文摘

沥青路面开裂主要是由于沥青混凝土的混合断裂。确定一个简单的、可重复的、精确的方法是必要的评价沥青混凝土的断裂阻力。探讨沥青混凝土的混合断裂性能,确定不同的半圆弯管方法的可行性,沥青混凝土的混合断裂表现在中、低温度测量。混合断裂模式是实现通过改变支持和切口的位置或切口角的变化。之后,裂纹传播特征,分析了裂纹开裂角和断裂韧性。结果表明,温度对断裂路径产生重大影响,低温和裂纹开裂角遵循广义最大切向应力(格林尼治时间)理论。测量的断裂韧性比率低于理论值的格林尼治时间标准,但建立经验模型具有较高的精度。在半圆的弯曲方法,改变支持和切口的位置是稳定的和可重复的。因此,这种方法可能更喜欢评价沥青混凝土的混合断裂性能。

1。介绍

主要关心的沥青路面,裂缝严重影响路面的使用寿命。准确地评估和改善沥青混凝土的抗裂性能的一个重要主题,以减少路面开裂[1]。基于断裂力学理论,沥青混凝土的开裂分为纯拉伸断裂(模式),纯剪切破坏(模式二世)和混合断裂(2]。

在1980年代,庄和Kuruppu3]用半圆形的弯曲试验探索岩石的断裂韧性首次在混合模式下,提供了一种新方法研究的混合断裂性质的材料。半圆形的梁进行弯曲试验是稳定的。半圆形的弯曲方法不仅可用于确定沥青混凝土的断裂和疲劳特性(4- - - - - -6]也评价沥青的低温断裂阻力的核心建筑工地(7]。这种方法的良好适用性使它迅速推广道路工程研究。为了测量沥青混凝土的混合断裂韧性,混合断裂模式通常是通过调整支持和切口的位置或切口的角度8- - - - - -10]。的断裂特征样本通过切口的位置移动和支持是在良好的协议与理论价值11- - - - - -13]。

然而,譬如和Primohammad [14)发现,改变切口角很容易导致过早失效的位置在锐角,和裂纹扩展路径与理论不一致的结果只有改变立场的支持,并在模式二世这一现象更加突出。可以看出,尽管半圆的弯曲试验有很好的应用前景的分析沥青混凝土的断裂性能,不同方法的可行性并不是一致的。因此,这个工作在不同的半圆弯方法进行实验测试。不同的半圆弯管方法的适用性和准确性进行比较,以明确各种方法的适用性沥青材料。它将提供一个参考的综合评价沥青混凝土混合断裂性能。

2。材料和方法

2.1。材料

沥青渗透70级,这叫做ah - 70 #,和玄武岩骨料沥青混合料做准备,和他们的属性表中列出1和2。填料是石灰粉。分级AC-13,建议由中国技术规范JTG d50 - 2017,采用本文和级配曲线如图1。根据马歇尔试验、最佳沥青含量是4.6%,混合的表观密度是2.43克/厘米³,沥青混合料的孔隙率是3.62%。马歇尔试件直径152.4毫米和95.3毫米的高度是由马歇尔方法,然后马歇尔标本切四个半圆的标本大约45毫米的厚度使用根据郭等人的作品。15]。

2.2。半圆形的弯曲试验

为了实现沥青混凝土的混合断裂,设计不同的断裂模式通过调整位置,切口角,和支持。在断裂力学领域,混合模式参数米^e(0≤米^e≤1)通常被用来描述不同的断裂模式:米^e= 1,它是纯模式我骨折;米^e=0,这是纯模式II断裂,米^e获得使用以下公式。

在方程(1),K_我是我裂缝的应力强度因子模式,MPa·m^0.5,K_二世模式二世断裂的应力强度因子,MPa·m^0.5。K_我和K_二世使用以下公式计算:

在方程(2),P峰值负载;R标本的半径;t试样的厚度;一个切口长度;和Y_我和Y_二世几何参数,只能由相关的大小和有限元方法。基于现有的研究成果(13),本文使用平面应力模型来确定Y_我和Y_二世。模型设置为1毫米的厚度,半圆的半径模型是76毫米,切口的长度是20毫米,有限元分析的弹性模量是2000 Mpa。的基础上研究[12,14),泊松比的影响不大,因此本文使用泊松比为0.35的有限元分析。负载设置为1 n。经过有限元分析,确定不同模式的几何参数和列在表3。考虑混合模式断裂的不同测试方法,本文选择10个典型的条件。

切口的位置确定后,钻石切割机器被用于制造2毫米的切口的宽度。在测试之前,半圆的标本保存在一个室−10°C和20°C以上24小时保持标本的温度稳定。之后,进行了弯曲试验在5分钟使用电子万能试验机没有环境箱。根据推荐的中国规范JTG e20 - 2011, 1毫米/分钟的加载速率通常是用于低温测试、加载速率是1毫米/分钟,和支持辊的直径25毫米。工业相机是用来捕获的照片样品表面实时分析裂纹扩展特征。测试过程如图2。

