摘要
针对现行沥青路面设计时材料力学参数取值的可靠性不足,基于道路材料的拉压差异特性,开展了多因素耦合影响下沥青混合料拉压力学参数非线性特性及量化关系研究。结果表明,沥青混合料拉压应力应变特性符合双模量理论的双线性特征;拉压力学参数随加载速度增大先急剧增加后趋于平缓,且呈幂函数关系;与温度呈负指数函数关系,且温度增幅越高力学参数减小幅度越大;与沥青用量呈指数衰减模型函数关系,高温时(>30 ℃)沥青用量的变化对力学参数影响相对较小,最大力学参数所对应的沥青用量与马歇尔试验得到的最佳沥青用量基本一致;就影响程度而言,温度对力学参数的影响最大,各因素对强度的影响最为显著,抗拉力学参数较抗压力学参数更为敏感;据此建立了多因素耦合作用下沥青混合料的拉压力学参数量化取值模型,并推荐规范常用温度15 ℃(20 ℃)下的压拉强度比及压拉模量比分别为6.5(7.5)、1.6(1.7),压缩模强比及拉伸模强比分别为400(17 00)、450(2 000)。
从我国公路的投入与运营来看,不少公路还未达到使用年限,就已经出现了严重的功能性衰退与结构性破坏,造成巨大的经济损
国内外学者针对上述问题开展了较多的试验研究。周雪艳
此外,经研究发现道路材料自身具有显著的拉压不同力学特性,是典型的双模量(拉模量与压模量不等)材
本文的创新点在于针对现行沥青路面设计时材料力学参数取值未全面考虑内外因素及显著的拉压差异特性,导致其取值不科学、偏差大的问题,围绕多因素耦合作用下沥青混合料拉压力学参数非线性特性及其相互关系开展研究,最终建立多因素耦合的拉压力学参数取值模型,并构建强度和模量之间的函数关系,为基于双模量理论的沥青路面设计中力学参数的选取提供科学可靠的依据。
本研究采用SBS(I‒D)改性沥青,其性能指标测试结果均满足规
测试内容 | 单位 | 测试值 | 技术要 |
---|---|---|---|
针入度 (25 ℃,100 g,5 s) | 0.1 mm | 52.6 | 30~60 |
延度 (5 cm⋅mi | cm | 28.6 | 20 |
软化点 | ℃ | 76.0 | 60 |
运动黏度 (135 ℃) | Pa•s | 1.8 | 3 |
弹性恢复 (25 ℃) | % | 79 | 75 |
试件采用AC‒16沥青混合料,级配曲线参考《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40—2004
筛孔孔径/mm | 通过率/% | |||
---|---|---|---|---|
设计值 | 上 | 下 | 中值 | |
19 | 100.0 | 100.0 | 100.0 | 100.0 |
16 | 95.4 | 100.0 | 90.0 | 95.0 |
13.2 | 86.5 | 92.0 | 76.0 | 84.0 |
9.5 | 70.5 | 80.0 | 60.0 | 70.0 |
4.75 | 45.0 | 62.0 | 34.0 | 48.0 |
2.36 | 30.2 | 48.0 | 20.0 | 34.0 |
1.18 | 23.0 | 36.0 | 13.0 | 24.5 |
0.6 | 15.4 | 26.0 | 9.0 | 17.5 |
0.3 | 10.7 | 18.0 | 7.0 | 12.5 |
0.15 | 7.1 | 14.0 | 5.0 | 9.5 |
0.075 | 5.3 | 8.0 | 4.0 | 6.0 |
为探究沥青混合料拉压力学参数在多因素耦合作用下的非线性特性,本研究选取的影响因素包括沥青用量、试验加载速度及温度,具体测试方案如
影响因素 | 因素水平 | ||||
---|---|---|---|---|---|
沥青用量/% | 3.5 | 4.0 | 4.5 | 5.0 | 5.5 |
试验温度/℃ | 5 | 15 | 20 | 30 | 40 |
加载速度/(MPa· | 0.01 | 0.02 | 0.05 | 0.10 | 0.50 |
单轴压缩强度及直接拉伸强度随加载速度变化规律如
图1 沥青混合料单轴压缩强度随加载速度变化规律
Fig. 1 Uniaxial compressive strength of asphalt mixture versus loading speed
图2 沥青混合料直接拉伸强度随加载速度变化规律
Fig. 2 Direct tensile strength of asphalt mixture versus loading speed
(1) |
式中:R(c/t)为单轴压缩强度或直接拉伸强度,MPa;、为拟合参数;v为加载速度,MPa·
由
图3 试件破坏界面图
Fig. 3 Damage interface of specimen
沥青混合料的力学特性受试验温度及加载速度的影响显著,其中温度相对于沥青用量对强度的影响更大,且温度越高强度随加载速度变化越不敏感,并逐渐趋于一个定值。同等加载速度下,3.5%沥青用量时的抗拉强度远小于其他沥青用量下的抗拉强度,其原因可能为沥青混合料抵抗直接拉伸破坏的能力主要来源于沥青胶浆黏结力及其与集料的黏附力,而沥青用料过少会导致胶结料与集料之间的有效胶结面减少,最终造成抗拉强度显著下降,而抗压强度未出现此现象,其原因为抗压强度主要依靠集料间的嵌挤力和集料与结合料间的黏结力抵抗试件压缩变形。
