》要求。集料、矿粉来自安徽省合肥市庐江县,均是石灰岩,均满足规范要求。
AC-25各档矿料占比如表1所示。最佳油石比是3.9%,根据试验结果可知,由于外掺纤维的持油作用,纤维每增加0.05%,油石比增大0.03%。

表1 AC-25各档矿料占比
矿料 20-25 15-20 10-15 5-10 3-5 0-3 矿粉
比例/% 10.0 18.0 24.0 17.0 6.0 22.0 3.0


用AASHTO T312规范旋转压实法制作试件,目标空隙率为4%,试件的直径为150 mm,高度为160 mm,在压实试件中部切取2个厚度为50 mm的圆柱体切片,再将每个切片沿着直径方向切开,获得两个半圆形,再沿半圆形试件的对称轴切出一道切缝,切缝深15 mm,宽不超过2 mm。
试验步骤如下:
(1)将半圆形试件放入目标温度(中温25 ℃,低温0 ℃)的环境箱中保温4 h。
(2)从环境箱内将试件拿出,对称放置在夹具的滚轴上,保证施加的应力垂直地穿过试样的中心。
(3)试验前,试件和加载条保持3 mm距离,然后钢辊以中温50 mm/min(低温0.3 mm/min)的位移速率向上抬升试件,测量和记录荷载、位移。
(4)当荷载降至0.3 kN以下或者峰值荷载的10%时,试验结束。
2 相关指标计算方法
2.1 峰值荷载位移
如图1所示,荷载为0.1 kN时,位移记为0,upeak为峰值荷载位移,是抗裂纹扩展能力的体现。
2.2 断裂韧性
断裂韧性是指断裂力学中描述抵抗裂纹扩展的能力。计算公式如下:
(1)
式中,KIC ——断裂韧性(N/mm1.5);Fmax ——峰值荷载(N);D、t——试件的直径、厚度(mm);a——试件的切缝深度(mm)。


图1 半圆弯曲典型位移—荷载图

2.3 断裂能
为了消除试验过程中首尾部分的试验误差,如图1所示,选择ustart到uend部分为断裂功的计算范围,k为ustart对应的位置的步数,n为uend对应的位置的步数。
(2)
式中,W——断裂功(J);pi、pi+1——第i步和第i+1步施加的荷载(N);ui、ui+1——第i步和第i+1步时传感器的荷载平均位移(m)。
断裂能(Gf)是断裂功(W)除以韧性区面积(Alig)的商。
(3)
Alig=(h−a)×t (4)
式中,Gf ——断裂能(J/m2);Alig——韧性区面积(mm2);h——切缝处试件高度(mm)。
2.4 峰后拐点斜率
位移—荷载曲线峰后拐点处斜率的绝对值称为峰后拐点斜率,用于评价试件抗裂性能的衰减速度。该文根据AASHTO T393—2022规定的分段拟合法求最优的峰后拐点斜率值。
2.5 柔性指数
柔性指数(FI)是美国AASHTO TP-124提出的用于评价沥青混合料抗裂性能的指标,无量纲。柔性指数计算方法如下:
(5)
式中,|m|—峰后位移—荷载曲线斜率的绝对值(N/m)。
3 结果与讨论
该文的试验数据由同一实验室同一操作人员测得,一个组合有4个试件,当一组峰值荷载中某个峰值荷载与平均值之差大于标准差的1.2倍时,则为异常数据,应剔除。如图2所示,MT-14的2-1是异常数据,在计算各指标之前,应予以排除,同时应确保每个组合的有效试件数≥3。