2.3。格林尼治时间标准

准确预测使用断裂的材料断裂性能测试结果,最大拉应力(MTS)标准通常被用来预测混合断裂参数,但这个理论并不考虑的影响T在切口尖端应力,有时可能导致大量错误(16]。考虑到T压力,MTS标准发展到广义切向拉应力(格林尼治时间)标准,广泛用于分析的混合断裂属性(17]。T压力可以表示如下: 在哪里归一化形式的吗T压力和可以与有限元分析获得表列出了不同的断裂模式2。格林尼治时间标准表明,裂纹发生在该地区,可控制的临界半径r_c切口尖端,裂纹垂直于传播方向的最大切向应力的方向。当裂纹长度超过临界半径r_c进一步,裂纹开始扩展。根据现有的结果(18),临界半径r_c随温度变化。的值是0.0084米和0.0056米−10°C和20°C,分别。切向应力在切口尖端可以计算使用方程(4)。

在方程(4),r切口尖端扩展半径;切口尖端扩展角;和高阶项,可以忽略。根据格林尼治时间标准,可以确定当裂纹开裂角 ,也就是说,

用(2)和(3)方程(5),裂纹开裂角可以通过使用以下方程:

格林尼治时间标准显示,当应力达到临界值时,裂纹开始传播的方向 。根据(4),临界应力可以表示如下:

模式我骨折,可以表示为

时的临界应力强度因子模式I等于断裂韧度,也就是说, ,在同一时间 和 。因此,断裂韧性的方式我也可以表示如下:

一般来说,我材料断裂韧性的模式是经常在实验测量。应力强度因子与断裂韧性的比率( , )通常是为了利用分析评估材料的混合断裂性质。(转换后的9),我们可以得到(10)和(11)。

一旦K_集成电路通过实验,确定应力强度因子K_我,K_二世和任何的裂纹开裂角混合模式将取决于使用格林尼治时间理论。

3所示。结果与讨论

3.1。裂纹扩展特征

一个工业相机是用来装载过程中的实时拍照,然后分析不同模式的裂纹扩展特性。裂纹扩展特征在黄线标记,如表所示4。

的基础上的裂纹扩展特征典型的标本中列出的表4,可以看出裂纹发展在20°C显示了一个分散分布由于粗骨料的影响在相同加载模式,和粗骨料的影响并不明显−10°C。集中和扩大的裂痕都分布在低温主要裂缝的方向。,粗骨料有重大影响在中等温度下的断裂路径。

混合模式的情况下米^e= 0.7(6 #)条件,改变切口角可以实现沥青混凝土的混合断裂,这是符合实验预期设计的。的情况下米^e= 0.5,裂纹萌生位置的条件2 #、7 #、8 #附近发生的支持,偏离设计断裂的期望。它只证明移动支持的位置或者改变切口角不能确保裂纹萌生首先发生在切口尖端。虽然造成的应力集中辊支持不容忽视,譬如和Primohammad14]表明,即使支持辊的直径调整,生成的条件2 #的骨折仍然支持的位置,一个可能的方法是设置钢垫圈的支持(19]。同步的方法,只有改变切口位置或调整支持和切口的位置(即。,4# and 9#) can effectively prevent the fracture in the vicinity of the support, which can achieve the designed experimental expectation. Therefore, these two methods have better feasibility for investigating the mixed fracture performance of asphalt concrete.

此外,它还可以观察到从条件7 #,很难保证加工质量的标本时通过改变切口角跨度是100毫米。不能保证每个标本都能成功做好准备。如果跨度缩短8 #)(如条件,支持位置附近的裂缝还第一次生成在加载过程中即使切口角度和标本的质量可以得到保证。因此,当米^e大拉应力高的比例,改变切口角度是可行的。应该注意的是,改变的可行性切口角时是不够的米^e小于0.5。

纯模式II的断裂特征3 #,5 #、10 #,改变位置和切口角引起的支持支持,附近的裂纹萌生和裂纹萌生的方向几乎是沿着混合断裂路径。可以推断,应力集中明显,和压力传输路径附近的切口被切口接近时的支持,从而导致裂纹萌生的支持。所以,附近有一个损坏的风险支持纯剪切破坏模式在半圆的弯曲试验。

3.2。裂纹开裂角的比较分析

为了准确地预测沥青混凝土的断裂路径,裂纹开裂角是由使用(6)基于格林尼治时间理论和理论之间的差异的角度来衡量一个进行了分析。从标本处理,消除错误的结果,其余9条件除了7 #选择比较,如图3。图中的负角3意味着逆时针旋转方向。

