鋼渣瀝青混凝土的疲勞性能及應(yīng)變分析

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(1.昆明理工大學(xué)，建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650500； 2.云南省土木工程防災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500；3.云南昆鋼工業(yè)廢渣利用開發(fā)有限公司，云南 昆明 650500)

1 前 言

根據(jù)國家統(tǒng)計局?jǐn)?shù)據(jù)[1]，2014年，我國生產(chǎn)粗鋼8.22億噸，按照上述的粗鋼與鋼渣的轉(zhuǎn)換關(guān)系計算，2014年我國生產(chǎn)鋼渣約1.1億噸，截止目前，全國鋼渣累計堆存近10億噸。不僅占用大量的土地面積，而且造成生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞。如何提高利用率、充分有效地應(yīng)用鋼渣是目前面臨的一個難題[2]。為了有效利用鋼渣，考慮把鋼渣應(yīng)用于各個方面，如把鋼渣應(yīng)用于砌筑砂漿[3]、土壤改良劑[4]、水泥混凝土[5]、礦山處理排水的濾床[6]和建筑材料[7]，由于鋼渣的體積不穩(wěn)定性限制了其應(yīng)用[8]。但鋼渣具有良好的粘附性、棱角性和耐磨性等[9-10]，且瀝青包裹后能防止鋼渣膨脹，可把鋼渣用于瀝青路面的穩(wěn)定碎石層[11]、超薄抗滑層[12]等道路材料。合理有效地把鋼渣應(yīng)用于瀝青路面中代替部分天然集料，既節(jié)約資源又減少其對環(huán)境的污染[10]。

為了能更好地把鋼渣應(yīng)用于瀝青混凝土路面建設(shè)，研究者從不同的角度研究和評價了鋼渣應(yīng)用于瀝青混凝土的性能及影響。Marco Pasetto[11]使用兩種不同類型的電爐渣代替天然骨料應(yīng)用于柔性路面組成中的基層和路面基層瀝青混凝土，試驗(yàn)結(jié)果表明鋼渣用于公路建設(shè)使機(jī)械性能有很大提高。Ahmed Ebrahim Abu EI-Maaty Behiry[12]用理論分析的方法來估計瀝青混凝土路面的抗疲勞性能，通過鋼渣瀝青混凝土和石灰?guī)r瀝青混凝土對比試驗(yàn)，結(jié)果表明鋼渣的摻入有助于瀝青混凝土性能的提高。吳少鵬等人[13]采用片麻巖作為粗集料，細(xì)鋼渣作為細(xì)集料進(jìn)行馬歇爾的基本試驗(yàn)，表明細(xì)鋼渣的加入對提高瀝青混凝土水穩(wěn)定性等有顯著作用；還把鋼渣作為粗集料制備SMA混合料，通過和玄武巖作為骨料的SMA混合料進(jìn)行對比分析，結(jié)果顯示，鋼渣作為粗集料的SMA混合料滿足相關(guān)規(guī)范要求，相對于玄武巖，鋼渣作為骨料的SMA混合料的高溫性能和低溫抗開裂性能均得到改善[14]。但不同鋼鐵廠不同工藝產(chǎn)生的鋼渣性能各異，昆鋼鋼渣游離氧化鈣含量不高但其固溶在RO相中，很難消解，長時間的陳化處理后體積穩(wěn)定性不良。本文針對昆鋼鋼渣的特點(diǎn)，對其替代普通集料后形成的瀝青混凝土的疲勞性能進(jìn)行了研究。

