文章來(lái)源：微信公眾號(hào)"瀝青路面”

前言

灌注式半柔性道面材料是一種剛度大于瀝青混凝土，小于水泥混凝土的復(fù)合道面材料，在兼具了兩種材料優(yōu)勢(shì)的同時(shí)避開(kāi)了它們的缺陷。半柔性道面不存在裂縫，而且受溫度影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于瀝青道面，道面性能優(yōu)異，因而在國(guó)內(nèi)高等級(jí)公路上得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)半柔性道面路用性能方面的研究較多，周啟偉通過(guò)馬歇爾穩(wěn)定度試驗(yàn)和車轍試驗(yàn)對(duì)灌入式保水性瀝青混凝土的抗車轍性能進(jìn)行了研究。鄧成等人發(fā)現(xiàn)，將超早強(qiáng)半柔性路面材料應(yīng)用在市政道路交叉路口后，可以比較徹底地解決其車轍問(wèn)題。陽(yáng)晏等人主要研究了基體瀝青混合料孔結(jié)構(gòu)對(duì)半柔性路面材料路用性能的影響。王偉明等人通過(guò)試驗(yàn)評(píng)價(jià)了3種不同空隙率的半柔性路面材料的綜合路用性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其具有良好的高溫穩(wěn)定性、水穩(wěn)定性和較強(qiáng)的抗疲勞能力。吳曠懷等人則對(duì)自主研發(fā)的冷拌半柔性材料進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，同樣發(fā)現(xiàn)其綜合路用性能良好。但是將半柔性道面材料應(yīng)用在飛機(jī)跑道上的示例和研究，還并不多見(jiàn)。徐貴等人運(yùn)用ANSYS建立了半柔性道面結(jié)構(gòu)模型，研究了半柔性道面在具有復(fù)雜起落架的大型飛機(jī)多輪荷載下的力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。丁潤(rùn)澤等人在對(duì)半柔性材料的力學(xué)特性及表層適用性進(jìn)行試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，論述了采用半柔性材料進(jìn)行機(jī)場(chǎng)瀝青罩面的設(shè)計(jì)方法。周少樂(lè)等人進(jìn)行了飛機(jī)荷載下半柔性道面的疲勞試驗(yàn)，運(yùn)用有限元方法，提出了機(jī)場(chǎng)瀝青道面加鋪半柔性材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。綜合研讀文獻(xiàn)后發(fā)現(xiàn)，半柔性材料在機(jī)場(chǎng)道面上的運(yùn)用具有一定的可行性，但針對(duì)半柔性道面抗沖擊性能的研究，尚未查到相關(guān)資料。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，運(yùn)用SHPB等試驗(yàn)儀器，對(duì)空隙率為20%、23%、25%、27%和30%的灌注式半柔性道面材料的抗沖擊性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為半柔性道面材料在飛機(jī)跑道上的進(jìn)一步設(shè)計(jì)和運(yùn)用提供了一定的理論依據(jù)。

試驗(yàn)概況

本文設(shè)計(jì)對(duì)空隙率為20%、23%、25%、27%和30%的半柔性道面材料進(jìn)行靜態(tài)抗壓試驗(yàn)和SHPB試驗(yàn)。

靜態(tài)抗壓試驗(yàn)

制作大空隙母體瀝青混合料圓柱形靜態(tài)抗壓試件(Ф100mm×100mm)，取出試件并放置在壓力機(jī)座上面，同時(shí)以2mm/min的速度垂直于試件加載，直到整個(gè)試件完全破壞，再讀取荷載的最大值，精確到100N。試驗(yàn)時(shí)，每個(gè)試件必須放在中心位置，以免偏載影響試驗(yàn)結(jié)果。

SHPB試驗(yàn)

制作大小為300mm×300mm×40mm的方形試件，然后從中鉆孔獲取試件，以免試件模型太小難以控制空隙率。實(shí)驗(yàn)前，檢查SHPB各試驗(yàn)系統(tǒng)是否正常，試打結(jié)束后，將測(cè)速計(jì)時(shí)儀清零，再對(duì)空隙率為20%、23%、25%、27%和30%共5種半柔性道面材料的試件分別進(jìn)行氣壓為0.25、0.3、0.35，0.4MPa的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后用DHDAS軟件將信號(hào)做濾波處理，消除干擾信號(hào)。

試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)運(yùn)用DHDAS系統(tǒng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波以及Matlab軟件進(jìn)行整理后得到了試驗(yàn)數(shù)據(jù)。因數(shù)據(jù)量巨大，只列出各試件3次試驗(yàn)的平均值?？梢钥闯?在相同氣壓沖擊下，不同空隙率的半柔性道面材料平均應(yīng)變率相差較小。

