環(huán)氧瀝青混合料細(xì)觀尺度水損壞特性

胡 靖 錢振東

(東南大學(xué)智能運(yùn)輸系統(tǒng)研究中心, 南京210096)

環(huán)氧瀝青混合料(EA)是大跨徑鋼橋面的主要鋪裝材料之一,是由集料和瀝青砂漿所組成的多相混合料.水對EA的影響十分復(fù)雜,一方面,水分降低了瀝青混合料的強(qiáng)度,使其在載荷作用下容易出現(xiàn)破壞;另一方面,集料的化學(xué)和熱力學(xué)性質(zhì)決定了集料對水的吸附性大于對瀝青砂漿的吸附性,因此水分會逐漸浸入集料與瀝青砂漿的黏結(jié)面,直至兩者剝離.在細(xì)觀結(jié)構(gòu)上可以理解為瀝青砂漿在水分作用下模量和黏結(jié)力的衰減.

針對水分對瀝青混合料的影響,文獻(xiàn)[1-2]主要從宏觀角度進(jìn)行研究,但無法在本質(zhì)上揭示混合料內(nèi)部各組分的影響機(jī)理.采用有限元數(shù)值技術(shù)進(jìn)行瀝青混合料的細(xì)觀力學(xué)研究已成為分析內(nèi)部組分影響的有效途徑.Bandyopadhyaya等[3]通過有限元軟件建立瀝青混合料的細(xì)觀力學(xué)模型,預(yù)測了集料為不規(guī)則形狀與橢圓形顆粒時(shí)的力學(xué)行為,較好地模擬了混合料裂縫的大小及位置;Dai[4]利用細(xì)觀模型分析了瀝青混合料的動態(tài)模量和相位角等黏彈性質(zhì),表明細(xì)觀模型是預(yù)測瀝青混合料黏彈性能的有效方法;Arambula等[5]則利用瀝青混合料細(xì)觀模型分析了水汽擴(kuò)散運(yùn)動的機(jī)理及影響因素,指出混合料中水分?jǐn)U散系數(shù)對水損破壞有直接關(guān)系.近年來,Liu等[6]通過內(nèi)聚力模型(CZM),在瀝青混合料劈裂模型中預(yù)設(shè)裂縫,模擬了裂縫萌生與擴(kuò)展變化過程中試件的力學(xué)狀況;Caro等[7]采用CZM模擬瀝青混合料中集料與瀝青砂漿的黏結(jié)界面,研究了瀝青混合料中水汽對混合料力學(xué)強(qiáng)度、材料性質(zhì)及加載情況的影響,表明采用有限元方法研究水損破壞的可行性[7].盡管已有學(xué)者進(jìn)行了瀝青混合料細(xì)觀力學(xué)水損方面的研究,但很少涉及不同水分?jǐn)U散狀態(tài)下的混合料力學(xué)變化情況.因此本文使用ABAQUS有限元軟件建立EA細(xì)觀力學(xué)與流體滲透模型,分析干燥、部分飽和以及完全飽和情況下瀝青混合料內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變以及集料與瀝青砂漿黏結(jié)界面裂縫的萌生、擴(kuò)展直至失效的過程.

1 瀝青混合料內(nèi)聚力模型

CZM是模擬黏結(jié)面逐步分離的力學(xué)計(jì)算方法,最初用于模擬脆性材料的斷裂過程.CZM的本構(gòu)關(guān)系由內(nèi)聚力區(qū)域單元的牽引-分離定律(traction-separation law)所定義,該定律描繪了界面上的黏聚力與單元厚度方向上2個(gè)面之間相對位移的關(guān)系[8].ABAQUS中提供了線性與指數(shù)2類本構(gòu)關(guān)系的內(nèi)聚力單元(cohesive element),文獻(xiàn)[9]指出線性本構(gòu)模型較適合模擬瀝青混合料斷裂特性,如圖1所示.圖中,T為裂縫前段微小區(qū)域內(nèi)的內(nèi)聚力,即黏聚力;Tc為黏聚力極值;δ為分離界面的相對位移;δn與δf分別對應(yīng)軟化點(diǎn)及最終破壞的相對位移.