瀝青混凝土是由集料、瀝青和空隙組成的三相復(fù)合材料，其性能取決于集料形狀及空間分布、空隙率大小[15]和瀝青的性能[16]，簡言之，瀝青混凝土性能主要取決于集料特性和瀝青性能。集料是瀝青混凝土的重要組成部分，集料的組成和特性影響著瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能的優(yōu)化，一直成為研究的熱點(diǎn)。瀝青混凝土路面的疲勞指標(biāo)也是其結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)之一，疲勞性能的評價分為外部因素和內(nèi)部因素，外部因素主要為試驗(yàn)方法，試驗(yàn)溫度，加載頻率等，內(nèi)部因素有瀝青種類及用量、結(jié)構(gòu)類型和集料最大粒徑和集料類型[17]。對目前室內(nèi)瀝青混合料疲勞試驗(yàn)方法的對比和分析，由于間接拉伸疲勞試驗(yàn)以其抗壓應(yīng)力并存下的拉應(yīng)力破壞模式更適合路面的應(yīng)力狀態(tài)，而被看好用于評價瀝青混凝土疲勞力學(xué)性能，可作為本試驗(yàn)的試驗(yàn)方法。傳統(tǒng)疲勞力學(xué)性能的分析方法較多，但大多方法用于均質(zhì)材料，對非均質(zhì)材料的分析存在一定的局限性[18]。研究表明，由于DIC方法對材料的疲勞裂紋分析具有理論意義和應(yīng)用價值[19]，在材料力學(xué)性能分析上得到了很好的應(yīng)用。

本文對不同形狀的集料，在相同的級配下成型試件進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)方法對試件中心區(qū)域的變形進(jìn)行分析，根據(jù)試件位移場應(yīng)變場的變化信息，得到不同類型瀝青混凝土應(yīng)變變化累積過程。通過本試驗(yàn)為鋼渣科學(xué)有效的應(yīng)用到道路建設(shè)中提供一定的參考價值。

2 原材料及樣品制備

2.1 原材料的選取

本試驗(yàn)所用試件均采用高富牌90#A級石油瀝青，表1為瀝青試驗(yàn)檢測結(jié)果。鋼渣來自昆鋼，石料來自同一石場。表2為粒徑9.5～13.2mm的粗集料試驗(yàn)結(jié)果，原材料選定符合《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)》(JTG E42-2005)[20]要求。

表1 瀝青特性測試結(jié)果Table 1 Test Results of Asphalt

表2 粗集料(9.5～13.2mm)特性測試結(jié)果Table 2 Test Results of Coarse Aggregates (9.5～13.2mm)

2.2 樣品的制備

本試驗(yàn)選取AC-13瀝青混凝土進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)確定的AC-13級配通過率見表3，級配曲線見圖1，試件形貌見圖2。

圖2為粗細(xì)鋼渣瀝青混凝土與普通瀝青混凝土外觀形貌圖，其外觀具有明顯的區(qū)別。圖2(a)用細(xì)鋼渣代替天然細(xì)集料制備的AC-13試件，粗骨料被含細(xì)鋼渣的瀝青膠漿充分地推擠開，細(xì)鋼渣與瀝青形成瀝青膠漿起到很好地填充作用。圖2(b)用粗鋼渣代替天然粗集料制備的試件，細(xì)集料與瀝青形成的瀝青膠漿很好地填充在骨料之間，形成很好的裹覆作用，但從該試件表面看出，粗鋼渣內(nèi)部有大量的空隙和表面呈凹凸不平狀，很少有尖銳的棱角出現(xiàn)，有利于增強(qiáng)粗骨料和瀝青、瀝青膠漿之間相互的粘結(jié)力和裹覆力。圖2(c)用普通瀝青混凝土試件粗集料形狀較為規(guī)則，表面較平整，尖銳棱角存在較多。

表3 集料篩分試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Sieving Test Results of Aggregates

圖1 AC-13型瀝青混合料級配設(shè)計 Fig.1 Gradation Design of AC-13 Asphalt Concrete

圖2 試件形貌 (a) 細(xì)鋼渣代替天然細(xì)集料； (b) 粗鋼渣代替天然粗集料； (c) 天然集料瀝青混凝土Fig.2 Specimen Morphology (a) Fine steel slag replaces natural fine aggregate; (b) Coarse steel slag replaces natural coarse aggregate; (c) Natural aggregate asphalt concrete

3 試 驗(yàn)

3.1 疲勞性能試驗(yàn)