如图3(一个),测量裂缝起始角通过改变切口角的格林尼治时间几乎与理论值一致介质温度,但角度的离散性很大,标准差是大约10°。裂缝起始角度测量通过其他手段都比格林尼治时间的理论价值。当米^e低于0.5,裂缝起始角的增长变得缓慢。虽然测量角度都比理论上的低,他们的变化趋势是相似的。可以推断,格林尼治时间标准无法准确预测沥青混凝土的断裂路径在介质温度。

从图可以看出3 (b)时,拉伸作用占主要比例米^e高于0.5,这四个弯曲的测量裂缝起始角度意味着几乎一致的理论结果gmt−10°C。随着剪切作用的增加,裂缝起始角逐渐偏离理论值的格林尼治时间米^e小于0.5。此外,测量角度通过改变支持和切口的位置是格林尼治时间的最接近理论值。对于纯剪切模式,测量角度和理论之间的偏差值是最大的通过改变位置或切口位置的支持。基于角度在中、低的温度下,它是证明温度显著影响沥青混凝土的断裂路径。格林尼治时间标准适用于描述沥青混凝土的低温断裂性能。在中等温度下,一个大的错误会产生一个预测断裂路径使用格林尼治时间标准。

3.3。断裂韧性比进行比较分析

从上面的分析可以看出,缺口接近的支持,导致该地区附近的支持,裂纹首先在纯剪切断口试验。越大米^e是,较低的测量和理论之间的差异值吗。幸运的是,关键的断裂韧性K_集成电路模式我很容易测量的断裂韧性K_IIC为纯剪切模式II可以使用混合断裂准则估计,已广泛应用于断裂力学领域。因此,本文根据格林尼治时间标准的适用性K_我/K_集成电路和K_二世/K_{集成电路。}根据结果如表所示2,确定裂缝起始角和替换(10)和(11)获得的理论价值K_我/K_集成电路和K_二世/K_{集成电路,}应力强度因子与断裂韧性的比率。实验K_我/K_集成电路和K_二世/K_集成电路可以计算通过使用(2)。这些比率图所示4。

从图可以看出4的测量K_二世/ K_集成电路在中、低温度都低于理论值,和测量K_二世/ K_集成电路是关于0.3低于理论值。这可能是由于实验的影响控制精度和粗骨料在沥青混凝土(20.- - - - - -23]。临界剪切断裂韧性K_IIC会高估时使用格林尼治时间估计准则和临界断裂韧性K_集成电路模式i的经验模型建立在图4与实验值有很好的相关性,这经验模型有效地减小了预测误差。为了验证本文实证模型的有效性,从现有文献的实验数据也在这部分,收集他们的结果和图所示5。

从图可以看出5使用实证模型,预测率更接近实验数据比使用格林尼治时间标准,和经验模型的预测偏差小于格林尼治时间。也可以看到,本文建立的经验模型为不同的混合物具有良好的通用性。

3.4。不同方法的可行性

从之前的分析,可以确定不同的测试方法有显著影响沥青混凝土的低温断裂性能。考虑的困难准备过程和测试结果的离散性,本文选择这四个方法全面评价,如表所示5。

从表可以看出5不同的方法有自己的优点和缺点。除了只支持移动的方法,其他三种方法可以确保沿切口尖端裂纹传播。尽管切口的位置不变,标本的处理是有益的,但它仍然无法避免断裂附近的支持,尤其严重的纯剪切破坏模式。改变切口角度可以实现沿切口尖端裂纹扩展。为半圆形的标本,很难实现纯剪切模式通过改变切口角由于切口的大小的限制。然而,改变支持位置和切口的位置对沥青混合料具有良好的可重复性,可以确保沿切口尖端裂纹生成和传播。也可以确定裂缝附近的支持很容易导致失败的纯剪切断口试验由于处理的局限性,很难控制纯剪切断口试验。

4所示。结论

(1)温度和断裂模式有显著影响沥青混凝土的裂纹扩展路径。在介质温度,裂纹萌生和传播路径是粗骨料的影响,而沥青混凝土低温弹性断裂主要展品,和粗骨料对断裂路径没有影响。对于纯剪切模式,沥青混凝土是倾向于第一次断裂附近的支持。(2)除了改变切口角的方法,从其他方法获得裂纹开裂角是完全不同于格林尼治时间在介质温度的理论价值。裂纹萌生的半圆形低温弯曲方法密切相关,和这种差异更加突出在模式二世断裂。断裂韧度的测量比格林尼治时间低于理论值,但实证模型可以准确描述断裂韧性比之间的关系。(3)这项工作为选定的弯曲方法,改变同步支持和切口的位置是稳定的和可重复的;该方法建议推广和应用于混合材料的断裂行为在未来,但要注意控制的定位精度等级(21- - - - - -23]。

数据可用性

从几个实验获得的所有数据都包含在本文。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者表达他们的感谢中国国家自然科学基金(批准号下51508150)和中央指导地方广西自治区科学技术发展基金(批准号:ZY21195043)为他们的财政支持。