瀝青混合料損傷演化與粗集料性能及參數研究

袁維安

(1.廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530001；2.南寧市筑路技術與筑路材料工程技術研究中心，廣西 南寧 530001)

0 引言

瀝青混合料是現代化路橋工程和建筑工程項目中不可或缺的一種重要施工原材料，因此瀝青混合料的性能與質量在很大程度上影響工程項目的施工質量和使用安全性。而瀝青混合料的內部細觀結構，則是影響材料性能和造成混合料結構內部產生細微裂紋及其他結構缺陷問題的重要原因。因此，只有有效遏制瀝青混合料內部細觀結構的損傷問題，才能更好地確保應用于工程項目施工的瀝青混合料質量和性能可以達到建設方要求的標準水平，而這同樣也是為有關建筑的使用安全提供更加可靠的保障。

1 粗集料接觸參數與DIC試驗的內容與意義

粗集料接觸參數是一種由標準混合料試樣測量而得到的，用于衡量粗集料顆粒內部結構復雜程度和不同條件下性能變化的一種標志性指標。這種參數主要反映的是粗集料內部細觀結構對于混合料的力學性能與質量所造成的不同程度的影響效果。由于大多數應用于施工項目的混合料都是由一些顆粒粒徑大小不同，但性能與材質相差不大的建筑原材料在一定溫度和加工條件下混合而成的，因此一旦出現混合料在攪拌和配比的過程中存在攪拌不充分或者配比設計不科學的問題，就很容易導致混合料內部質量分布不均勻或者局部區域原材料粒徑相差較大等問題，進而引起混合料顆粒內部的細觀結構不可避免地出現成分偏析和細微裂紋等缺陷。而為了盡可能避免在實際施工過程中由于保存不當或者運輸管理出現問題而引發的瀝青混合料細觀結構損傷與改性問題，通常施工現場的管理人員都會對每一批混合料進行試樣采集和DIC實驗，以此來達到進一步減少混合料內部結構損傷和控制其整體穩定性能的效果。

DIC試驗是指根據試件表面不同時段下的散斑單元進行計算，從而獲得試件微觀組織的位移與應變的試驗方法。在本次試驗中主要是針對粗集料的骨架結構隨著其顆粒內部細觀損傷的演化程度，而隨之產生的不同形態與性能變化的規律。充分掌握這種變化規律有助于人們更好地對混合料中粗集料性能失調和結構不穩定問題產生的主要影響因素進行分析和控制。另外，通過對粗集料主骨架結構特征參數的分析與確定，有關試驗人員還能夠有效地掌握骨架結構參數隨著顆粒細觀結構損傷而產生的不同程度，同時對于更好地理解宏觀應力影響混合料穩定性能的主要方式及最終影響效果具有非常積極的促進作用。

可以通過試驗和實際應用檢測，進一步充分掌握在細觀損傷演化的影響下，瀝青混合料的粗集料中所發生的骨架結構變形臨界條件及特征參數的變化值。研究混合料細觀結構損傷的主要目的，是為了能夠有效減少內部結構缺陷和應力分布不均勻現象，從而使混合料顆粒的各項性能參數與標準指標控制在工程項目要求的材料質量標準范圍內。在此過程中，對于混合料顆粒標準性能指標的確定要充分參考顆粒堆積理論中對于顆粒性能的相關要求，這樣才能有效掌握更加科學和規范的瀝青混合料粗集料細觀結構損傷演化的客觀變化規律，以及粗集料接觸參數在此過程中所產生的影響效果。

2 瀝青混合料主骨架顆粒配位參數表征方法研究

主骨架顆粒、干擾顆粒和膠質材料等構成瀝青混合料中除空位以外的其他全部組織結構，而主骨架顆粒則是決定瀝青混合料整體性能穩定性的關鍵因素。瀝青混合料中的主骨架顆粒在空間分布上具有很強的規律性，而隨著各部分顆粒之間相互接觸以及進行內部應力傳遞，使得瀝青混合料內部的結構力整體趨于穩定和平衡，形成了一種以主骨架顆粒為中心，干擾顆粒和其他材料圍繞其周圍的密實結構。除此之外，主力鏈網絡也是在瀝青混合料主要框架結構中起到至關重要的影響作用的一種標志性組成結構。這種網絡結構的形成主要是由于在混合料內部顆粒的接觸過程中，在外部載荷的作用下接觸平面發生了較為明顯的結構與性能變化，而通常構成主力鏈網絡結構的微觀粒子主要為混合料中的干擾顆粒(詳見圖1)。在計算瀝青混合料主骨架顆粒接觸主力鏈配位參數的過程中，有關工作人員需要準確測量干擾顆粒和主骨架顆粒的體積比，并利用顆粒接觸配位數關系進一步測得相應的特征參數與配位數。運用這種方式能夠更好地確保利用特征參數和配位參數表征瀝青混合料主骨架顆粒結構及狀態變化的精確性和客觀正確性。

