瀝青混凝土小梁彎曲損傷特性的CT研究

夏榮孚

（上海隧道工程有限公司,上海市 200030）

瀝青混凝土小梁彎曲損傷特性的CT研究

夏榮孚

（上海隧道工程有限公司,上海市 200030）

對3種典型級配的瀝青混凝土小梁試件進行CT掃描,自動識別出試件中出現的空隙,并計算其空隙率；成型了6種最大公稱粒徑（4.75,9.5,13.2,16,19,26.5 mm）的瀝青混凝土小梁試件,研究了這些試件在受彎狀態下的力學性能。結果表明,隨著最大公稱粒徑尺寸的增大,小梁試件彎拉強度及彎曲勁度模量的變化趨勢均隨之增大。

道路工程；瀝青混凝土；小梁彎曲；CT

0 引言

當前對于瀝青混凝土的分析多采用簡化的理論分析方法,不能很好地表征瀝青混凝土的細觀結構。為了揭示非均質復合材料的行為特征,需要克服以往宏觀研究的限制,從微觀和細觀尺度上進行剖析。小梁彎曲試驗是對固定尺寸的小梁試件,在跨中位置集中荷載作用下,使試件變形直至彎曲破壞,此時試件的抗拉強度即為破壞時作用的最大荷載。瀝青混凝土的彎拉應變可由破壞時試件的跨中撓度求得,試件的勁度模量即為破壞時彎拉強度和彎拉應變兩者的比值。不同集料級配類型以及不同粒徑的瀝青混凝土小梁彎曲試驗結果均存在差異性。通過對不同粒徑組成、不同級配類型的瀝青混凝土小梁進行試驗研究,可以有效地分析瀝青混凝土的低溫性能。

1 瀝青混凝土內部空隙分布特性研究

為研究不同結構類型混凝土內部細觀結構的分布特征,本文選擇了3種典型的級配類型,分別為懸浮密實型AC-16、骨架密實型SMA-16、骨架空隙型OGFC-16。為使得研究具有代表性、普遍性,根據《公路瀝青路面施工技術規范》（JTG F40—2004）的要求,對于級配本文采用規范推薦的級配中值成型試件,如表1所示。

為了定性和定量研究瀝青混凝土內部空隙的分布狀況,運用微焦點工業CT斷層掃描儀分別對3種級配（SMA-16、OGFC-16、AC-16）成型的瀝青混凝土小梁試件進行X-ray CT斷層掃描。由于空隙的灰度值最小,接近于0,如圖1最左側黑色,且材質單一,相比于瀝青砂膠和集料顆粒,其空隙最容易被識別。隨著密度增大,灰度值也隨之增大,表現為顏色變白變亮[1],如圖1最右側所示。

對小梁試件3個方向進行斷層掃描,掃描結果如圖2所示。圖3為圖2對應斷層位置的掃描圖片。

2 空隙率的測定

對于瀝青混凝土試件縱向空隙分布的研究,利用逆向工程軟件對不同級配下的三維重構試件進行“電子切割”的方法,對瀝青混凝土中的空隙進行三維重構[2],按此方法處理后的瀝青混凝土三維重構示意圖見圖4。圖5為3種試件的空隙縱向分布。

由圖5可以看出,OGFC-16小梁試件的空隙率在縱向分布不均勻,與其他兩種小梁試件表現出同樣的規律:試件內部空隙率較小,越靠近外部,其空隙率越大。

通過對比可以看出,懸浮密實型混凝土對于壓實度表現更為敏感,隨壓實度的增加,其空隙率逐漸減小；對于骨架密實型混凝土,當壓實度達到一定程度時,再增加壓實度的話,其空隙率大小變化較為不敏感。

3 小梁彎曲力學性能試驗

小梁彎曲試驗是對固定尺寸的小梁試件,在跨中位置集中荷載作用下,使試件變形直至彎曲破壞,此時試件的抗拉強度即為破壞時作用的最大荷載。瀝青混凝土的彎拉應變可由破壞時試件的跨中撓度求得,試件的勁度模量即為破壞時彎拉強度和彎拉應變兩者的比值。彎拉應變是評價瀝青混凝土低溫抗裂性能的重要指標[3],反映了其變形能力。在溫度較低的條件下,假定瀝青混凝土具有彈性材料的性質,瀝青混凝土的破壞過程存在著能量的耗散。通常,混凝土中存儲的彈性應變能量越大,其在低溫下的抗裂性能就越佳。彎曲試驗中彎拉強度與彎拉應變的比值稱為彎曲勁度模量,一定程度上表征了瀝青混凝土的粘彈性,彎曲勁度模量越小表明瀝青混凝土粘彈性越好[4]。

