一种新的基层材料特性测试方法.doc

一种新的基层材料特性测试方法 N H Thom1 A Cooper2 P Grafton2 C Walker2 H Wen2 R Sha3 1 University of Nottingham Nottingham NG7 2RD UK nicholas thom nottingham ac uk 2 Cooper Research Technology Unit 1 Albert Court Peasehill Road Ripley Derbyshire DE5 3AQ UK andrew cooper cooper co uk 3 University College London London WC1E 6BT UK rui sha 09 ucl ac uk 摘要 目前沥青混凝土学科研究已经非常先进 已建立了在合理的置信度下性能相关的规范指 标 不过 对于基层或者底基层材料 无论是粒料 冷拌沥青还是液力粘结材料的研究 还 达不到这样的水平 本文讨论路面分析设计所需的基层材料参数 以及它们当前的测量和评 估方法 使用在诺丁汉大学研究的性能预测方法 给出了基层材料特性对路面寿命影响的示 例 通过讨论合理的现场应力条件 引出名为 约束压缩试验 的测试方法 即 精密非粘 结材料分析仪 PUMA 在此做详细介绍 这是一种相当实用的实验 既适用于非粘结材料 又适用于轻度粘结材料 它由诺丁汉大学和 cooper 公司共同研发 分析实验中测定的典型 结果 提出一种考虑了侧壁和加载板摩擦力影响的合理的测试方法 得出的结论指出 本测 试提供了一种选择和控制基层和底基层材料的有用工具 提高预测路面寿命的可靠性 该测 试也适用于抵抗永久变形能力的研究 关键词 非粘结材料 实验室试验 规范 劲度模量 路面设计 1 简介 目前路面设计在不同的国家有很多种类不同的方法 有些方法纯粹是基于经验 有些方 法包括了路面结构的分析 然而 基于经验的设计方法明确要求交通量和所使用的建筑材料 与以往的实例不能有明显的差异 在全世界范围内迅速增长的交通和材料的发展意味着对路 S XX YY 2 面结构分析的需求增加 通常采用多层线性弹性分析 为此需要估计路面各层的劲度模量 也要求使用方程描述路面破坏的累积与计算应力和 或应变 以及使用材料的特性数据之间 的关系 在过去的三十年里 对沥青材料的特性描述 详细说明和实验都取得了很大的进展 诸 如简单剪切试验 间接拉伸劲度模量试验 四点弯曲疲劳试验和车辙试验在材料研究 材料 优选和常规试验中应用 尤其是劲度模量 已被深入理解 而且有常规的测试方法 有时还 有相关材料的规范数据 疲劳和永久变形也是经常被评估指标 对于水泥稳定类材料 通常 测定强度 包括压缩和弯曲强度 所有这些特性直接与路面分析和路面性能预测相关 比较这些基本的和性能直接相关的特性 有关非粘结材料一个经常被测定的量就是 CBR 值 加州承载比 这个量值不能可靠地转换为劲度模量 1 这明显限制了路面设计中力 学或分析方法的使用 实际上 劲度模量的确定要基于经验做出假设 本文的目的就是要评 估在路面分析设计中用到的非粘结材料的特性 测定方法 评估对路面寿命的影响 非粘结 材料是本文的关注点 但很多结论同样适用于轻度粘结基层 如 冷拌沥青 以及底基层和 底基层材料 2 基层劲度的影响基层劲度的影响 在常规分析设计中 沥青层的寿命通常直接与加载时沥青底部的最大拉伸应变相关 Thom 2 提出断裂扩展速率与在裂缝端部的拉伸应变相关 断裂扩展可以发生在底面和顶面 无论使用何种方法 与应变的关系必须要以试验室测试数据和现场性能评估为基础 为了说 明沥青层下方基层劲度的重要性 这里基层劲度模量待定 使用 2 中提出的技术分析两个 路面示例 一个有相对薄的沥青层 140mm 另一个沥青层较厚 240mm 表 1 给出 了路面的细节 表 1 用于路面寿命预测的路面结构 示例示例 1示例示例 2层层 厚度厚度 mm 模量模量 MPa 厚度厚度 mm 模量模量 MPa 磨耗层 沥青层 基层 基层 底基层 路基 40 100 200 200 2500 5000 可变 150 75 40 200 200 200 2500 5000 可变 150 75 S XX YY 3 基层劲度模量变化范围 150 2000MPa 涵盖非粘结集料到乳化沥青 发泡沥青或液力粘结 材料等稳定基层 在 100kN 轴载 胎压 700kPa 轮迹标准偏差 0 15m 作用下的寿命 百万 轴载 msa 如图 1 所示 沥青材料表现出典型的疲劳特性 0 01 0 1 1 10 100 0500100015002000 Pavement Fatigue Life msa Base Stiffness Modulus MPa Case 1 thin asphalt Case 2 thick asphalt 图 1 基层模量对预测疲劳寿命的影响 图 1 的要点是基层模量对路面性能有显著影响 没有基层模量测量指标 任何路面寿命 的预测极不可靠 3 基层模量的测量基层模量的测量 这里考虑的材料包括非粘结碎石或天然砾石以及轻度粘结材料如乳化沥青 发泡沥青或 液力粘结材料等 所有这些材料都面临模量测量问题 