根据试验数据,可建立起沥青混合料强度随温度的非线性关系。以温度为横坐标,分别以4.5%沥青用量与0.1 MPa·
(2) |
式中:R(c/t)为单轴压缩强度或直接拉伸强度,MPa;、为拟合参数;T为温度,℃。
由图4可知,沥青混合料强度对温度的敏感性随温度的增大而逐渐降低。从5 ℃升至15 ℃时的变化幅度最大;而在15 ℃逐步升至40 ℃呈现均匀变化,幅度较小,当温度达到40 ℃后趋于稳定。不同加载速度下强度随温度的变化程度相比于不同沥青用量的要大,加载速度越大,压缩强度随温度变化敏感性越大,而沥青用量对压缩强度随温度变化的敏感性几乎无影响。当加载速度与沥青用量固定时,低温(5 ℃)下的单轴压缩强度约为高温(40 ℃)下的4~7倍,而低温(5 ℃)下的直接拉伸强度约为高温(40 ℃)下的8~10倍,由此说明温度对沥青混合料的直接拉伸强度影响要大于单轴抗压强度。
根据试验数据,可建立起沥青混合料强度随沥青用量的非线性关系,以沥青用量为横坐标,分别以20 ℃温度与0.1 MPa·
图5 沥青混合料单轴压缩强度随沥青用量变化规律
Fig. 5 Uniaxial compressive strength of asphalt mixture versus asphalt dosage
图6 沥青混合料直接拉伸强度随沥青用量变化规律
Fig. 6 Direct tensile strength of asphalt mixtures versus asphalt dosage
(3) |
式中:R(c/t)为单轴压缩或直接拉伸强度,MPa;、、为拟合参数;C为沥青用量,%。
由
基于压、拉强度试验结果及多元非线性拟合分析方法,可建立沥青混合料强度在加载速度、温度及沥青用量耦合作用下取值模型,如
单轴压缩强度为
(4) |
直接拉伸强度为
(5) |
为验证强度取值模型的使用性与拟合效果,以标准误差(RMSE)为判别指标,计算公式如
(6) |
式中:n为样本点个数;V实为实测值;V预为预测值。
图7 沥青混合料压拉强度模型45°图
Fig. 7 Asphalt mixture compressive and tensile strength model 45° plot
从
单轴压缩及直接拉伸模量测试试验中,以15 ℃、4.5%最佳沥青用量与0.1 MPa·
图8 沥青混合料试验各级荷载和应变数据
Fig. 8 Load and strain data for all levels of asphalt mixture testing
图9 沥青混合料拉压应力应变双线性模型
Fig. 9 Bi-linear model of tensile and compressive stress-strain of asphalt mixture
参照强度分析方法,以加载速度为横坐标,选取最佳沥青用量及15 ℃温度下的模量为研究对象,沥青混合料单轴压缩模量及直接拉伸模量随加载速度变化规律如
图10 沥青混合料模量随加载速度变化规律
Fig. 10 Asphalt mixture modulus versus loading speed
(7) |
式中:Ec为单轴压缩模量,MPa;、为拟合参数;v为加载速度,MPa·
由
由试验数据可建立沥青混合料模量随温度的非线性关系。以温度为横坐标,分别以4.5%沥青用量与0.1MPa·
(8) |
式中:Ec为单轴压缩模量,MPa;、为拟合参数;T为温度,℃。
图11 沥青混合料模量随温度变化规律
Fig. 11 Asphalt mixture modulus versus temperature
由
根据试验数据,可建立起沥青混合料模量随沥青用量的非线性关系。以沥青用量为横坐标,分别以20 ℃温度与0.1 MPa·
(9) |
式中:Ec为单轴压缩模量,MPa;、、为拟合参数;C为沥青用量,%。
图12 沥青混合料模量随沥青用量变化规律
Fig. 12 Asphalt mixture modulus versus asphalt dosage
由
结合拉压模量测试结果,可知拉压模量随沥青用量变化相较于随加载速度、温度的变化要小的多。根据数值大小可判定温度对模量值的影响程度最大,其次为加载速度,最后则为沥青用量。当温度从5 ℃变化到40 ℃时,压模量最低减少了4倍,拉模量最低减少了6倍;当加载速度从0.01 MPa·
依据试验结果及分析,可建立沥青混合料拉压模量随加载速度、温度及沥青用量变化的量化取值模型。如
单轴压缩模量为
(10) |
直接拉伸模量为
(11) |
同样地,为验证模量取值模型的使用性与拟合效果,对依据模型得到的预测值与实测值进行比较,绘制
图13 沥青混合料拉压模量模型45图
Fig. 13 Asphalt mixture tensile and compressive model 45 plot
由
