基于離散元的蓄鹽瀝青混合料低溫劈裂試驗分析

張志清, 呂毅*, 俞靖洋,2

(1.北京工業大學城市交通學院北京市交通工程重點實驗室, 北京 100124;2. 北京市市政工程設計研究總院有限公司, 北京 100082)

融雪蓄鹽瀝青路面在一定低溫條件下,具有小雪易融、水不結冰的良好特性[1-4],由于其融雪抑冰性能,近幾年來在國內外寒冷地區被廣泛應用[5-6]。但調查發現:長期在鹽凍環境中,蓄鹽瀝青路面會產生裂縫、坑槽等早期病害[7-8]。為探究蓄鹽瀝青的力學性能,馮蕾等[9]對膠粉改性融雪瀝青混合料進行凍融循環試驗,認為冰凍溫度、融雪鹽濃度和凍融循環次數對瀝青混合料的空隙率和劈裂強度產生不利影響。張爭奇等[10]通過對自主研發的融雪劑瀝青混合料進行小梁彎曲試驗和水穩定性試驗,表明融雪劑對于瀝青混合料的低溫性能均有不利影響。鄧爽[11]采用融雪蓄鹽路面材料與火山灰一起高溫煅燒,得出瀝青混合料的浸水馬歇爾殘留穩定度隨著摻量的增加而下降。綜上所述,對蓄鹽瀝青混合料路用性能的研究,大多都是從宏觀角度出發對其力學行為進行相關特性研究。

然而傳統的方法具有一定的局限性。瀝青混合料作為一種離散、非勻質的材料,傳統方法將其材料性能統一化,依據一致性經驗公式將會產生一定誤差,此外,傳統宏觀室內試驗不可控變量甚多,難以控制有效變量,試驗重復性及再現性所得的過程和結果誤差較大,這也將消耗大量的人力、物力和財力。此外傳統的方法無法在細觀層面解釋混合料內部破壞機理。因此,需要對其在細觀層面進行劈裂行為的分析。杜健歡等[12]通過二維劈裂試驗,探究了3種不同類型混合料在低溫狀態下裂紋的演化,得出混合料主要是拉應力不足產生破壞。Nian等[13]基于PFC2D離散元方法,建立了瀝青混合料三點小梁彎曲試件的改進細觀模型,研究了瀝青混合料低溫下的開裂機理。Xu等[14]等設計了5種不同級配離析程度的AC-20瀝青混合料,并利用DEM建立了數值模型模擬劈裂試驗。Guo等[15]通過軟件PFC2D研究了3種級配下瀝青混合料細觀特性,認為開級配OLSM-25的抗劈裂效果良好。萬蕾[16]采用內聚力模型,研究了不同油石比、加載速率和溫度等因素下劈裂行為的細觀特性。Liu等[17]通過模擬承重板試驗,采用PFC2D圓形顆粒分析了多種瀝青混合料主力鏈特性,得出SMA和OGFC比AC類瀝青混合料有利于外荷載傳遞,AC類瀝青更易形成Ⅲ型裂隙。

綜上,離散元方法能夠有效準確地模擬瀝青混合料細觀行為特性,國內外學者從混合料的級配類型、油石比等方面對普通瀝青混合料進行數值模擬,但鮮有針對蓄鹽類瀝青混合料低溫抗裂性能進行相關研究。

鑒于此,現采用離散元方法構建融雪蓄鹽瀝青混合料和普通瀝青混合料數字模型,對比分析在低溫狀態下,混合料裂紋發展規律;此外,以瀝青混合料的空隙率、粗集料形態,以及粗集料的表面紋理特性等為研究對象,對蓄鹽瀝青混合料和普通瀝青混合料劈裂行為的影響因素進行深入對比分析,以期對蓄鹽瀝青混合料配合比設計、粗集料特性選擇等方面提供實際應用參考價值。

1 劈裂實驗

1.1 原材料

為研究融雪瀝青混合料的低溫性能,采用劈裂試驗進行模擬研究。由于瀝青瑪蹄脂碎石混合料(stone matrix asphalt,SMA)骨架密實型結構中相較于AC懸浮密實型混合料礦粉含量較多,粉末型的融雪蓄鹽填料可替換原材料中的部分礦粉,因此選用SAM-13型混合料進行研究,如表1所示。黏結材料選用SBS改性瀝青密度為1 030 kg/m3,玄武巖作為粗集料,選取石灰巖作為細集料及礦粉,集料密度為2 720 kg/m3。