本試驗(yàn)選用應(yīng)力控制模式進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)，采用UTM-30試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)前，試件置于環(huán)境箱中(設(shè)置目標(biāo)溫度20℃)保溫4h[21]。在20℃下進(jìn)行試驗(yàn)，控制前10次循環(huán)初始微應(yīng)變在100～400με之間[21]，初估瀝青混凝土的泊松比為0.35[22]。為了保持試件與加載條之間的良好接觸，施加豎向接觸力，根據(jù)SHRP對間接拉伸試驗(yàn)接觸力大小的推薦，在20℃時，10%的接觸力對試件造成較為明顯的蠕變變形，未加載時，位移傳感器很難達(dá)到穩(wěn)定，會有明顯的漂動[23]。采用最大荷載的4%，但不能小于22.2N，不能超過89N[24]。所以本試驗(yàn)設(shè)置接觸力為50N。根據(jù)規(guī)范[21]經(jīng)多次調(diào)試，選用拉伸應(yīng)力為600KPa。波形為非連續(xù)半正弦波，加載100ms，間歇400ms。荷載波形如圖3所示。

圖3 荷載波形圖Fig.3 Load Waveform 1—Pulse repetition period；2—Rise time

3.2 DIC測試系統(tǒng)的構(gòu)建

試驗(yàn)中數(shù)字圖像測試系統(tǒng)組成有高速攝像機(jī)、Vic-2D分析軟件、冷光源和計算機(jī)。制作試件表面散斑，安置冷光源，調(diào)試DIC測試系統(tǒng)，最后對試件的加載變化過程進(jìn)行圖像采集。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 體積指標(biāo)測定

應(yīng)用水中重法測定試件的體積參數(shù)，部分試件體積參數(shù)如表4所示。表中數(shù)據(jù)為測定最終配合比成型試樣所得，鋼渣取代粗細(xì)集料采用等體積代換，表中列出相同配合比下部分瀝青混凝土的體積參數(shù)。

4.2 間接拉伸回彈應(yīng)變及回彈模量分析

本試驗(yàn)間接拉伸回彈應(yīng)變試驗(yàn)結(jié)果如圖4。

表4 部分試件體積指標(biāo)參數(shù) Table 4 Part of Specimen Volume Index Parameters

圖4 鋼渣瀝青混凝土水平回彈應(yīng)變曲線Fig.4 Steel Slag Asphalt Concrete Horizontal Resilience Strain

圖4表明：三類試件的水平回彈應(yīng)變主要經(jīng)歷三個階段。第I階段:變形平穩(wěn)發(fā)展階段(裂紋形成階段)，由放大圖可以看出，在很少的循環(huán)下產(chǎn)生較大的應(yīng)變，即應(yīng)變快速增長階段表征了微裂紋的形成，此階段持續(xù)時間很短，瀝青混凝土在此階段占整個疲勞壽命很少。第II階段:應(yīng)變平穩(wěn)變化階段，表征了裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展，其斜率變化趨于穩(wěn)定值，即變形增量很小。從圖4中可以清晰地看出細(xì)鋼渣和粗鋼渣代替天然集料的瀝青混凝土應(yīng)變變化較普通試件的平緩，此階段持續(xù)時間較普通試件的持續(xù)時間較長，粗鋼渣代替天然集料瀝青混凝土持續(xù)時間是普通試件的約1.3倍，細(xì)鋼渣瀝青混凝土持續(xù)時間約為天然集料瀝青混凝土的2倍。由此從第II階段得出鋼渣代替天然集料在瀝青混凝土的抗變形能力(抗裂紋擴(kuò)展能力)方面有很大的提高；第III階段：進(jìn)入失穩(wěn)擴(kuò)展階段，表征了試件的破壞，其斜率快速增大，在短時間內(nèi)快速破壞。

圖5 鋼渣瀝青混凝土回彈模量曲線Fig.5 Resilient Modulus of Steel Slag Asphalt Concrete

圖5為鋼渣瀝青混凝土和天然集料瀝青混凝土的回彈模量變化曲線。回彈模量用于評價路面材料抗壓強(qiáng)度，是在試驗(yàn)過程中回彈應(yīng)變值和應(yīng)力值的比值。從圖5中可以看出，回彈模量的變化經(jīng)歷三個階段，這三個階段與回彈應(yīng)變值的三個變化階段相對應(yīng)。圖5表明，鋼渣代替天然集料的瀝青混凝土抗壓強(qiáng)度優(yōu)于普通瀝青混凝土，抗壓強(qiáng)度大小為：細(xì)鋼渣瀝青混凝土>粗鋼渣瀝青混凝土>普通瀝青混凝土。