空隙率對(duì)半柔性道面材料動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響

首先，通過(guò)對(duì)各個(gè)空隙率半柔性道面材料的峰值應(yīng)力進(jìn)行比較后發(fā)現(xiàn)，0.25MPa和0.3MPa兩種氣壓條件下，峰值應(yīng)力均有C＞D＞E＞B＞A，說(shuō)明試驗(yàn)中空隙率為25%的半柔性道面材料動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果最為明顯，其次分別是空隙率為27%、30%、23%、20%的半柔性道面材料。較空隙率20%的半柔性道面材料而言，空隙率為25%、27%、30%、23%的材料在氣壓為0.25MPa氣壓條件下的峰值應(yīng)力分別提高了22.95%、20.87%、6.04%、1.79%;0.3MPa條件下，峰值應(yīng)力分別提高34.92%、17.25%、14.41%、11.56%。而在0.35MPa和0.4MPa兩種氣壓條件下時(shí)，各空隙率半柔性道面材料的峰值應(yīng)力有D＞C＞E＞B＞A，空隙率為27%的半柔性道面材料動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度超過(guò)了空隙率為25%的材料。較空隙率為20%而言，空隙率為27%、25%、30%、23%的半柔性道面材料在氣壓為0.35Mpa條件下的峰值應(yīng)力分別提高了23.41%、17.84%、6.43%、4.85%;0.4Mpa條件下，峰值應(yīng)力分別提高了35.56%、28.18%、24.02%、4.98%。

從SHPB試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，空隙率為20%和23%的半柔性道面材料峰值應(yīng)力一直是最小的兩個(gè)，主要是由于母體瀝青混合料空隙率較小，在進(jìn)行灌注砂漿的時(shí)候并不能夠達(dá)到完全灌注，導(dǎo)致材料內(nèi)部有空隙(在進(jìn)行鉆孔取芯時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在空隙)，降低了材料自身的粘結(jié)力和抗力，致使材料的抗沖擊性能下降。雖然空隙率為30%時(shí)的半柔性道面材料空隙率足夠大，水泥砂漿能夠順利灌入，但是由于空隙率影響材料的碎石級(jí)配，空隙率高，碎石摻和比例大，配制空隙率為30%的半柔性道面材料時(shí)碎石與細(xì)砂的摻和比已達(dá)到96%，其中5～10mm碎石達(dá)到了58%，這使得材料內(nèi)部骨料之間不能很好的嵌擠，瀝青與瀝青之間不能很好的粘黏，致使材料自身摩阻力降低，雖然填充了足量水泥砂漿，但是對(duì)材料的抗沖擊能力提高有限。但是相對(duì)于空隙率20%及23%的半柔性道面材料，空隙率30%時(shí)的骨料級(jí)配較大，因此抗沖擊性能相對(duì)于兩者都較好?？障堵蕿?5%及27%的半柔性道面材料分別在較低應(yīng)變速率(氣壓值為0.25MPa和0.3MPa)和較高應(yīng)變速率(氣壓值為0.35MPa和0.4MPa)的作用下峰值應(yīng)力最大。空隙率為25%和27%的材料，空隙率適中，水泥砂漿能夠順利灌注且不留下空隙，同時(shí)這兩個(gè)空隙率條件下的碎石級(jí)配也適中，所以二者抗沖擊性能相比于其他3個(gè)空隙率較好?？障堵?5%的半柔性道面材料在較低應(yīng)變速率作用時(shí)，由于材料內(nèi)部碎石充分嵌擠，摩阻力和瀝青的黏聚力抵抗沖擊的作用大于水泥的凝聚力，因此峰值應(yīng)力大于空隙率27%的半柔性道面材料。當(dāng)較高應(yīng)變速率作用時(shí)，水泥凝聚力起主導(dǎo)作用，因而此種條件下空隙率為27%的材料峰值應(yīng)力大。

同一空隙率下，半柔性道面材料峰值應(yīng)力隨著氣壓值的變大而變大;隨著氣壓值的增加，半柔性道面材料的動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率減緩。這主要是由于材料本身的性質(zhì)，在材料制作和養(yǎng)護(hù)的過(guò)程中材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生微裂縫和氣孔，當(dāng)較低應(yīng)變速率作用在試件上時(shí)，材料內(nèi)部的裂縫不斷發(fā)展，裂縫連通的路徑選擇在當(dāng)前應(yīng)變率條件下最薄弱的環(huán)節(jié)上發(fā)展。隨著氣壓的增大，作用在試件上的應(yīng)變率也增大，當(dāng)較高的應(yīng)變速率作用在試件上時(shí)，裂縫的發(fā)展不再沿著原有發(fā)展路徑進(jìn)行，而是選擇在此時(shí)較高應(yīng)變率條件下試件的最薄弱環(huán)節(jié)上進(jìn)行。當(dāng)應(yīng)變速率變大時(shí)，試件破壞時(shí)內(nèi)部的細(xì)微裂縫不能及時(shí)在試件內(nèi)部擴(kuò)展，因而導(dǎo)致材料中的骨料破壞。應(yīng)變速率越高，材料內(nèi)部骨料破壞的越多，這也是材料峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率增大而增大的原因。