圖1 內(nèi)聚力模型原理與線性本構(gòu)關(guān)系圖

線性內(nèi)聚力本構(gòu)由2部分組成:在初始損傷發(fā)生前(內(nèi)聚力小于Tc,且相對位移小于δn)的線性關(guān)系和單元達(dá)到初始損傷后的線性軟化過程.在理論上,初始損傷處的內(nèi)聚力達(dá)到Tc后材料出現(xiàn)開裂破壞,而線性本構(gòu)關(guān)系曲線下方的面積即為材料的斷裂能.采用界面黏結(jié)單元模擬裂紋的萌生與擴(kuò)展,其初始損傷準(zhǔn)則為最大名義應(yīng)力判據(jù):

(1)

(2)

模型中分別采用三角形平面應(yīng)變單元(CPE3)和帶孔隙水壓性質(zhì)的四邊形平面應(yīng)變單元(CPE4P)對瀝青砂漿與集料劃分網(wǎng)格,在每個(gè)集料的四周建立厚度為0.1 mm的界面黏結(jié)平面單元,用于模擬集料與周圍瀝青砂漿的黏結(jié)作用.在局部區(qū)域采用較細(xì)網(wǎng)格,以確保計(jì)算精度,細(xì)觀模型及其有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖2 EA細(xì)觀有限元模型建立圖示(單位：mm)

為了保證瀝青砂漿與界面黏結(jié)單元變形的協(xié)調(diào)性,假設(shè)兩者的材料參數(shù)取值相同，隨著含水率的不同產(chǎn)生線性變化,部分材料參數(shù)取自文獻(xiàn)[10],列于表1.

表1 細(xì)觀模型材料參數(shù)

2 荷載-水分?jǐn)U散有限元細(xì)觀模型

瀝青混合料細(xì)觀力學(xué)模型分析采用流體滲透/應(yīng)力耦合分析類型.在滲流過程中,對模型施加逐漸增大的均布載荷,增幅恒定為0.05 MPa/s.由于實(shí)際車輛載荷對鋪裝層的作用時(shí)間遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的滲流時(shí)間,因此假設(shè)瀝青混合料的孔隙率不隨模型的變形改變且滲流狀態(tài)與所處的應(yīng)力狀態(tài)無關(guān).

細(xì)觀模型的水分滲透遵循Forchheimer定律,假定模型上表面受滲透水壓,下表面設(shè)為排水邊界,兩側(cè)則為不排水邊界.由于滲透水壓的作用,模型內(nèi)部各點(diǎn)的含水率隨時(shí)間不斷發(fā)生變化,即出現(xiàn)水分?jǐn)U散現(xiàn)象,如圖3所示.

圖3 瀝青混合料細(xì)觀模型水分?jǐn)U散過程

假設(shè)隨著瀝青混合料中瀝青砂漿與界面黏結(jié)層含水率的變化(由干燥到完全飽和),各項(xiàng)參數(shù)均由干燥時(shí)的初始值線性衰減至完全飽和時(shí)初始值的一半,因此本文利用場變量技術(shù)來研究瀝青混合料水損壞過程中材料參數(shù)的變化.

3 荷載-水耦合作用下瀝青混合料水損壞細(xì)觀數(shù)值仿真

本節(jié)對界面黏結(jié)單元與混合料內(nèi)部砂漿單元兩者的受力特性進(jìn)行分析,研究在荷載-水耦合作用下EA內(nèi)部的力學(xué)響應(yīng).