疲勞試驗(yàn)過程中，首先在試件中部應(yīng)力集中處出現(xiàn)裂紋，然后裂紋從中間逐步擴(kuò)展直至貫穿試件，最終導(dǎo)致試件破壞。為清楚地看出試件裂紋的形成和擴(kuò)展過程，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)方法對瀝青混凝土變形與應(yīng)變進(jìn)行分析。

4.3 變形及應(yīng)變云圖分析

數(shù)字圖像相關(guān)方法是一種基于計算機(jī)視覺原理、數(shù)字圖像處理和數(shù)值計算的、非接觸、非干涉、全場變形光學(xué)計量方法，是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域最活躍、最受關(guān)注、應(yīng)用最廣泛的光測力學(xué)方法之一。本文通過數(shù)字圖像相關(guān)方法對瀝青混凝土試件進(jìn)行局部(中心區(qū)域)應(yīng)變分析，其變形與應(yīng)變?nèi)缦滤觥?/p>

圖6為粗鋼渣瀝青混凝土試件X方向應(yīng)變Exx變化云圖。間接拉伸的拉伸應(yīng)力理論上從試件中心區(qū)域向兩邊遞減，中心區(qū)域存在較大的拉伸應(yīng)力，產(chǎn)生較大的變形。圖中可見，試件中部存在較大的應(yīng)變，說明此處試件變形較大，并且變形主要集中在瀝青膠漿及骨料和瀝青的界面處，因骨料的形狀不規(guī)則，在骨料之間的膠漿區(qū)域或骨料與膠漿的界面處存在應(yīng)變集中現(xiàn)象，且在該區(qū)域有較大的應(yīng)力作用，故在疲勞應(yīng)力荷載交替循環(huán)下極易產(chǎn)生裂紋。從圖中還可看出，試件疲勞應(yīng)變在加載過程中逐漸累積，試件中部變形最大，形成接近帶狀的應(yīng)變集中區(qū)，并沿兩側(cè)逐漸減弱，與試件理論上所受間接拉伸應(yīng)力分布相一致，帶狀區(qū)形狀與試件疲勞裂紋的形成及擴(kuò)展路徑一致。

圖6 粗鋼渣瀝青混凝土應(yīng)變云圖((a)、(b)、(c)分別表示1000、3500、6000次循環(huán)對應(yīng)的試件應(yīng)變)Fig.6 Strain Contour of Coarse Steel Slag Asphalt Concrete((a), (b), (c) represent the strain of the test specimens corresponding to 1000, 3500, 6000 cycles, respectively)

從圖7中看出，普通瀝青混凝土試件在加載過程中，垂直方向中部應(yīng)變明顯，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大應(yīng)變發(fā)生在瀝青與細(xì)集料形成的瀝青膠漿區(qū)域，其次出現(xiàn)在膠漿與骨料的交界面上。由于天然集料大多為機(jī)制而成，棱角尖銳，導(dǎo)致應(yīng)力作用增大，在相同的應(yīng)力水平，疲勞應(yīng)變累積速率增大，導(dǎo)致裂紋的形成較早，擴(kuò)展較劇烈，疲勞壽命縮減。

從圖8中可以看出，細(xì)鋼渣瀝青混凝土疲勞應(yīng)變出現(xiàn)區(qū)域及應(yīng)力集中區(qū)域與圖6和圖7存在很大的差異，應(yīng)變在瀝青膠漿和骨料交界面處較大，疲勞過程中應(yīng)力較大區(qū)域首次出現(xiàn)并不在試件中心區(qū)域，隨著加載的進(jìn)行，應(yīng)力最大區(qū)域出現(xiàn)在試件中心部位，并不斷的累積，與圖6和圖7應(yīng)變云圖對比，相同循環(huán)荷載作用下，應(yīng)變分布存在很大的差異，即最大應(yīng)變并未出現(xiàn)在瀝青膠漿區(qū)域。圖8應(yīng)力集中區(qū)域較為分散，應(yīng)力作用下形成分散的裂紋，然后分散裂紋繼續(xù)擴(kuò)展形成貫穿裂紋。