表1 瀝青混合料篩孔通過率Table 1 Ratio of asphalt mixes passing through sieve holes

蓄鹽填料RX為淡黃色粉末,其密度為2 010 kg/m3,如圖1所示。在對融雪蓄鹽類瀝青混合料進行配合比設計時,為減小級配設計的影響,采取等體積替換的方式進行相應配合比設計。同時,基于融雪鹽的融雪性能,以及路用性能的考慮[18],采取融雪鹽含量為4%,采用替換和外摻的方式,比例為2%+2%,油石比為6.2%。蓄鹽填料的替換質量公式為

圖1 融雪鹽RX外形Fig.1 The shape of the salt storage filler RX

(1)

式(1)中:ρs、ρx分別為集料密度和蓄鹽填料密度;mt、mx分別為替換礦粉比例以及蓄鹽含量。

1.2 試驗方案與結果

研究在低溫環境條件下,蓄鹽瀝青混合料的力學性能以及劈裂行為。成型方式采取馬歇爾擊實試驗,分別形成Φ101.6×63.5 mm的普通瀝青混合料和蓄鹽含量為4%的蓄鹽融雪瀝青混合料,將其靜置在1 500 mL蒸餾水中浸泡6 d,溫度保持為20～25 ℃,之后將兩種試件均置于-10 ℃的環境中7 h,之后置于10 ℃環境箱中放置5 h,直至試件水分控干,并采取劈裂強度來評價兩種類型混合料的低溫性能,如圖2所示。普通瀝青混合料的劈裂強度為1.36 MPa,大于蓄鹽瀝青混合料的劈裂強度1.17 MPa。

圖2 瀝青混合料劈裂強度Fig.2 Splitting strength of asphalt mixtures

2 虛擬數字模型構建

2.1 瀝青混合料離散元模型構建

在離散元法中,瀝青混合料是由于粗集料、瀝青砂漿和空隙構成的。先采用distribute命令按照相應的級配形成由ball組成的瀝青混合料,并采用隨機算法分別生成四邊形、六邊形和八邊形的粗集料clump模型,依據面積相等原理代替ball,如圖3所示。考慮到計算機效率以及模型真實性,將2.36 mm以下的細集料作為瀝青砂漿,并用半徑為0.01～1.0 mm的圓形ball組成。

圖3 瀝青混合料模型Fig.3 The model of asphalt mixtures

2.2 瀝青混合料力學特性的表征

2.2.1 級配組成

在PFC中,各檔通過質量百分率需轉化為體積通過百分率,由于蓄鹽瀝青混合料獨特的配比方式,在計算時需加入蓄鹽填料的質量和減去替換礦粉部分的質量,瀝青砂漿體積和各擋粗集料體積計算如下。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式中:Vi為各檔粗集料體積;Vp、Vx分別為普通瀝青砂漿體積和蓄鹽瀝青砂漿體積;m2.36、ma分別為小于2.36 mm通過百分率、油石比。具體體積分數如表2所示。

表2 瀝青混合料體積分數Table 2 Volume fraction of asphalt mixture

2.2.2 顆粒細觀參數的確定

由2.1節可知,瀝青混合料是由不同的材料組成,因此各組分之間的力學模型也會不同。在離散元虛擬試件中,將瀝青混合料中粗集料和部分細集料定義為clump,clump作為剛性體,內部不會發生變形以及破壞斷裂。因此,混合料內部之間就可簡化為集料-集料、集料-瀝青砂漿以及瀝青砂漿-瀝青砂漿之間的力學模型。

因為粗集料內部是剛性體,不發生位移,但彼此之間會發生相互作用,在受到外力載荷的情況下,相互之間僅存在線性力,故在粗集料之間設置線性剛度模型,依據文獻[19-20]可知粗集料的彈性模量為55 GPa,摩擦因數為0.35,泊松比為0.25。