沥青混合料作为常用的面层材料,现行路面设计中其强度与模量参数的取值往往是相互独立的,并未根据两者的内在联系进行取值。而强度试验过程涵盖了试件的线弹性与塑性阶段,模量试验过程则只发生在试件的弹性阶段,两者之间必定存在某种内在联系。因此,本文结合多因素耦合下AC‒16沥青混合料压、拉强度与对应的模量测试结果,建立压拉模强比(Ec/t/Rc/t)随影响因素的变化关系。
图14 沥青混合料压拉模强比随影响因素的关系
Fig. 14 Ec/t/Rc/t of asphalt mixtures versus
influencing factors
由
由
由
由于强度与模量是两个完全相互独立的试验,试验过程不同,且模量试验相对复杂,因此通过模强比的变化范围,通过测试强度便能预测相应条件下的模量范围,简化试验过程,可为路面面层设计时不同材料参数间的匹配性提供了参考依据。
基于双模量理论的路面结构设计中,路面材料的拉压力学参数取值及其比值对路面力学响应计算结果影响很
v/(MPa· | Rc/Rt | Ec/Et | ||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
5 ℃ | 15 ℃ | 20 ℃ | 30 ℃ | 40 ℃ | 5 ℃ | 15 ℃ | 20 ℃ | 30 ℃ | 40 ℃ | |
0.01 | 5.64 | 6.43 | 7.78 | 8.01 | 11.79 | 1.58 | 1.66 | 1.80 | 2.01 | 2.18 |
0.02 | 6.14 | 6.35 | 7.30 | 7.77 | 10.87 | 1.56 | 1.64 | 1.74 | 1.94 | 2.12 |
0.05 | 6.40 | 7.03 | 7.19 | 7.78 | 10.33 | 1.52 | 1.60 | 1.70 | 1.90 | 2.05 |
0.10 | 6.42 | 6.98 | 7.49 | 7.74 | 10.80 | 1.48 | 1.57 | 1.66 | 1.86 | 2.01 |
0.50 | 6.34 | 6.38 | 7.27 | 7.82 | 9.55 | 1.44 | 1.50 | 1.63 | 1.80 | 1.97 |
从
图15 不同温度下沥青混合料Rc/Rt的平均值对比
Fig. 15 Comparison of mean values of Rc/Rt of asphalt mixtures at different temperatures
根据
图16 不同影响因素下沥青混合料Ec/Et对比
Fig. 16 Comparison of Ec/Et of asphalt mixtures at different influencing factors
由
综上所述,温度的变化对沥青混合料的拉压差异性程度影响最大,当温度从5 ℃增长至40 ℃时,压拉参数比大致提高了40%以上,而加载速度与沥青用量的变化对沥青混合料的压拉参数比影响不大,随着影响因素的变化,基本均维持在10%以内。因此,在采用双模量理论进行面层结构设计时,设计参数的选取要着重考虑温度对拉压差异的影响。此外,对于现行规范常采用的15 ℃或20 ℃试验温度,AC‒16沥青混合料对应的压拉强度比、压拉模量比的大小约为6.7(7.5)、1.6(1.7)。
本文基于沥青混合料的拉压差异特性,开展了沥青用量、加载速度、温度等多因素耦合作用下的AC‒16沥青混合料拉压强度和拉压模量的非线性特性及其相互关系研究,揭示了不同影响因素下沥青混合料的拉压差异性变化规律,主要结论如下:
(1) 沥青混合料拉压应力应变特性符合双模量理论的双线性特征,其拉压强度,拉压模量与加载速度、温度及沥青用量具有良好的相关性,据此建立了各力学参数随加载速度、温度及沥青用量变化的量化取值模型,可为基于双模量理论的路面结构计算与分析的设计参数取值提供依据。
(2) 沥青混合料拉压力学参数随加载速度增大先急剧增加后趋于平缓;随温度的增加而减小,低温下力学参数约为高温下的4~10倍;随沥青用量的增加先增加后减小,当温度提高到30 ℃以上时,沥青用量的变化对力学参数的影响相对较小,且最大力学参数值所对应的沥青用量与马歇尔设计法得出的最佳沥青用量基本一致(略大0.2%~0.3%)。
(3) 就影响因素的作用大小而言,温度对沥青混合料拉压力学参数的影响程度最大,其次为加载速度,最后则为沥青用量;就具体力学参数而言,温度对强度的影响最显著;就力学参数拉压特性而言,抗拉力学参数对影响因素的变化更敏感。
(4) 沥青混合料拉压差异性受温度影响最大,压拉参数比随温度变化最大可提高40%以上,而加载速度与沥青用量的变化对其变化影响较小,基本维持在10%以内。
(5) 对于规范设计试验温度15 ℃(20 ℃)下的AC‒16沥青混合料,其压拉强度比、压拉模量比可取为6.5(7.5)、1.6(1.7);压缩模强比、拉伸模强比可取为400(1 700)和450(2 000)。
作者贡献声明
潘勤学:研究命题的提出与方案制定,论文撰写与修改。 姜舜君:试验及数据分析,论文撰写。 吕松涛:研究方案制定与论文修改。 郑健龙:研究方案指导及论文修改。
参考文献
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