綜合以上圖6，圖7和圖8來看，數(shù)字散斑相關(guān)方法得到的應(yīng)變場的最大路徑與實(shí)際裂縫發(fā)生的位置基本一致，表明數(shù)字散斑相關(guān)方法是獲取瀝青混凝土試件表面真實(shí)應(yīng)變分布狀態(tài)的有效方法。由DIC方法清晰地看出試件表面應(yīng)力應(yīng)變的積累變化過程，鋼渣瀝青混凝土和普通瀝青混凝土最大的應(yīng)變都在瀝青膠漿區(qū)域，其次為瀝青膠漿和集料的界面處，在相同的循環(huán)次數(shù)下，細(xì)鋼渣瀝青混凝土的應(yīng)變集中區(qū)分散，未形成明顯的擴(kuò)展路徑。

在相同試驗(yàn)條件和加載方式下，試件的疲勞循環(huán)次數(shù)對比如表5所示。表5表明，鋼渣代替天然集料用于路面材料在疲勞性能方面具有一定的優(yōu)勢。

表5 瀝青混凝土破壞循環(huán)次數(shù)Table 5 Asphalt Concrete Destruction Cycles

在間接拉應(yīng)力600KPa下，普通試件的循環(huán)次數(shù)為6211次，細(xì)鋼渣瀝青混凝土循環(huán)次數(shù)為10801次，相對于普通集料瀝青混凝土疲勞壽命增加74%，相對于粗鋼渣瀝青混凝土疲勞壽命也大幅提高，提高43%；粗鋼渣瀝青混凝土為7551次，相對普通集料瀝青混凝土疲勞壽命增加22%。通過上述試驗(yàn)表明：鋼渣作為骨料代替天然集料，耐疲勞性優(yōu)于天然集料瀝青混凝土，其中細(xì)鋼渣的摻入對瀝青混凝土耐疲勞性能的提高有顯著作用。

圖7 普通瀝青混凝土應(yīng)變云圖((a)、(b)、(c)分別表示1000、3500、6000次循環(huán)對應(yīng)的試件應(yīng)變)Fig.7 Strain Contour of Common Asphalt Concrete((a), (b), (c) represent the strain of the test specimens corresponding to 1000, 3500, 6000 cycles, respectively)

圖8 細(xì)鋼渣瀝青混凝土應(yīng)變云圖((a)、(b)、(c)分別表示1000、3500、6000次循環(huán)對應(yīng)的試件應(yīng)變)Fig.8 Strain Contours of Fine Steel Slag Asphalt Concrete((a), (b), (c) represent the strain of the test specimens corresponding to 1000, 3500, 6000 cycles, respectively)

5 結(jié) 論

1.裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段對試件的疲勞壽命長短起著關(guān)鍵性作用，試件抗變形能力:細(xì)鋼渣瀝青混凝土>粗鋼渣瀝青混凝土>普通瀝青混凝土。

2.試件破壞發(fā)生在應(yīng)變較大的中心區(qū)域，破壞路徑與DIC方法所得的較大應(yīng)變集中分布帶基本一致。裂紋大多先出現(xiàn)在膠漿與骨料的交界面應(yīng)力集中較大處，產(chǎn)生較大應(yīng)變，應(yīng)變隨即向膠漿中心區(qū)域擴(kuò)散，導(dǎo)致最終的破壞路徑出現(xiàn)在試件中心區(qū)域，并在膠漿區(qū)域或膠漿與骨料的交界面形成破壞路徑。

3.鋼渣取代部分天然粗集料和細(xì)集料，在相同的試驗(yàn)條件下，鋼渣瀝青混凝土的疲勞壽命得到了大幅的提高，其中以細(xì)鋼渣取代細(xì)集料所制試件效果最為顯著。將昆鋼鋼渣運(yùn)用于瀝青路面中在其力學(xué)性能上與天然集料瀝青路面相比有著很好的應(yīng)用前景。