3.1 細(xì)觀模型黏結(jié)界面斷裂狀態(tài)分析

載荷作用下瀝青混合料內(nèi)部會產(chǎn)生復(fù)雜的力學(xué)響應(yīng),集料與瀝青砂漿黏結(jié)界面中過大的應(yīng)力應(yīng)變會導(dǎo)致黏結(jié)狀態(tài)的失效,特別是在有水分參與作用的情況下.本研究中,模型內(nèi)部各單元處的含水率隨時(shí)間的增加而增大,這將直接導(dǎo)致瀝青砂漿與界面層材料性能的衰減.

表2和圖4分別反應(yīng)了不同含水率情況下集料與瀝青砂漿由于載荷作用,導(dǎo)致黏結(jié)界面隨作用時(shí)間而出現(xiàn)破壞的發(fā)展情況.

表2 不同含水率下黏結(jié)界面失效時(shí)間 s

不同含水率對黏結(jié)界面失效點(diǎn)位置與失效時(shí)間都有較大的影響.完全干燥情況下,集料與瀝青砂漿的黏結(jié)界面在載荷作用下出現(xiàn)第1個(gè)失效點(diǎn)的時(shí)間是133 s,相對于部分飽和與完全飽和情況下的92 s和71 s,分別高出30.8%和46.6%,表明瀝青混合料在干燥時(shí)出現(xiàn)初始破壞所需的載荷要大得多.此外,不同含水率下集料與砂漿的初始失效點(diǎn)位置相同,但后續(xù)失效點(diǎn)出現(xiàn)的順序有所改變.也可看出,隨著含水率的上升,瀝青混合料的破壞程度與速率均朝著不利的方向發(fā)展,表現(xiàn)為在載荷相同的情況下,發(fā)生剝落的集料顆數(shù)隨著含水率的上升而增加.由圖4還可發(fā)現(xiàn),最容易發(fā)生剝落的是體積較大且形狀較為不規(guī)則的集料.

圖4 不同含水率集料剝落情況

在不同含水率下,集料與瀝青砂漿黏結(jié)界面失效長度與加載時(shí)間的擬合關(guān)系曲線如圖5所示.式(2)中設(shè)破壞水平D處于0.95～1范圍內(nèi),計(jì)算所有集料周圍界面黏結(jié)單元失效長度總和作為黏結(jié)界面失效總長度.

圖5 失效界面總長度隨荷載作用時(shí)間的變化

從圖5可看出,失效總長度在發(fā)生時(shí)間與增長速率方面與含水率有很大的關(guān)系.完全飽和時(shí)集料與瀝青砂漿黏結(jié)界面在加載71 s后萌生裂縫,比部分飽和與干燥狀況下裂縫萌生時(shí)間分別早21 s和62 s.曲線也顯示了黏結(jié)界面剝離的變化趨勢,即出現(xiàn)初始裂縫后,在載荷的逐漸作用下新裂縫出現(xiàn)的速率逐漸增大,出現(xiàn)一段明顯的快速增長期,最后裂縫增長速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定.材料處于干燥狀態(tài)的瀝青混合料,產(chǎn)生相同長度的黏結(jié)界面裂縫需要更大的載荷,說明了保證瀝青混合料的干燥狀態(tài)或相對較低的含水量對抵抗裂縫、剝落等病害是有利的.

圖6為瀝青混合料最不利受力點(diǎn)處界面黏結(jié)單元的最大主應(yīng)力隨載荷作用時(shí)間的變化曲線圖.分析結(jié)果表明,在不同含水率情況下,集料與瀝青砂漿的剝落破壞出現(xiàn)時(shí)間存在較大的差異.在出現(xiàn)初始破壞前,其最大主應(yīng)力與加載時(shí)間呈現(xiàn)線性變化關(guān)系且不同含水率下的應(yīng)力大小相似,但是界面黏結(jié)單元在發(fā)生初始破壞、損傷累積直至完全失效的過程中,其最大主應(yīng)力的變化并沒有遵循線性規(guī)則,而是呈拋物線衰減,這主要是由于含水率的變化改變了材料性質(zhì)以及黏結(jié)單元的失效并非由于純拉或純剪,而是復(fù)合破壞所致.