高溫條件下,瀝青砂漿為黏彈性體,由于是在低溫條件下,無論是蓄鹽瀝青混合料還是普通瀝青混合料,瀝青砂漿可視為彈性體,因此平行黏結模型能夠較好地模擬瀝青砂漿之間以及砂漿與集料間的力學特性,如表3所示,通過1.2節劈裂試驗結果確定數量級,并進行估算,采取試錯法,最終與實際結果比較,確定平行黏結參數、法向力和切向力等。

表3 平行黏結模型參數Table 3 Linear bond stiffness model parameters

2.2.3 裂隙形成

在PFC2D中,裂隙的形成是由于在外力荷載的作用下,黏結力學模型失效,進而引起內部的裂隙生成。裂隙是沒有力學的參數的,不參與任何計算,但會影響力學反應。裂隙的形成是在兩顆粒黏結中心間連線的法向位置生成一個裂隙,為gap的中垂線,長度為兩顆粒中較小直徑,即2min{R1,R2},如圖4所示。

R1、R2為實體顆粒1、2的半徑;gap為兩顆粒間黏結的距離圖4 裂隙細觀模型Fig.4 The model of fracture fine view

3 蓄鹽瀝青混合料低溫抗裂性能分析

3.1 模型驗證及細觀特性分析

根據上述方法,分別形成蓄鹽瀝青混合料和普通瀝青混合料,對其進行虛擬劈裂虛擬試驗模擬。得到蓄鹽瀝青混合料峰值為1.15 MPa,實際值為1.17 MPa,誤差僅為0.018;普通瀝青混合料的峰值為1.32 MPa,實際值為1.36 MPa,誤差不超過0.03,劈裂強度如圖5所示。因此瀝青混合料虛擬試件模擬低溫條件下劈裂試驗是合理的。

圖5 瀝青混合料劈裂強度Fig.5 Splitting strength of asphalt mixtures

因此在細觀層次上,通過判斷黏結失效類型來確定裂紋的數目及類型,如圖6和圖7所示。兩種瀝青混合料裂隙變化趨勢大體一致。在開始加載初期,裂隙的數目增長較為緩慢,隨著荷載的增加,裂隙也在明顯增加,在達到應力峰值后,數目急劇增大,且呈現斷崖式的增長。究其原因是達到應力峰值后,瀝青混合料內部結構發生了破壞,無法承擔更多的荷載,加上前期微裂隙的產生,在荷載的作用下進一步加速其余裂隙的生成,進而將試件完全破壞,形成貫穿裂紋。研究發現:當應力方向平行于切線方向時,則為剪切破壞,裂隙發展主要是Ⅱ型裂隙(藍色線段);當應力方向垂直于黏結面時,則為拉應力,裂隙擴展主要為Ⅰ型裂縫(紅色線段)。經過統計,兩種類型混合料I型裂隙均占比約為92%,Ⅱ型裂隙均占比僅為8%,說明混合料內部的破壞主要是由于拉應力產生的I型裂隙造成的,與蓄鹽填料的摻加無關。

圖6 蓄鹽瀝青混合料裂隙Fig.6 Crack in salt storage asphalt mixtures

圖7 普通瀝青混合料裂隙Fig.7 Crack in s asphalt mixtures

3.2 低溫抗裂性能影響因素對比分析

影響混合料抗低溫的因素有很多,以下將繼續從粗集料形態、粗集料摩擦因數以及空隙率三方面將對蓄鹽瀝青混合料和普通瀝青混合料進行對比模擬。

3.2.1 粗集料形態

為研究粗集料對普通瀝青混合料和蓄鹽瀝青混合料和劈裂強度的影響,將選取不同形態的粗集料作為研究對象,采取隨機生成的方法,分別選取0邊形(圓)、四邊形、六邊形和八邊形進行模擬,如圖8所示。

圖8 粗集料形態Fig.8 Coarse aggregate form

從圖8中可看出,隨著邊數的增加,峰值應力也隨之增大,這是由于單位長度上,瀝青砂漿與粗集料的黏結數目增多,使得瀝青砂漿與集料之間有更多的黏結,但是八邊形的集料峰值應力有所降低,可能是由于其外形輪廓逐漸趨向與圓形,棱角性不明顯,黏結力減小,進而使得瀝青混合料強度降低。

