吳飛宇 ，丁海波

(1.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)*

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瀝青瑪蹄脂碎石混凝土力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)評估

吳飛宇1，丁海波2

(1.河海大學(xué) 力學(xué)與材料學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)*

以不同型態(tài)的試驗(yàn)方法，來評估探討SMA力學(xué)模式的可行性，且評估其抗變形能力與傳統(tǒng)密級配的比較.結(jié)果表明，SMA的相關(guān)實(shí)驗(yàn)不適合以張應(yīng)變破壞的型態(tài)來探討，即現(xiàn)場SMA路面的臨界破壞模式非屬于張應(yīng)變破壞模式，而是壓應(yīng)變破壞模式.現(xiàn)場路面于受車輛載重時(shí)，其受力范圍所產(chǎn)生自然束制力，正是提供SMA路面高承載及高抗變形能力的要素.所提出的圍壓壓力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)，用于分析各瀝青混凝土的蠕變行為及抗變形能力有極高的可行性及可信度.

瀝青瑪蹄脂碎石混凝土(SMA)；試驗(yàn)方法；動(dòng)態(tài)蠕變；圍壓

0 引言

瀝青瑪蹄脂碎石混凝土(SMA)是以高品質(zhì)的集料組成粒料主架構(gòu)，此架構(gòu)間的空隙，用大量瀝青混合料細(xì)粒料及填縫料形成的瀝青膠砂漿所填充，整體混合料的瀝青含量有時(shí)可高達(dá)7.0%以上，使SMA因?yàn)r青膜較厚而兼具耐久性和抗疲勞的特性，粗集料主架構(gòu)則擁有良好的抗變形能力[1-4].

但目前SMA的相關(guān)設(shè)計(jì)法都僅發(fā)展至瀝青混凝土的配比設(shè)計(jì)階段，而于路面設(shè)計(jì)方面根本沒有具體的方案，現(xiàn)場的路面也多以經(jīng)驗(yàn)法則來鋪筑[5-9].本研究以不同形態(tài)的試驗(yàn)方法，來評估探討SMA力學(xué)模式的可行性，且評估其抗變形能力與傳統(tǒng)密級配的比較，以期供未來路面設(shè)計(jì)的參考.

本文的主要目的是為找出合適研判SMA力學(xué)性質(zhì)的試驗(yàn)方法.試驗(yàn)方式為利用不同的集料級配，包括SMA級配及密級配兩種，配合未改性及改性瀝青的四種組合瀝青混凝土，使用不同形態(tài)的試驗(yàn)方法來進(jìn)行試驗(yàn)，再由各試驗(yàn)結(jié)果，通過與現(xiàn)場SMA及密級配路面實(shí)際比較，來探討各試驗(yàn)對于用來評估SMA力學(xué)性質(zhì)的可行性，以期能找出適合SMA的試驗(yàn)方法及模擬模式，以對未來SMA路面設(shè)計(jì)上有所幫助；且以合適的試驗(yàn)方式，針對不同的集料級配、瀝青及其他試驗(yàn)條件的改變，探討其對瀝青混凝土抗永久變形的影響，并以永久變形分析法分析各瀝青混凝土的試驗(yàn)結(jié)果，以驗(yàn)證試驗(yàn)方式對各瀝青混凝土的適用性.

1 研究方法

1.1 研究規(guī)劃

本研究的傳統(tǒng)密級配瀝青混凝土的配比設(shè)計(jì)是依照中國公路規(guī)范規(guī)定；SMA的配比設(shè)計(jì)主要參照德國IFM規(guī)范，以美國瀝青技術(shù)研究中心(NCAT)所研擬的SMA暫行規(guī)范為輔.

1.2 動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)

為能以簡單且方便的方式來研究集料級配對瀝青混凝土永久變形的影響及評估各瀝青混凝土的力學(xué)模式，本研究設(shè)計(jì)兩種動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)，分別為張力式及壓力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn).張力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)方法為參考ASTM D4123的試件架設(shè)方式，進(jìn)行長期動(dòng)態(tài)反復(fù)荷載，以記錄觀察試件的側(cè)向蠕變行為；壓力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)是參照BS 598-111及BS DD226規(guī)范的方法進(jìn)行試驗(yàn).各形態(tài)的動(dòng)態(tài)蠕變程式的試驗(yàn)條件如表1～表3所示.