表1 瀝青混凝土級配組成

圖1 灰度值范圍示意圖

圖2 斷層掃描位置示意圖

圖3 CT斷層掃描對應圖（標記部分為空隙）

圖4 三維重構的瀝青混凝土試件

圖5 小梁試件空隙縱向分布示意圖

國內外較常采用小梁彎曲試驗來評價瀝青混凝土材料的抗彎拉性能。試驗根據《公路工程瀝青及瀝青混凝土試驗規程》（JTG E20—2011）進行[5]。儀器采用MTS材料伺服試驗機,試驗溫度為0℃,加載速率為5 mm/min。

AC瀝青混凝土空隙率處于SMA和OGFC之間,因此,本文針對AC試件按最大公稱粒徑由小到大（4.75,9.5,13.2,16,19,26.5 mm）分別成型了6種小梁試件（1-1,1-2,1-3,1-4,1-5,1-6）,并進行彎曲試驗,其結果見表2及圖7～圖9。

表2 小梁彎曲試驗結果

通過表2及圖7～圖9可以得出:AC試件的彎曲勁度模量和彎拉強度隨著最大公稱粒徑的增加而增加；試件的顆粒組成越細,其勁度模量和彎拉強度也越小,而彎拉撓度卻隨之增大。

圖6 破壞荷載與最大公稱粒徑關系

圖7 彎拉強度與最大公稱粒徑關系

圖8 勁度模量與最大公稱粒徑關系

圖9 破壞撓度與最大公稱粒徑關系

這主要是因為瀝青混凝土在低溫下位于集料顆粒間界面處薄弱點產生了細微裂紋,當這些細微裂紋在發育階段遇到不存在瀝青結合料填充的內部空隙時,微裂紋會沿空隙所在的破裂面迅速開展。由于內部空隙較少,在較密實的瀝青混凝土中,此類微裂紋在發育初期受外力荷載的作用,需要消耗較大的能量來消除骨料與瀝青界面處的粘結作用。所以較密實的瀝青混凝土在抵抗外力作用時反映出其抗彎拉應力相應較大[5]。再者,如果裂縫發展路徑的空隙較少,由于骨料顆粒基本上不存在變形能力,此時填充在骨料之間的瀝青膠漿依靠界面粘結力和自身的粘性能夠減緩微裂紋開展的速度,進一步反映出空隙率較小、集料顆粒級配組成偏細的瀝青混凝土具有較好的抗變形能力[6]。

4 結語

（1）采用X-ray CT無損斷層掃描技術,通過變化混凝土的級配類型,選取典型AC-16、SMA-16、OGFC-16級配類型,對瀝青混凝土中空隙的三維分布特征進行了研究。

（2）對小梁試件空隙分布的離散程度進行探索,并計算了小梁試件沿縱向分布的空隙率特征。

（3）空隙分布介于SMA和OGFC之間的懸浮密實型瀝青混凝土試件其彎曲勁度模量和彎拉強度隨著最大公稱粒徑的增加而增加。同樣,小梁試件的顆粒組成越細,其勁度模量和彎拉強度就越小,而彎拉撓度越大。

[1]李芬,李之達,龔軍安,等.基于CT圖像分維估算的瀝青混凝土損傷演化研究[J].湘潭大學學報（自然科學版）,2006,28(2): 52-55.

[2]王振軍,沙愛民,肖晶晶,等.基于CT技術的復合瀝青混凝土內部空隙特征分析[J].上海交通大學學報,2011,45(5):667-671.

[3]朱洪洲,高爽,唐伯明.瀝青混合料常應變小梁彎曲疲勞試驗[J].土木工程與管理學報,2009,26(2):5-8.

[4]黃飛云,徐邱彬,高英.瀝青混凝土小梁彎曲斷裂的數值模擬[J].石油瀝青,2009,23(1):51-54.

[5]中華人民共和國交通部.JTG E20—2011,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].北京:人民交通出版社,2011.

[6]曾川川.瀝青混合料小梁裂紋擴展的粘彈性分析 [D].武漢:華中科技大學,2013.

U416.2

A

1009-7716（2017）07-0251-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.077

2017-03-20

夏榮孚（1981-）,男,上海人,工程師,從事市政道路設計及研究工作。