文章來源：微信公眾號"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合道面材料，在兼具了兩種材料優(yōu)勢的同時避開了它們的缺陷。半柔性道面不存在裂縫，而且受溫度影響遠遠小于瀝青道面，道面性能優(yōu)異，因而在國內(nèi)高等級公路上得到了廣泛應用。對半柔性道面路用性能方面的研究較多，周啟偉通過馬歇爾穩(wěn)定度試驗和車轍試驗對灌入式保水性瀝青混凝土的抗車轍性能進行了研究。鄧成等人發(fā)現(xiàn)，將超早強半柔性路面材料應用在市政道路交叉路口后，可以比較徹底地解決其車轍問題。陽晏等人主要研究了基體瀝青混合料孔結(jié)構(gòu)對半柔性路面材料路用性能的影響。王偉明等人通過試驗評價了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)定性和較強的抗疲勞能力。吳曠懷等人則對自主研發(fā)的冷拌半柔性材料進行了相關(guān)試驗，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用在飛機跑道上的示例和研究，還并不多見。徐貴等人運用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雜起落架的大型飛機多輪荷載下的力學響應規(guī)律。丁潤澤等人在對半柔性材料的力學特性及表層適用性進行試驗的基礎(chǔ)上，論述了采用半柔性材料進行機場瀝青罩面的設(shè)計方法。周少樂等人進行了飛機荷載下半柔性道面的疲勞試驗，運用有限元方法，提出了機場瀝青道面加鋪半柔性材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。綜合研讀文獻后發(fā)現(xiàn)，半柔性材料在機場道面上的運用具有一定的可行性，但針對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，運用SHPB等試驗儀器，對空隙率為20%、23%、25%、27%和30%的灌注式半柔性道面材料的抗沖擊性能進行了試驗研究，為半柔性道面材料在飛機跑道上的進一步設(shè)計和運用提供了一定的理論依據(jù)。

試驗概況

本文設(shè)計對空隙率為20%、23%、25%、27%和30%的半柔性道面材料進行靜態(tài)抗壓試驗和SHPB試驗。

靜態(tài)抗壓試驗

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座上面，同時以2mm/min的速度垂直于試件加載，直到整個試件完全破壞，再讀取荷載的最大值，精確到100N。試驗時，每個試件必須放在中心位置，以免偏載影響試驗結(jié)果。

SHPB試驗

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。實驗前，檢查SHPB各試驗系統(tǒng)是否正常，試打結(jié)束后，將測速計時儀清零，再對空隙率為20%、23%、25%、27%和30%共5種半柔性道面材料的試件分別進行氣壓為0.25、0.3、0.35，0.4MPa的動態(tài)力學性能測試，實驗結(jié)束后用DHDAS軟件將信號做濾波處理，消除干擾信號。

試驗結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

試驗結(jié)果

通過運用DHDAS系統(tǒng)對試驗數(shù)據(jù)進行濾波以及Matlab軟件進行整理后得到了試驗數(shù)據(jù)。因數(shù)據(jù)量巨大，只列出各試件3次試驗的平均值。可以看出:在相同氣壓沖擊下，不同空隙率的半柔性道面材料平均應變率相差較小。

空隙率對半柔性道面材料動態(tài)力學性能的影響

首先，通過對各個空隙率半柔性道面材料的峰值應力進行比較后發(fā)現(xiàn)，0.25MPa和0.3MPa兩種氣壓條件下，峰值應力均有C＞D＞E＞B＞A，說明試驗中空隙率為25%的半柔性道面材料動態(tài)抗壓強度增強效果最為明顯，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力分別提高了22.95%、20.87%、6.04%、1.79%;0.3MPa條件下，峰值應力分別提高34.92%、17.25%、14.41%、11.56%。而在0.35MPa和0.4MPa兩種氣壓條件下時，各空隙率半柔性道面材料的峰值應力有D＞C＞E＞B＞A，空隙率為27%的半柔性道面材料動態(tài)抗壓強度超過了空隙率為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條件下的峰值應力分別提高了23.41%、17.84%、6.43%、4.85%;0.4Mpa條件下，峰值應力分別提高了35.56%、28.18%、24.02%、4.98%。