表1 張力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)的試驗(yàn)條件

表2 無圍壓壓力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)的試驗(yàn)條件

表3 圍壓壓力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)的試驗(yàn)條件

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)方法與結(jié)果探討

本研究為探討SMA的力學(xué)模式，于相關(guān)試驗(yàn)中規(guī)劃有穩(wěn)定度試驗(yàn)、間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)與自行設(shè)計(jì)的張力式及壓力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)，表4、表5為馬歇爾配比設(shè)計(jì)結(jié)果.

表4 密級配馬歇爾配比設(shè)計(jì)結(jié)果

表5 SMA級配馬歇爾配比設(shè)計(jì)結(jié)果

2.1.1 間接張力式破壞型態(tài)試驗(yàn)

穩(wěn)定度試驗(yàn)、間接抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)及張力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)都是屬于此型態(tài).各瀝青混凝土的穩(wěn)定度及間接抗拉強(qiáng)度值見表6，而張力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)結(jié)果見圖1(a)、(b).

(a) 反復(fù)荷載為0.1MPa

(b) 反復(fù)荷載為0.5MPa

由研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，于各試驗(yàn)條件下，各瀝青混凝土的強(qiáng)度順序如下：

可得知SMA的強(qiáng)度都較傳統(tǒng)密級配瀝青混凝土差，此與現(xiàn)場的實(shí)際不符，故可判定現(xiàn)場SMA路面的臨界破壞型態(tài)不屬于張應(yīng)變破壞型

態(tài)，即以張力式試驗(yàn)評估并不合理.

2.1.2 間接張力式非破壞型態(tài)試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)雖也屬于間接張力荷載形式的試驗(yàn)，但其于試驗(yàn)過程中并不會將試件體壓至破壞，其是以大小適當(dāng)?shù)暮奢d來打擊試件，使試件處于穩(wěn)定的彈性應(yīng)變段，且記錄此彈性段試件所受荷載及回彈量的關(guān)系，即動(dòng)態(tài)模量值.各瀝青混凝土試驗(yàn)值見表6.

表6 穩(wěn)定度、間接抗拉強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)模量試驗(yàn)值

由試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量大小順序如下：

低溫時(shí)動(dòng)態(tài)模量大小排序如下：

常溫及高溫時(shí)動(dòng)態(tài)模量大小排序如下：

一般于低溫狀態(tài)下，假若瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量數(shù)值較低，路面則較好地抵抗低溫裂縫、龜裂的能力；于高溫時(shí)，若動(dòng)態(tài)模量數(shù)值較高，則路面對于車輛反復(fù)荷載作用所引起的車轍變形有較佳的抵抗能力.由試驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，SMA都比傳統(tǒng)密級配瀝青混凝土于低溫時(shí)有較佳的抗抗裂縫龜裂能力，于常溫高溫下有較高的抗變形能力.故瀝

青混凝土以其應(yīng)力應(yīng)變彈性段的動(dòng)態(tài)模量數(shù)值來探討其力學(xué)性質(zhì)的優(yōu)劣性或是可行的，但終究此試驗(yàn)結(jié)果是以間接張力荷載的方式所得，其是否真正適合用來研判SMA的力學(xué)性質(zhì)，及應(yīng)用于現(xiàn)場SMA路面的設(shè)計(jì)，此需更多試驗(yàn)室數(shù)據(jù)及現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)才可判定.

2.1.3 壓力式破壞型態(tài)試驗(yàn)

無圍壓壓力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)的蠕變結(jié)果見圖2，而圍壓壓力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)結(jié)果見圖3.

圖2 瀝青混凝土無圍壓壓力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)

圖3 溫度40℃瀝青混凝土圍壓壓力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)

本研究的圍壓壓力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)結(jié)果可得各瀝青混凝土抗變形能力的順序如下：

本研究利用施加單軸壓力式荷載及配合周圍施以適當(dāng)束制壓力的蠕變試驗(yàn)，來分析各種級配的瀝青混凝土，包括傳統(tǒng)密級配及屬于越級配的SMA瀝青混凝土，其成效都與現(xiàn)場實(shí)際符合，且效果也相當(dāng)良好.

