凍融循環(huán)下的瀝青混凝土損傷機(jī)理研究

賀明明

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)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(xiàng)目建設(shè)規(guī)模也逐漸擴(kuò)大。同時(shí)，相關(guān)統(tǒng)計(jì)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(yùn)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(huì)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(yàn)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(gè)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(jī)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(diǎn)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(diǎn)關(guān)注瀝青混凝土的力學(xué)性能、變形等是否與試驗(yàn)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(jì)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(yàn)規(guī)程》(JTG E20-2011，通過馬歇爾法對AC-16瀝青混合料進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，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(jì)結(jié)果見表1。

表1 原材料試驗(yàn)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(shí)水分遷移較少，從而構(gòu)造一個(gè)不補(bǔ)(散)水的密閉環(huán)境。當(dāng)試驗(yàn)達(dá)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(qiáng)度、疲勞試驗(yàn)等。

本次凍融試驗(yàn)土樣凍結(jié)過程采用的儀器是DW-40型低溫試驗(yàn)箱，該設(shè)備的制冷系統(tǒng)由進(jìn)口壓縮機(jī)、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(shí)長、融化時(shí)長、凍融循環(huán)次數(shù)等，試驗(yàn)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(shí)間定為24 h(凍結(jié)12 h，融化12 h)。同時(shí)，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(yùn)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(dòng)態(tài)變化。同時(shí)，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(qiáng)度的損傷度、抗疲勞性能的衰減來評價(jià)瀝青混凝土的損傷特性。

(1)抗壓強(qiáng)度和回彈模量損傷

達(dá)到規(guī)定凍融循環(huán)次數(shù)之后，開展試驗(yàn)來測定試件的抗壓強(qiáng)度及回彈模量，試驗(yàn)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(qiáng)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(dá)到16次，瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)度和回彈模量分別降低了44.3%、47.5%。同時(shí)，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(dá)到16次，瀝青混凝土的抗壓強(qiáng)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(qiáng)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(kuò)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(jì)作用次數(shù))計(jì)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(yàn)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(jìn)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(qiáng)度也不同。然后再將X線強(qiáng)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(shí)間、移動(dòng)速度、重建算法等均選擇CT機(jī)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(shí)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(shí)，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(diǎn)差異較大。(2)瀝青混凝土的力學(xué)性能會(huì)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(huì)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。