图2 MT-14试件的位移—荷载图

3.1 中温半圆弯曲试验
为了比较中温试验峰值荷载位移、断裂韧性、断裂能、柔性指数等指标的离散程度,整理了14个组合的变异系数的结果,如表2所示。

根据表2的变异系数,以14个组合为样本,变异系数间隔为5,得到累计概率分布如图3所示。图3中,折线越靠左,说明变异系数整体越小,5个评价指标变异系数从小到大排序为:断裂韧性、断裂能、峰值荷载位移、峰后拐点斜率、柔性指数。其中,变异系数小于20%占比分别为100%、85.7%、64.3%、42.9%、42.9%。
图3显示,峰后拐点斜率变异系数小于30%部分,占比小于80%,说明峰后拐点斜率的变异系数大,这是因为AC-25中,粗集料较多,裂纹扩展至粗集料时,或者粗集料断裂,或者沿着粗集料边沿继续扩展,影响荷载衰减速度,导致同组试件峰后曲线差异较大。柔性指数的变异系数受断裂能和峰后拐点斜率叠加影响,试验结果更不稳定。
综上,中温试验采用断裂韧性、断裂能评价混合料的抗裂性能较优。峰值荷载位移计算简单,但变异系数小于20%的样本占比小于70%,故不适合作为评价标准。柔性指数是无量纲物理量,且便于分析比较,但由于试验结果不稳定,不建议用于评价AC-25的抗裂性能。
3.2 低温半圆弯曲试验
为了比较低温试验峰值荷载位移、断裂韧性、断裂能、柔性指数等指标的离散程度,整理了20个组合的变异系数的结果,如表3所示。
根据表3的变异系数,得到累计概率分布如图4所示,5个评价指标变异系数从小到大排序为:断裂韧性、峰值荷载位移、断裂能、峰后拐点斜率、柔性指数。其中,变异系数小于20%占比分别为100%、85%、75%、30%、20%。
图4显示,峰后拐点斜率变异系数小于30%部分,占比为65%,说明峰后拐点斜率的变异系数很大,原因是低温状态下,沥青混合料呈弹性,容易发生脆断,荷载衰减过程复杂多变,导致同组试件峰后曲线差异较大。
低温状态下,以“断裂能变异系数+峰后拐点斜率变异系数”为横坐标,柔性指数变异系数为纵坐标,如图5(b)所示,散点图拟合斜率为1.108 5,R方为0.895 1,有着良好的线性关系,说明低温下的柔性指数极不稳定,是断裂能和峰后拐点斜率不稳定性的叠加。中温状态下,如图5(a)所示,无类似结论。
根据姜鑫龙等[16]的研究,AC-25混合料SCB试件的厚度为24.7 mm,在0 ℃,加载速率0.03 mm/min时,断裂能、断裂韧性、柔性指数的变异系数分别为44.9%、12.3%、60.5%。该文研究的厚度为50 mm,以上三项指标变异系数远小于姜鑫龙等的研究结果,说明AC-25混合料宜采用50 mm厚度的SCB试件研究低温抗裂性能。
综上,低温试验采用断裂韧性、断裂能等指标结果均较稳定,适合用于评价低温的沥青混合料的抗裂性能。此外,峰值荷载位移的结果同样稳定,低温状态下,利用SCB试验进行掺纤维沥青混合料抗裂性能验证时,可作为同一级配的比较指标,快速判断。而柔性指数和峰后拐点斜率,结果不稳定,不建议作为低温抗裂性能的评价指标。
4 结论
该文通过设计密级配AC-25沥青混合料,根据试验的可重复性,分别比选中温和低温状态下,半圆弯曲试验的评价指标,相关结论如下:
(1)我国的密级配沥青混合料AC-25也可采用半圆弯曲试验评价其抗裂性能,试件厚度宜为50 mm,中温加载速率为50 mm/min,低温加载速率为0.3 mm/min。
(2)AC-25的中温半圆弯曲试验宜采用断裂韧性或断裂能评价抗裂性能,而峰值荷载位移、柔性指数和峰后拐点斜率的试验结果均不稳定,不宜用于评价抗裂性能。
(3)AC-25的低温半圆弯曲试验宜采用断裂韧性或断裂能评价抗裂性能,峰值荷载位移可作为补充评价指标;柔性指数和峰后拐点斜率,结果均不稳定,不宜用于评价抗裂性能。
该文的研究的不足与展望如下:
(1)采用的沥青为70#沥青,未考虑采用其他标号或改性沥青的情况,后期应开展更多类型的沥青,总结沥青类型对评价指标选择的影响。
(2)低温试验中“断裂能变异系数+峰后拐点斜率变异系数”和柔性指数变异系数的线性关系,目前仅有初步结论,后期应该开展断裂界面的微观研究,挖掘峰后拐点斜率的主要影响因素,并解释出现这一现象的原因。

参考文献
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