空隙率與動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)的關(guān)系

發(fā)現(xiàn)各個(gè)空隙率下的半柔性道面材料的動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)都隨著氣壓的增大而增加，動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)最大達(dá)到了1.43。在同一氣壓之下，5個(gè)不同空隙率大小的半柔性道面材料動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)相差不大，這說(shuō)明此時(shí)半柔性道面材料的抗沖擊性能和空隙率的變化并沒(méi)有明顯的關(guān)系。

破壞形式分析

半柔性道面材料試件在受到荷載沖擊后，試件破壞形態(tài)主要有表面完好、邊緣破裂、破碎和粉碎4種。從表面完好到粉碎的過(guò)程，體現(xiàn)了空隙率在半柔性道面材料中中明顯的阻裂和粘結(jié)作用。

可以發(fā)現(xiàn)，空隙率為20%和23%的試件在4種氣壓沖擊下破壞時(shí)更容易被壓碎，而空隙率為27%的試件在0.25MPa氣壓下破壞形態(tài)表現(xiàn)為表面完好，在0.4MPa氣壓下也表現(xiàn)為破碎狀態(tài)，而不是與其他四種空隙率一樣表現(xiàn)為粉碎，由此反映出空隙率27%的半柔性道面材料具有較強(qiáng)的韌性，抵抗沖擊的能力更強(qiáng)。

半柔性道面材料是由大空隙基體混合料與水泥砂漿組成的新型復(fù)合材料，其性質(zhì)已不再是單一的瀝青混合料和水泥砂漿的性質(zhì)。在受到0.25MPa氣壓下的子彈沖擊時(shí)，五組試件破壞形態(tài)最嚴(yán)重的的僅是邊緣破裂，由此可見(jiàn)0.25MPa氣壓的沖擊對(duì)試件的結(jié)構(gòu)破壞并不嚴(yán)重，材料自身的抗力、粘結(jié)力、黏聚力和摩阻力足以抵抗較低荷載的沖擊。隨著氣壓增大，較高的應(yīng)變速率作用在試件上，其自身抗力、粘結(jié)力、黏聚力和摩阻力不足以抵抗荷載的沖擊，最終出現(xiàn)破碎形態(tài)，甚至出現(xiàn)骨料破壞的粉碎形態(tài)。

從各個(gè)試件的破壞形態(tài)來(lái)看，空隙率27%的試件總體表現(xiàn)較好，在0.25MPa氣壓沖擊下的所有試塊全部完好，在0.4MPa氣壓沖擊下的試件僅有一塊破壞形態(tài)接近粉碎，其余兩塊僅達(dá)到破碎形態(tài)。單從破壞形態(tài)來(lái)看，空隙率為27%的材料在抗沖擊性能上要優(yōu)于其他四個(gè)空隙率的材料。

結(jié)論

①通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較，各空隙率下的半柔性道面材料的峰值應(yīng)力隨著氣壓的增加而增大。較低氣壓沖擊作用下(0.25MPa和0.3MPa)，空隙率為25%的半柔性道面材料峰值應(yīng)力最大，其后的空隙率依次為27%、30%、23%、20%。在較高氣壓沖擊作用下(0.35MPa和0.4MPa)，峰值應(yīng)力最大的一組變?yōu)榱丝障堵蕿?7%的一組，其后的空隙率依次為25%、30%、23%、20%。空隙率25%的半柔性道面材料在較低應(yīng)變速率作用時(shí)，由于材料內(nèi)部碎石充分嵌擠，摩阻力和瀝青的黏聚力抵抗沖擊的作用大于水泥的凝聚力，因此峰值應(yīng)力大于空隙率27%的半柔性道面材料。當(dāng)較高應(yīng)變速率作用時(shí)，水泥凝聚力起主導(dǎo)作用，因而此時(shí)空隙率為27%的材料峰值應(yīng)力更大。

②不同的應(yīng)變率條件下，試件內(nèi)部裂縫發(fā)展的路徑并不相同，應(yīng)變率較大時(shí)，試件內(nèi)部的細(xì)微裂縫不能及時(shí)在試件內(nèi)部擴(kuò)展，導(dǎo)致了試件中的骨料破壞，且應(yīng)變率越高，骨料破壞越多。這也是材料峰值應(yīng)力隨應(yīng)變速率增大而增大的原因。

③半柔性道面材料動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)隨著氣壓的增大而不斷變大，最大達(dá)到1.43(空隙率為27%的一組)。但相同氣壓下，半柔性道面材料的動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)與空隙率沒(méi)有明顯的關(guān)系。

④從破壞形態(tài)來(lái)看，空隙率為27%的試塊較其他4個(gè)空隙率的試件要好。綜合來(lái)看，空隙率為27%的半柔性道面材料抗沖擊性能優(yōu)于其余4個(gè)空隙率的材料。

總結(jié)

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