于圍壓壓力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)前，本研究另有進(jìn)行無圍壓的壓力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)，此是為研究當(dāng)現(xiàn)場路面因受車輛垂直荷載，路面瀝青層周圍所產(chǎn)生的自然束制力，其對路面本身抗車轍變形能力的影響.由本研究的結(jié)果可得，于動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)時(shí)，試件有/無施加圍壓束制，對各瀝青混凝土抗變形能力的影響很大.由于SMA路面于承受外加荷載時(shí)，荷載主要是由集料粗顆粒與粗顆粒間直接接觸所產(chǎn)生的摩擦力，即粗集料主架構(gòu)間的互嵌效應(yīng)所承受，而現(xiàn)場SMA路面受垂直車輛載重時(shí)，其受力范圍所產(chǎn)生的自然束制力，即是維持此粗集料間互嵌效應(yīng)的重要因素.SMA路面受車輪載重時(shí)，受力范圍所產(chǎn)生自然束制力的示意圖如圖4.故于試驗(yàn)室中實(shí)驗(yàn)?zāi)MSMA的蠕變行為或力學(xué)性質(zhì)，試件周圍施加適當(dāng)束制圍壓是必要的.

圖4 SMA路面受車輪載重時(shí)周圍自然束制力示意圖

2.2 其他外在因素對SMA的影響

圖3、圖5及圖6為荷重打擊次數(shù)與試件垂直向壓應(yīng)變量的關(guān)系圖，試驗(yàn)溫度為10、25及40℃.由試驗(yàn)結(jié)果可得，溫度越高，試件變形速率越快；且SMA的抗變形能力都比傳統(tǒng)密級配瀝青混凝土好，由此可預(yù)期現(xiàn)場溫度在此試驗(yàn)范圍內(nèi)，SMA路面會較傳統(tǒng)密級配路面有良好的抗車轍變形的能力.

圖5 溫度25℃瀝青混凝土圍壓壓力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)

圖6 溫度10℃瀝青混凝土圍壓壓力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)

3 結(jié)論

(1)SMA的相關(guān)實(shí)驗(yàn)不適合以張應(yīng)變破壞的型態(tài)來探討，即現(xiàn)場SMA路面的臨界破壞模式非屬于張應(yīng)變破壞模式，而是壓應(yīng)變破壞模式;

(2)現(xiàn)場路面于受車輛載重時(shí)，其受力范圍所產(chǎn)生自然束制力，正是提供SMA路面高承載及高抗變形能力的要素.本文提出的圍壓壓力式動(dòng)態(tài)蠕變試驗(yàn)，用于分析各瀝青混凝土的蠕變行為及抗變形能力有極高的可行性及可信度;

(3)SMA級配配合改性瀝青的瀝青混凝土具有最佳的抗變形能力.SMA路面的變形較傳統(tǒng)密級配路面不易受外在環(huán)境因素及現(xiàn)場行車狀況所影響.

[1]林志棟,鐘權(quán)淇,王睿懋.應(yīng)用數(shù)位影像分析探討瀝青混凝土的集料結(jié)構(gòu)[C].第一屆路面工程師生研究成果聯(lián)合發(fā)表論文集, 2010:96-106.

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Research on Stone Mastic Asphalt Concrete Test Method to Assess Mechanical Properties

WU Feiyu1, DING Haibo2

(1.College of Mechanics and Materials, Hehai University, Nanjing 211100,China;2. School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，ChengDu 610031,China)

Different test methods are used to assess the feasibility of SMA mechanics model and its resistance to deformation in comparison with conventional dense graded. The results show that the SMA correlation experiments is not suitable to explore tensile strain destructive patterns. Namely, the critical failure mode field SMA pavement failure modes do not belong to tensile strain, but compressive strain failure mode. When scene pavement is under the vehicle load, its force generated by natural beam system, provides high-load and high-SMA pavement deformation resistance elements. The proposed confining pressure dynamic creep test used to analyze the behavior of each asphalt concrete creep and deformation resistance has high feasibility and credibility.

SMA;test method;dynamic creep;confining pressure

1673-9590(2016)04-0091-05

2015-10-21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51208521)

吳飛宇(1989-)，男，碩士研究生，從事計(jì)算力學(xué)的研究E-mail:903157974@qq.com.

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