從圖9(a)、圖9(b)對比可知,融雪鹽的摻加會將降低瀝青混合料的劈裂強度,由于摻加融雪鹽后,瀝青砂漿與骨料間的黏結力減弱,分別對應下降了13%、20%、12%和9.7%,但強度下降趨勢減緩。這是由于隨著粗骨料邊上數目的增加,骨料間的嵌擠作用明顯,進而力學特性更加穩定。

圖9 不同形態下的峰值應力Fig.9 Peak stress in different forms

3.2.2 粗集料摩擦因數影響

通過改變粗集料的摩擦因數,來表征粗集料的表面紋理,摩擦因數越大,表面紋理越明顯。試驗模擬中分別選取摩擦因數f為0.2、0.3、0.4、0.5來進行模擬研究。

如圖10所示,可以看出不同的摩擦因數下,瀝青混合料的劈裂強度變化不大,最大應力值在f為0.5時取到,分別為1.41 MPa和1.2 MPa。混合料試件內部主要是由于拉應力作用下發生破壞,研究表明,試件的抗剪能力與粗集料的粗糙程度有關,達到一定比例后,抗剪性能有所減弱,基于本研究試件是由于受拉發生破壞,因此粗集料的摩擦因數對劈裂強度影響較小。

圖10 摩擦因數與劈裂強度關系Fig.10 Relationship between friction coefficient and splitting strength

3.2.3 空隙率影響

室內實驗表明:空隙率對瀝青混合料的影響甚大,在一定體積或面積內,空隙率占比越大,瀝青砂漿和粗集料之間總的分數越少,也就意味著砂漿與粗集料之間的黏結力也就越小。為了研究空隙率與低溫劈裂性能的關系,分別選取4%、6%和8%的空隙進行蓄鹽瀝青混合料劈裂試驗模擬。

從圖11可知,隨著空隙率的增大劈裂強度逐漸減小,空隙率從4%增大到8%,普通瀝青混合料峰值應力從1.47 MPa 下降到1.23 MPa,而蓄鹽瀝青混合料劈裂強度從1.29 MPa 下降到1.15 MPa,劈裂強度損失約為10%。

圖11 空隙率與劈裂強度關系Fig.11 Relationship between void ratio and splitting strength

為明確探究蓄鹽瀝青混合料的細觀特性,如圖12所示,在不同空隙率之下,達到應力峰值時,試件形成的裂紋數目,以及最終破壞時裂紋的最終形態。由此可見,隨著空隙率的增大,裂紋數目也逐漸增多,試件也更容易發生破壞;此外空隙率的改變對結構內部的承載力有著巨大影響,這是因為空隙率的增大,細觀層面上,骨料間的嵌擠作用降低,同時瀝青砂漿與集料之間的距離增大,黏結力減小,在荷載的持續作用下,混合料更易發生破壞,裂縫也更易產生,進而劈裂強度也就越小,低溫抗裂性能也越差。

圖12 空隙率與裂紋數目間關系Fig.12 Relationship between void ratio and number of cracks

4 結論

(1)由宏觀和細觀模擬對比實驗可知,摻加蓄鹽填料之后,劈裂強度為1.17 MPa,與普通瀝青混合料為1.32 MPa相比,強度有所降低。當達到應力峰值時,普通瀝青混合料和蓄鹽瀝青混合料的裂隙數目分別為28和32,當試件最終破壞時,裂隙數分別為119和162,裂隙數目明顯增加。可見,添加蓄鹽填料會對混合料的劈裂強度產生一定劣化作用。

(2)不論是否添加蓄鹽填料,裂紋數量和類型均具有一致的變化規律:即當達到劈裂強度后,裂紋數目均會急劇增加,且試件內部產生的裂紋形式以I型裂紋為主,破壞方式主要為拉應力破壞。

(3)集料的形態對蓄鹽瀝青混合料結構的穩定性有顯著影響,粗集料的摩擦因數對瀝青混合料的低溫性能影響不大。劈裂強度隨著粗集料形態(骨料邊的數目)呈現先增大后減小的趨勢。

(4)試件的空隙率對蓄鹽瀝青混合料低溫抗裂性能影響明顯,劈裂強度隨著空隙率的增大而減小,呈現負相關。