當(dāng)瀝青混合料處于干燥狀態(tài)時(shí),材料性能并不受到水分的影響,界面黏聚力較大,只有在加載時(shí)間足夠長(載荷足夠大)的情況下才能發(fā)生破壞,其發(fā)生初始損傷時(shí)的最大主應(yīng)力超過了4 MPa;隨著材料含水率的增加,部分飽和時(shí)和完全飽和時(shí)發(fā)生初始損傷時(shí)的最大主應(yīng)力分別為3.1 MPa和2.1 MPa,分別比干燥時(shí)的最大主應(yīng)力減少27%和50%.

3.2 瀝青混合料細(xì)觀尺度受力狀態(tài)分析

瀝青混合料在豎向載荷作用下,由于橫向拉應(yīng)力的作用,容易出現(xiàn)裂縫病害.為了分析瀝青混合料在荷載-水耦合作用下細(xì)觀結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)情況,選取圖7(a)中所示的細(xì)觀混合料模型豎向中線處應(yīng)力應(yīng)變作為研究對象,研究載荷作用下橫向應(yīng)力、應(yīng)變在豎向中線處的變化趨勢,如圖7所示.

圖7 瀝青混合料豎向中線處應(yīng)力和應(yīng)變曲線

由圖7(a)可知，曲線變化趨勢總體上是相似的,并沒有因?yàn)樗值挠绊懚霈F(xiàn)較大的差異.圖中數(shù)據(jù)表明,瀝青混合料中的集料主要承受水平壓應(yīng)力,而瀝青砂漿沿豎向中線的橫向應(yīng)力分布要復(fù)雜得多,在靠近集料的部位表現(xiàn)為拉應(yīng)力,而遠(yuǎn)離集料的部位則表現(xiàn)為壓應(yīng)力,說明在集料與瀝青砂漿的黏結(jié)界面以及在集料附近的瀝青砂漿區(qū)域都是處于橫向受拉狀態(tài),容易產(chǎn)生開裂破壞.因此,不同含水率條件下,集料附近的瀝青砂漿受力最不利,且由于集料與砂漿黏結(jié)界面的分離,極易產(chǎn)生裂縫破壞.

圖7(b)曲線中除貫穿集料部分的應(yīng)變接近于0外,其他部分大多呈現(xiàn)拉應(yīng)變狀態(tài).相對于應(yīng)力變化,應(yīng)變曲線受不同材料含水率的影響較大,基本上表現(xiàn)為含水率越高,混合料所受的拉應(yīng)變越大,這主要是由于材料性能受含水率的增加而出現(xiàn)衰減所致.

4 結(jié)論

1) 水分的存在對EA中集料與瀝青砂漿的黏結(jié)極為不利,隨著混合料含水率上升,集料與瀝青砂漿剝離的程度趨于嚴(yán)重,且水損病害首先發(fā)生在體積較大、形狀不規(guī)則的集料四周.

2) 在不同含水率下,界面發(fā)生剝離的時(shí)間與長度不同.處于干燥狀況的瀝青混合料出現(xiàn)相同界面裂縫需要更大的外部載荷以及更長的作用時(shí)間.

3) 黏結(jié)界面失效點(diǎn)處的最大主應(yīng)力在不同含水率下的變化趨勢相同,但干燥時(shí)最大主應(yīng)力為4.2 MPa,分別是部分飽和以及飽和狀態(tài)下的1.4倍和2倍.

4) 瀝青砂漿在靠近集料的部分主要表現(xiàn)出較大的拉應(yīng)力,而遠(yuǎn)離集料的部分則為壓應(yīng)力.說明集料與瀝青砂漿的黏結(jié)界面及其附近區(qū)域都處于不利的受力狀態(tài).

本文尚未考慮不同溫度下瀝青砂漿的黏彈塑性材料參數(shù),將在下一步進(jìn)行研究.

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