從SHPB試驗結(jié)果來看，空隙率為20%和23%的半柔性道面材料峰值應力一直是最小的兩個，主要是由于母體瀝青混合料空隙率較小，在進行灌注砂漿的時候并不能夠達到完全灌注，導致材料內(nèi)部有空隙(在進行鉆孔取芯時已經(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碎石與細砂的摻和比已達到96%，其中5～10mm碎石達到了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，但是對材料的抗沖擊能力提高有限。但是相對于空隙率20%及23%的半柔性道面材料，空隙率30%時的骨料級配較大，因此抗沖擊性能相對于兩者都較好。空隙率為25%及27%的半柔性道面材料分別在較低應變速率(氣壓值為0.25MPa和0.3MPa)和較高應變速率(氣壓值為0.35MPa和0.4MPa)的作用下峰值應力最大。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，同時這兩個空隙率條件下的碎石級配也適中，所以二者抗沖擊性能相比于其他3個空隙率較好。空隙率25%的半柔性道面材料在較低應變速率作用時，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，因此峰值應力大于空隙率27%的半柔性道面材料。當較高應變速率作用時，水泥凝聚力起主導作用，因而此種條件下空隙率為27%的材料峰值應力大。

同一空隙率下，半柔性道面材料峰值應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態(tài)抗壓強度的增長速率減緩。這主要是由于材料本身的性質(zhì)，在材料制作和養(yǎng)護的過程中材料內(nèi)部會產(chǎn)生微裂縫和氣孔，當較低應變速率作用在試件上時，材料內(nèi)部的裂縫不斷發(fā)展，裂縫連通的路徑選擇在當前應變率條件下最薄弱的環(huán)節(jié)上發(fā)展。隨著氣壓的增大，作用在試件上的應變率也增大，當較高的應變速率作用在試件上時，裂縫的發(fā)展不再沿著原有發(fā)展路徑進行，而是選擇在此時較高應變率條件下試件的最薄弱環(huán)節(jié)上進行。當應變速率變大時，試件破壞時內(nèi)部的細微裂縫不能及時在試件內(nèi)部擴展，因而導致材料中的骨料破壞。應變速率越高，材料內(nèi)部骨料破壞的越多，這也是材料峰值應力隨應變速率增大而增大的原因。

空隙率與動力增長系數(shù)的關(guān)系

發(fā)現(xiàn)各個空隙率下的半柔性道面材料的動力增長系數(shù)都隨著氣壓的增大而增加，動力增長系數(shù)最大達到了1.43。在同一氣壓之下，5個不同空隙率大小的半柔性道面材料動力增長系數(shù)相差不大，這說明此時半柔性道面材料的抗沖擊性能和空隙率的變化并沒有明顯的關(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的韌性，抵抗沖擊的能力更強。

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，五組試件破壞形態(tài)最嚴重的的僅是邊緣破裂，由此可見0.25MPa氣壓的沖擊對試件的結(jié)構(gòu)破壞并不嚴重，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)。

從各個試件的破壞形態(tài)來看，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，其余兩塊僅達到破碎形態(tài)。單從破壞形態(tài)來看，空隙率為27%的材料在抗沖擊性能上要優(yōu)于其他四個空隙率的材料。

結(jié)論

①通過對試驗結(jié)果進行分析比較，各空隙率下的半柔性道面材料的峰值應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變速率作用時，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，因此峰值應力大于空隙率27%的半柔性道面材料。當較高應變速率作用時，水泥凝聚力起主導作用，因而此時空隙率為27%的材料峰值應力更大。

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

③半柔性道面材料動力增長系數(shù)隨著氣壓的增大而不斷變大，最大達到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力增長系數(shù)與空隙率沒有明顯的關(guān)系。

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

總結(jié)

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