非粘结材料模量可以使用三轴装置测 量 但测得的模量与施加的应力条件高度相关 而三轴应力条件与路面实际又有很大的差异 此外 模量可以通过 CBR 估算 3 但实际上两个测量完全没有关系 估算可能存在很大的 误差 乳化或发泡沥青稳定材料在完全固化后可以用与热拌沥青混合料相同的方法测量 如 间接拉伸劲度模量测试 不过 实验室加速固化过程通常意味着要完全干燥试样 这样失 去现场路面的代表性 这些材料实际上是半粘结材料 它们的颗粒一部分为非粘结结合 类 似于非粘结材料 模量具有应力相关性 例如 与间接拉伸劲度模量比较三轴测试通常获得 不同的模量 4 类似地 轻度水泥粘结稳定基层也被视为半粘结材料 它们表现出类似特 性 3 1 合理的应力条件合理的应力条件 所有这类材料实际的模量测试主要要求就是要构建代表现场路面的应力条件 这就需要 有三维约束 而在间接拉伸劲度模量测试中明显不具备这样的约束条件 约束条件的估计 可通过多层线弹性分析导出 表 1 介绍的两个示例 假定沥青和基层之间为零粘结 在基层 中间深度位置 由 100kN 轴载 50kN 轮载 产生的计算应力如图 2 所示 S XX YY 4 0 50 100 150 200 250 300 0500100015002000 Compressive stress kPa Base Stiffness Modulus MPa Case 1 vertical stress Case 1 horizontal stress Case 2 vertical stress Case 2 horizontal stress 图 2 预测交通在基层中间深度位置产生的应力 不过 这并不是问题的全部 一旦加载消失 在基层内也会有残留水平应力 这是需要 进一步讨论的课题 最新示例见 5 其数值测量非常困难 不过 可以做逻辑推算 残留水 平应力应该明显高于垂直应力 两者的比率与材料的摩擦角相关 例如 对摩擦角为 55 的 碎石 破坏应力比大约是 10 即 5kPa 的上方覆层应力 如 在 240mm 深度位置 可以支 撑的残留水平应力达 50kN 在路面中的实际值由于主应力方向的分布效应可能会有相当的 减少 但可能仍然有几十千帕 kPa 得出的材料的水平初始模量高于垂直初始模量 如 此将影响加载条件下的水平应力值 第一个近似 假设水平应力从残留应力增加到交通荷载 下的预测值 而垂直应力从上方覆层应力增加到覆层应力加交通荷载之和 例如 如果残 留水平应力是上方覆层应力的四倍 图 2 示例中基层为 300MPa 实际的应力如下 示例 1 薄沥青 垂直应力 5 143kPa 水平应力 20 63kPa 示例 2 厚沥青 垂直应力 7 60kPa 水平应力 28 31kPa 3 2 与应力相关的模量与应力相关的模量 如上所述 非粘结 或部分粘结 材料的模量与约束它的应力条件极其相关 Thom 6 是基于三轴和空心圆柱测试提出弹性应变 更准确讲是 回弹应变 是施加应力条件的函 数这一模型的学者之一 例如 对压实石灰岩碎石应用他提出的方程 上面提到的两个路面 示例的预测模量分别为 187MPa 示例 1 和 125MPa 示例 2 这些数值与根据作者的经验通过 FWD 反算结果紧密相关 也与路面设计中所做的假定 一致 如 英国高速公路局通常假定底基层碎石的模量为 150MPa 3 不过 这些数值与三 轴测试预期值相关性差 如 对于同样的石灰石碎石在围压为 20kPa 重复加载应力为 0 100kPa 的三轴加载试验所预测的模量是 326MPa 对于任何类似的三轴应力条件 预期模量 几乎不可能超出 250MPa 500MPa 的范围 与使用动态板对路层的直接测试结果的相关性也 不佳 在英国 路基 包括底基层预期为 150MPa 的设计模量 使用动态板测试获得模量只 有 80MPa 7 这几点是为了强调在实际模量测量中应力条件的重要性 非粘结材料理想的模量测试必 须包含水平约束 约束应力最好是随加载增加而增加 被称为 约束压缩 测试的这些测试 包含完全的水平应力控制 也可以更加简化 因而测试更快速且廉价 使用弹簧加载侧壁 从路面环境材料的反作用产生非刚性约束 至少研究了三个这样的测试 8 9 本文余下部分 描述其中的一个测试 解释测试数据的使用 S XX YY 5 3 3 精密非粘结材料分析仪精密非粘结材料分析仪 PUMA 装置如图 3 所示 测试试样 150mm 直径 150mm 高 被约束在 8 片带弧线的侧壁板内 试样在要求的含水量条件下使用标准装置压实 如 振动击实仪 然后放置到圆形压板的顶 面 侧壁由内衬橡胶的钢带套住 橡胶为加载时侧壁可能产生的运动提供空间 仿真现场周 围材料施加的弹性 重复的垂直加载将使残留水平应力累积 典型的累积应力在 10 50kPa 之间 这又与现场条件类似 图 3 精密的非粘结材料分析仪 PUMA 测量数值获取 a 荷载传感器测量垂直荷载 b 顶部表面的垂直变形由 LVDT 测量 可 选择通过顶部顶压板孔中插入 LVDT c 约束钢带的水平应变由应变计测量 测得的应变 值直接与钢带的应力成比例 也就是试样的水平应力 由于已知橡胶内衬压缩特性 也可获 得成比例的试样的水平应变 这样 只要控制垂直应力 垂直水平应力和应变在测试过程中 