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      凍融循環(huán)下的瀝青混凝土損傷機理研究

      2021-10-13 08:34:36賀明明
      黑龍江交通科技 2021年9期
      關(guān)鍵詞:細(xì)觀空隙凍融循環(huán)

      賀明明

      (中交第一公路勘察設(shè)計研究院有限公司,陜西 西安 710075)

      0 引 言

      近年來,基礎(chǔ)交通網(wǎng)絡(luò)日益完善,公路項目建設(shè)規(guī)模也逐漸擴大。同時,相關(guān)統(tǒng)計資料表明,我國超過80%公路路面是瀝青混合料。瀝青混凝土路面在運營期間,受到車輛荷載、氣候變化等因素的作用下,容易出現(xiàn)各種類型的病害,影響行車安全和行車舒適度。尤其是在北方寒冷地區(qū),瀝青混凝土還會受到經(jīng)歷反復(fù)的凍結(jié)融化,破壞其內(nèi)部結(jié)構(gòu),使路面使用壽命出現(xiàn)一定程度的降低。由于瀝青混凝土路面在凍融環(huán)境中的受力變形復(fù)雜,國內(nèi)外學(xué)者也對此開展了一些研究,如李兆生等通過室內(nèi)試驗分析了反復(fù)凍融對瀝青混合料高溫性能與疲勞壽命地影響,并將其損傷劃分成快速、穩(wěn)定、發(fā)展三個階段;孫海蛟探討了瀝青混凝土的細(xì)觀損傷和宏觀性能間的關(guān)系,并推導(dǎo)出凍融損傷模型。因此,研究凍融循環(huán)作用下瀝青混凝土的損傷機理十分必要。

      1 瀝青混凝土損傷概念及原材料性質(zhì)

      1.1 損傷概念

      構(gòu)件損傷概念最早源于20世紀(jì)50年代,隨著損傷力學(xué)的不斷發(fā)展,尚沒有普適性的損傷理論,各專業(yè)領(lǐng)域均結(jié)合自身工程特點提出了自己的損傷理論。瀝青混凝土的損傷理論有連續(xù)損傷理論和細(xì)觀損傷理論兩種,其中連續(xù)損傷理論重點關(guān)注瀝青混凝土的力學(xué)性能、變形等是否與試驗結(jié)果相吻合;細(xì)觀損傷理論是通過理論推導(dǎo)來得到瀝青混凝土宏觀損傷和細(xì)觀損傷間的關(guān)系。

      瀝青混合料的損傷變量計算參考下式

      D=(1-ψ)×100

      式中:ψ為連續(xù)度,值為1表示混合料無損傷,值為0表示混合料完全破壞;D為損傷變量,值為0表示混合料無損傷,值為1表示混合料完全破壞。

      1.2 原材料性質(zhì)

      為了研究凍融循環(huán)作用下瀝青混合料的損傷情況,參考《公路工程瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20-2011,通過馬歇爾法對AC-16瀝青混合料進行配合比設(shè)計,其中瀝青選擇70#基質(zhì)瀝青,粗集料、細(xì)集料、礦粉等材料的技術(shù)指標(biāo)也滿足規(guī)范要求。瀝青混凝土的最終配合比設(shè)計結(jié)果見表1。

      表1 原材料試驗配合比

      2 瀝青混凝土的凍融條件和損傷特性

      2.1 凍融條件設(shè)定

      瀝青混凝土所處地凍融條件,可設(shè)定為在封閉系統(tǒng)下快速凍融。開始凍融之前應(yīng)當(dāng)使用保鮮膜將制備好的試樣包裹,這樣可以確保土樣凍融時水分遷移較少,從而構(gòu)造一個不補(散)水的密閉環(huán)境。當(dāng)試驗達到規(guī)定的凍融循環(huán)次數(shù)之后,將瀝青混凝土試件取出,然后開展相應(yīng)的抗壓強度、疲勞試驗等。

      本次凍融試驗土樣凍結(jié)過程采用的儀器是DW-40型低溫試驗箱,該設(shè)備的制冷系統(tǒng)由進口壓縮機、冷凝器等組成。凍融參數(shù)主要有凍結(jié)溫度、融化溫度、凍結(jié)時長、融化時長、凍融循環(huán)次數(shù)等,試驗中凍融溫度可參考當(dāng)?shù)氐臍夂蛸Y料,一次凍融循環(huán)的時間定為24 h(凍結(jié)12 h,融化12 h)。同時,根據(jù)相關(guān)學(xué)者的研究成果可知,瀝青混凝土經(jīng)過10次凍融循環(huán)之后,其物理力學(xué)性就基本處于一種較為穩(wěn)定的狀態(tài)。但由于規(guī)范中要求的瀝青混合料路面使用年限可能超過10年(如高速公路瀝青路面使用年限不得低于15年),10次凍融循環(huán)并不能完全反應(yīng)瀝青路面在運營期間的損傷特性,故文章中凍結(jié)循環(huán)次數(shù)取16次。

      2.2 混合料凍融損傷特性

      在反復(fù)凍融循環(huán)作用下,瀝青混凝土內(nèi)部可能出現(xiàn)損傷現(xiàn)象。隨著混合料損傷程度的不斷發(fā)展,其力學(xué)性能也發(fā)生動態(tài)變化。同時,宏觀力學(xué)性能變化對瀝青混合料的影響最終是體現(xiàn)其抗疲勞性能,故可通過回彈模量和抗壓強度的損傷度、抗疲勞性能的衰減來評價瀝青混凝土的損傷特性。