圖1 集料干擾顆粒主力鏈示意圖

3 基于DIC試驗的細觀結構損傷演化分析方法

3.1 應變場變化及特征分析

瀝青混合料的疲勞損傷現象大致可分為疲勞開始階段、損傷階段以及疲勞破壞階段三部分，而混合料的疲勞性能在整個疲勞損傷的變化過程中都直接影響著變化的形態以及持續的時間，因此對混合料的疲勞性能研究才是DIC試驗中的重點內容(詳見圖2)。為了確保在實驗的過程中能夠準確測得瀝青混合料試樣在重復加載條件下所表現出的疲勞損傷現象具有標志性和正確性的特點，需要試驗人員合理控制加載的強度和速度，這樣才能確保在不斷的拉伸過程中，試樣的形態變化以及應力場變化情況能夠清晰地展現在實驗者面前。而根據實驗測得的瀝青混合料應變場演化特征數據，還可以將損傷破壞的過程細分為損傷初始階段，損傷發展的前、中、后期三個階段以及損傷破壞階段。在這五個階段中，瀝青混合料內部應力場變化所表現出的主要特征也存在著很大不同，并且在持續加載中所產生的載荷集中與應力集中問題，還會進一步演變為混合料內部部分組織顆粒的細觀結構出現了雜亂分布的裂紋和損傷痕跡，并且在細觀結構裂紋高度集中的部位還出現了由于混合料抗拉伸性能失效而發生的組織斷裂問題。這些現象的產生都清晰地表明了由瀝青混合料材料構成的建筑結構，在持續不斷的疲勞荷載作用下會逐步發生應力集中和損傷集中問題，進而在缺乏有效管理的基礎上演變為結構斷裂的嚴重問題，直接影響到該結構的使用安全性與穩定性。

圖2 試驗用DIC系統示意圖

3.2 疲勞損傷因子定量分析及統計研究

疲勞損傷因子的計算及定量分析過程，是研究人員確定實驗目標所發生的疲勞損傷程度和具體引導因素的一個必要環節。為了能夠對混合料中疲勞損傷因子進行精確的定量分析，有關研究人員需要科學地運用統計學方法進一步掌握應變量波動變化的規律和幅度范圍，同時要以此環節實際測得的數據為基礎繪制非均勻應變場的演化過程，這樣才能夠便于后期進行定量分析時對計算結果進行有效的比對與審核。通過疲勞損傷因子的演化特征變化過程來看，疲勞荷載對混合料局部微觀結構造成的作用力效果會在試驗材料發生疲勞斷裂的階段中出現突然性的大幅度提高，而這一過程在材料的宏觀變化中則主要表現為材料性能的急劇下降和內應力在部分結構中出現高度集中的現象。另外需要注意的是，在計算疲勞損傷因子時需要充分利用均勻加載的條件下，運用從瀝青混合料試樣中測得的水平應變平均值與最大值數據對疲勞損傷因子進行計量，從而能夠更加精準地掌握細觀損傷演變的速度和發展趨勢。詳見圖3。

圖3 疲勞損傷因子演化特征示例曲線圖

4 基于DIC的細觀損傷演化特征分析

4.1 疲勞細觀損傷演化特征

在瀝青混合料顆粒細觀結構的疲勞損傷演化過程中，想要更為精確地定量和評價演化機制，就必須緊緊抓住各個疲勞損傷演化階段中的主要特征。同時，為了進一步減少人工實驗操作以及計量過程中可能產生的數據誤差問題，并且為了更好地消除非均勻性加載對疲勞損傷演化過程的不良影響，需要借助模型構建法深入分析顆粒細觀結構的實際變化范圍，并制定合理的修正系數以此達到對疲勞細觀損傷數據的有效修正。在制定和處理DIC圖像的過程中，應重點突出表現應力集中作用和發生疲勞損傷斷裂的相應階段中，微觀損傷演化的主要特征及變化趨勢。通過對疲勞細觀損傷演化特征的深入分析可以發現，對應于疲勞損傷斷裂階段特征的宏觀變化情況，主要表現在混合料各個顆粒之間接觸更為緊密，同時在干擾顆粒的作用下基本形成了較為穩定的主力鏈網絡密實結構。但是，由于這種密實結構在受到外部載荷施加壓力時承擔了大部分的載荷作用效果，因此會導致該部分結構的抗疲勞損傷性能顯著下降，局部出現細觀結構裂紋并不斷地向著一個方向集中發展。另外，在長期的載荷作用下會破壞混合料內部結構的穩定性與均勻分布性，降低大部分顆粒之間由于嵌擠作用而形成的密實結構的密度與接觸強度。

4.2 混合料宏觀疲勞性能特征分析

瀝青混合料宏觀性能的變化對于由這種材料構成的建筑結構質量和安全性會產生直接性的重要影響，而為了更好地確定混合料宏觀疲勞性能的情況，需要借助特征分析方法找到混合料宏觀疲勞性能變化的主要特征和規律。由數據結果分析可知，混合料抗疲勞性能的主要變化形式是隨著疲勞荷載施加的次數先增加后減少的。同時隨著部分區域主力鏈網絡結構的形成，進一步增加了顆粒間嵌合的穩定性與密實程度，這也為保障混合料結構不會過早地在外部荷載作用下發生疲勞斷裂發揮了重要作用。疲勞損傷因子和疲勞荷載施加次數在顆粒的微觀結構層面上對于細微裂紋的形成所產生的影響，同樣也是不容忽視的。

5 結語

綜上所述，粗集料接觸參數對于混合料損傷演化的不同程度影響，是有關施工人員在控制瀝青混合料顆粒細觀結構的抗疲勞性能時需要重點關注的要點內容。有關人員應深入掌握顆粒堆積理論及其實際應用要求，并確保混合料顆粒抗疲勞性能研究在規范化和標準化的氛圍下順利開展。