均可以监控 3 4 测试条件分析测试条件分析 为了从这个简单的测试获取最多的信息 试样加载分为四个阶段 每个阶段加载 1000 次 使用四个不同的垂直应力水平 最高约 250kPa 初始预加载 5kPa 由于不控制水平应力 其数值根据被测材料有所不同 也需要注意垂直应力控制与加载系统相关 荷载数值大小非 关键因素 精确的测量才是重点 图 4 演示一个典型的测试过程中应力的测量 测量对象为 天然砾石 S XX YY 6 0 50 100 150 200 250 01000200030004000 Stress during test kPa Number of load applications Vertical stress min Vertical stress max Horizontal stress min Horizontal stress max 图 4 典型的 PUMA 测试中应力测量 根据第一个近似假定 侧壁和试样间的摩擦可以忽略 测量的应力和应变可以直接转换 为劲度模量和泊松比 将材料视为线弹性固体 这是规范 EN 13286 7 10 方法 用于解释三 轴测试数据 与图 4 所示的砾石材料应力相对应的结果数值显示在图 5 中 一组预测天然砾 石的来源于文献 6 从三轴和空心圆柱测试导出的方程被同时列出 清楚的测量与上述预测结果有合理的符合性 因而具备了大致的正确性 然而 忽略侧 壁和试样之间的摩擦明显是不精确的 此外 还有试样与上下压板之间的摩擦 在 PUMA 装置研发过程中假定通过直接测量假定摩擦系数大约为 0 5 这样将导致垂直荷载传导到侧 壁 下压板的应力减少 类似地 压板的摩擦将导致不是所有的试样的内部水平应力均能达 到侧壁 而被监测到 考虑这个问题方法在下节讨论 0 50 100 150 200 250 300 01000200030004000 Modulus MPa v x 100 Number of load applications Siffness modulus test Stiffness modulus prediction Poisson s ratio v test Poisson s ratio v prediction Figure 5 Stiffness modulus and Poisson s ratio no correction for friction 3 5 摩擦效应的修正摩擦效应的修正 在上压板的垂直应力近似等于荷载传感器的测量值 下压板的垂直应力由于侧壁摩擦而 减少 与作用于侧壁的水平应力 h 相关 即 未调整测量水平应力 摩擦系数 相应的侧壁 面积 2 rh 和压板面积 r2 计算如下 顶板 v v measured 底板 vmax vmax measured hmax 2 rh r2 S XX YY 7 vmin vmin measured hmin 2 rh r2 v average v measured 0 5 hmax hmin 2 rh r2 不过 这里假定侧壁受到垂直约束 而在 PUMA 加载周期 它们是可以自由上下移动的 这样将导致试样内的垂直应力减少 在高度方向中间位置 应力值最低 而底部应力 近似 等于顶部应力 因而校正值减半 最终的方程修改为 v average v measured 0 25 hmax hmin 2 rh r2 压板的摩擦校正由于几何结构原因要稍微复杂些 但原理类似 在外侧 h h measured 在中心 hmax hmax measured vmax 2 r2 2 rh fgeometry hmin hmin measured vmin 2 r2 2 rh fgeometry h weighted average h measured fgeometry vmax vmin 2 r2 2 rh 这里 fgeometry 考虑了距试样中心不同半径的合理权重 通过面积比 x2 r2 乘校正应力比 r2 x2 r2积分获得 所有需除以 r 计算如下 x2 r2 x2 r4 dr r r 3 r 5 r 2 15 h weighted average h measured 2 15 vmax vmin 2 r2 2 rh 对于图 4 和 5 所示的测试数据 适用于不同加载应力的校正偏差如图 6 所示 画出其最 大值减最小值 0 50 100 150 200 250 01000200030004000 Stress during test kPa Number of load applications Vertical stress measured Vertical stress corrected Horizontal stress measured Horizontal stress corrected 图 6 摩擦校正后的应力条件 最大值减最小值 用校正后的应力 劲度模量和泊松比现在可以重新计算 使用出自文献 6 的前面用于砾 石计算相同的公式 计算新的一组预测值如图 7 所示 必须承认 预测计算使用的方程从不同的砾石集料导出 不过 测量和预测之间的吻合 说明这里提出的摩擦校正是合理的 测试也是有效的 S XX YY 8 4 