      (1)抗壓強度和回彈模量損傷

      達到規(guī)定凍融循環(huán)次數(shù)之后,開展試驗來測定試件的抗壓強度及回彈模量,試驗結(jié)果及損傷變量如圖1所示。

      圖1 凍融前后瀝青混凝土力學(xué)性能及損失度

      由圖1可知,隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加,瀝青混凝土的抗壓強度和回彈模量均出現(xiàn)了一定程度的降低。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達到16次,瀝青混凝土的抗壓強度和回彈模量分別降低了44.3%、47.5%。同時,瀝青混合料的損傷度逐漸增加,但增加速率逐漸變緩。當(dāng)凍融循環(huán)次數(shù)達到16次,瀝青混凝土的抗壓強度損傷變量和回彈模量損傷變量分別增加了0.47、0.52。這表明凍融循環(huán)次數(shù)對瀝青混凝土回彈模量的影響程度是大于抗壓強度的。瀝青混凝土性能出現(xiàn)劣化的主要原因有兩方面:第一,在凍脹力的作用下,瀝青混凝土骨架顆粒間產(chǎn)生了劈裂,內(nèi)部出現(xiàn)了一定數(shù)量的微觀裂紋,改變了混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu);第二,瀝青混凝土內(nèi)部微觀裂紋受到凍脹力的影響不斷擴展,使混凝土內(nèi)部損傷不斷積累,從而引起混凝土力學(xué)性能出現(xiàn)衰減。

      (2)疲勞性能損傷

      要確定瀝青混凝土路面在凍融循環(huán)作用下的疲勞壽命損傷情況,必須建立精確的疲勞模型。目前,國內(nèi)外模擬瀝青路面疲勞破壞一般是采用應(yīng)變模型或應(yīng)變-勁度模型來建立路面材料最大拉應(yīng)變與其疲勞壽命的關(guān)系。應(yīng)變疲勞模型中疲勞壽命(荷載累計作用次數(shù))計算公式如下

      N=Kσ-n

      式中:N為瀝青路面疲勞壽命;σ為瀝青混凝土拉應(yīng)力;K、n為擬合系數(shù),K值越大材料抗疲勞性能越好,n值越大材料疲勞曲線斜率越陡。

      通過疲勞試驗得到了凍融前后不同應(yīng)力水平的瀝青混凝土疲勞壽命,并利用軟件origin進行了疲勞壽命擬合,得到疲勞壽命的擬合方程,如圖2所示。

      圖2 凍融后瀝青混凝土疲勞壽命

      由圖2可知,在反復(fù)凍融作用下,不同應(yīng)力水平下的瀝青混凝土疲勞壽命均呈減小趨勢,且應(yīng)力水平越小,減小幅度越明顯。凍融前后瀝青混凝土疲勞方程中的K值分別為664.37、486.04,n值分別為3.191 2、3.310 8,K值降低了27.7%,說明瀝青混凝土抗疲勞性能降低;n值提高了4.1%,說明瀝青混凝土的疲勞壽命曲線變陡,疲勞壽命對應(yīng)力水平的變化也更加敏感。

      3 凍融后瀝青混凝土細(xì)觀損傷

      (1)CT掃描設(shè)置

      目前,瀝青混凝土細(xì)觀損傷常采用CT技術(shù),該技術(shù)以X線為放射源,X線穿透不同的物質(zhì)后其衰減程度有一定的差異,使得接收端的X射線強度也不同。然后再將X線強度以CT值得形式顯示在圖像上,從而在不破壞瀝青混凝土的前提下觀察其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。瀝青混凝土的掃描層厚度取0.6 mm,管電壓取130 kV,毫安秒為250 mAs,螺距為1,掃描時間、移動速度、重建算法等均選擇CT機內(nèi)置參數(shù)。

      (2)空隙率變化

      CT掃描結(jié)果表明,瀝青混凝土的試件在凍融循環(huán)前空隙率分布較為均勻,在凍融循環(huán)后(凍融16次)的空隙率時沿著試件高度有明顯的規(guī)律性,即瀝青混凝土的空隙率分布曲線沿高度方向呈“凹形”變化,試件中間的空隙率小,兩端空隙率大,且上方空隙率>下方空隙率。同時,凍融后的瀝青混凝土空隙率有明顯的增加。

      (3)空隙數(shù)量變化

      瀝青混凝土的試件在凍融循環(huán)后的空隙數(shù)量分布與空隙率相反,呈“凸形”分布,試件中間空隙數(shù)量多,試件兩端空隙數(shù)量少,這表明瀝青混凝土試件兩端空隙體積較大,中間位置以小空隙為主。

      4 結(jié) 語

      在探討瀝青混凝土損傷概念的基礎(chǔ)上,分析了凍融循環(huán)前后瀝青混凝土的力學(xué)性能、疲勞壽命及細(xì)觀損傷情況,主要得到了以下結(jié)論:(1)瀝青混凝土損傷理論有連續(xù)損傷理論和細(xì)觀損傷理論,兩者側(cè)重點差異較大。(2)瀝青混凝土的力學(xué)性能會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而衰減,且回彈模量受凍融循環(huán)次數(shù)的影響更加明顯。(3)反復(fù)凍融作用下,瀝青混凝土疲勞壽命會降低,且對應(yīng)力水平更加敏感。⑷凍融后,瀝青混凝土的空隙率和空隙數(shù)量提高。

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