在路面设计中的应用在路面设计中的应用 4 1 劲度模量劲度模量 在 PUMA 测试中对试样施加的应力条件性质上与 3 1 节施加于路面基层的应力条件类似 在上述测试示例中 取四个加载阶段中每个阶段施加的最终荷载 经过摩擦校正后的应力如 表 1 所示 在 3 1 节呈现的两个设计示例现场计算应力也同时给出 0 50 100 150 200 250 300 01000200030004000 Modulus MPa v x 100 Number of load applications Siffness modulus test Stiffness modulus prediction Poisson s ratio v test Poisson s ratio v prediction 图 7 劲度模量和泊松比 摩擦校正后 表 1 PUMA 测试与现场应力和劲度模量的比较 应力应力 kPa 模量模量 MPa 砾石砾石示例示例 垂直垂直水平水平预测值预测值测量值测量值 设计示例 1 薄沥青层 设计示例 2 厚沥青层 5 143 7 60 20 63 28 31 157 95 测试阶段 1 测试阶段 2 测试阶段 3 测试阶段 4 5 23 5 43 5 85 7 175 14 18 17 23 27 40 49 74 57 83 100 156 51 91 112 153 尽管现场应力预测值与 PUMA 测试值有一定偏差 但明显 PUMA 第四阶段测试为设计 示例 1 提供了具有代表性的模量数值 而设计示例 2 的模量数值则处于 PUMA 第 2 和第 3 阶段测试值之间 因此 PUMA 测试可以获得适合路面分析使用的模量值 4 2 抗变形研究抗变形研究 本文主要讨论劲度模量 这是路面分析通常使用的唯一参数 而非泊松比 不过 被 称为约束压缩的这类测试也可以通过测试试样轴向永久应变为变形敏感性测试提供有用信息 图 8 呈现的数据来自前面的测试示例 在当前测试数据的使用还没有获得认可的情况下 研究其在路面变形预测方面应用是明智的 这些数值适用于相关的对数方程 S XX YY 9 5 讨论和结论讨论和结论 非粘结材料劲度模量课题是当前在路面工程师中引起困惑的问题 原因在于模量随应力 条件改变而变化 该问题没有广泛的共识 对于部分粘结材料 如冷拌沥混合料 情况类似 认可三轴测试的工程师期望用不符合实际的特别大的测试模量与现场条件下数值做比较 在新路面的设计方法中 又不得不面对现实使用经验公式做路面寿命预测 随即就会提出这 样一个问题 要不要使用依赖落锤弯沉仪的反算数据为基础的设计方法来分析 加固现有路 面 为了尽量避免这些困扰 利用尽可能实际的模量值是明智的做法 0 0 5 1 1 5 2 2 5 01000200030004000 Vertical strain Number of load applications Vertical stress 5 23kPa Vertical stress 5 43kPa Vertical stress 5 85kPa Vertical stress 7 175kPa 图 8 在 PUMA 测试中永久应变的累积 众所周知 基于 CBR 相关的模量存在很大的不确定性 本文描述的这类测试 称为约束压缩测试 使用特殊的装置 即精密非粘结材料分析仪 PUMA 被认为是比三轴或 CBR 更适合于材料参数测定和在路面设计中应用 这类测试 不仅测量类似于现场应力条件下的实际模量 而且总体上讲使用简便 还可以应用于抵抗变 形能力的测量和预测 文献文献 1 Brown S F Loach S C and O Reilly M P Repeated loading of fine grained soils Report CR72 Transport and Road Research Laboratory Crowthorne Berkshire 1987 2 Thom N H A simplified computer model for grid reinforced asphalt overlays Proc 4th Int RILEM Conf Reflective Cracking in Pavements Ottawa pp 37 46 2000 3 Powell W D Potter J F Mayhew H C and Nunn M E The structural design of bituminous roads Report LR1132 Transport and Road Research Laboratory Crowthorne Berkshire 1984 4 Oke O L A study on the development of guidelines for the production of bitumen emulsion stabilised RAPs for roads in the tropics PhD thesis University of Nottingham 2010 5 Vennapusa P K R White D J Siekmeier J and Embacher R A In