鋼渣瀝青混凝土的疲勞性能及應變分析

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(1.昆明理工大學，建筑工程學院，云南 昆明 650500； 2.云南省土木工程防災重點實驗室，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

根據國家統(tǒng)計局數(shù)據[1]，2014年，我國生產粗鋼8.22億噸，按照上述的粗鋼與鋼渣的轉換關系計算，2014年我國生產鋼渣約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)境的嚴重破壞。如何提高利用率、充分有效地應用鋼渣是目前面臨的一個難題[2]。為了有效利用鋼渣，考慮把鋼渣應用于各個方面，如把鋼渣應用于砌筑砂漿[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用于瀝青混凝土路面建設，研究者從不同的角度研究和評價了鋼渣應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用于柔性路面組成中的基層和路面基層瀝青混凝土，試驗結果表明鋼渣用于公路建設使機械性能有很大提高。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，結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，細鋼渣作為細集料進行馬歇爾的基本試驗，表明細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混合料進行對比分析，結果顯示，鋼渣作為粗集料的SMA混合料滿足相關規(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，對其替代普通集料后形成的瀝青混凝土的疲勞性能進行了研究。

瀝青混凝土是由集料、瀝青和空隙組成的三相復合材料，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構設計及性能的優(yōu)化，一直成為研究的熱點。瀝青混凝土路面的疲勞指標也是其結構設計的重要參數(shù)之一，疲勞性能的評價分為外部因素和內部因素，外部因素主要為試驗方法，試驗溫度，加載頻率等，內部因素有瀝青種類及用量、結構類型和集料最大粒徑和集料類型[17]。對目前室內瀝青混合料疲勞試驗方法的對比和分析，由于間接拉伸疲勞試驗以其抗壓應力并存下的拉應力破壞模式更適合路面的應力狀態(tài)，而被看好用于評價瀝青混凝土疲勞力學性能，可作為本試驗的試驗方法。傳統(tǒng)疲勞力學性能的分析方法較多，但大多方法用于均質材料，對非均質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用價值[19]，在材料力學性能分析上得到了很好的應用。

本文對不同形狀的集料，在相同的級配下成型試件進行間接拉伸疲勞試驗，結合數(shù)字圖像相關方法對試件中心區(qū)域的變形進行分析，根據試件位移場應變場的變化信息，得到不同類型瀝青混凝土應變變化累積過程。通過本試驗為鋼渣科學有效的應用到道路建設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

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

表1 瀝青特性測試結果Table 1 Test Results of Asphalt

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

2.2 樣品的制備

本試驗選取AC-13瀝青混凝土進行試驗。試驗確定的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)用細鋼渣代替天然細集料制備的AC-13試件，粗骨料被含細鋼渣的瀝青膠漿充分地推擠開，細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)，有利于增強粗骨料和瀝青、瀝青膠漿之間相互的粘結力和裹覆力。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 集料篩分試驗結果Table 3 Sieving Test Results of Aggregates

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

圖2 試件形貌 (a) 細鋼渣代替天然細集料； (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

3.1 疲勞性能試驗

本試驗選用應力控制模式進行間接拉伸疲勞試驗，采用UTM-30試驗機。試驗前，試件置于環(huán)境箱中(設置目標溫度20℃)保溫4h[21]。在20℃下進行試驗，控制前10次循環(huán)初始微應變在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SHRP對間接拉伸試驗接觸力大小的推薦，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]。所以本試驗設置接觸力為50N。根據規(guī)范[21]經多次調試，選用拉伸應力為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)的構建

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

4 試驗結果及分析

4.1 體積指標測定

應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)據為測定最終配合比成型試樣所得，鋼渣取代粗細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 間接拉伸回彈應變及回彈模量分析

本試驗間接拉伸回彈應變試驗結果如圖4。

表4 部分試件體積指標參數(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變主要經歷三個階段。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)下產生較大的應變，即應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:應變平穩(wěn)變化階段，表征了裂紋穩(wěn)定擴展，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鋼渣和粗鋼渣代替天然集料的瀝青混凝土應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(抗裂紋擴展能力)方面有很大的提高；第III階段：進入失穩(wěn)擴展階段，表征了試件的破壞，其斜率快速增大，在短時間內快速破壞。

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?；貜椖Ａ坑糜谠u價路面材料抗壓強度，是在試驗過程中回彈應變值和應力值的比值。從圖5中可以看出，回彈模量的變化經歷三個階段，這三個階段與回彈應變值的三個變化階段相對應。圖5表明，鋼渣代替天然集料的瀝青混凝土抗壓強度優(yōu)于普通瀝青混凝土，抗壓強度大小為：細鋼渣瀝青混凝土>粗鋼渣瀝青混凝土>普通瀝青混凝土。

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

4.3 變形及應變云圖分析

數(shù)字圖像相關方法是一種基于計算機視覺原理、數(shù)字圖像處理和數(shù)值計算的、非接觸、非干涉、全場變形光學計量方法，是當前實驗力學領域最活躍、最受關注、應用最廣泛的光測力學方法之一。本文通過數(shù)字圖像相關方法對瀝青混凝土試件進行局部(中心區(qū)域)應變分析，其變形與應變如下所述。

圖6為粗鋼渣瀝青混凝土試件X方向應變Exx變化云圖。間接拉伸的拉伸應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力，產生較大的變形。圖中可見，試件中部存在較大的應變，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變集中現(xiàn)象，且在該區(qū)域有較大的應力作用，故在疲勞應力荷載交替循環(huán)下極易產生裂紋。從圖中還可看出，試件疲勞應變在加載過程中逐漸累積，試件中部變形最大，形成接近帶狀的應變集中區(qū)，并沿兩側逐漸減弱，與試件理論上所受間接拉伸應力分布相一致，帶狀區(qū)形狀與試件疲勞裂紋的形成及擴展路徑一致。

圖6 粗鋼渣瀝青混凝土應變云圖((a)、(b)、(c)分別表示1000、3500、6000次循環(huán)對應的試件應變)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，垂直方向中部應變明顯，存在應力集中現(xiàn)象，其最大應變發(fā)生在瀝青與細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制而成，棱角尖銳，導致應力作用增大，在相同的應力水平，疲勞應變累積速率增大，導致裂紋的形成較早，擴展較劇烈，疲勞壽命縮減。

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

綜合以上圖6，圖7和圖8來看，數(shù)字散斑相關方法得到的應變場的最大路徑與實際裂縫發(fā)生的位置基本一致，表明數(shù)字散斑相關方法是獲取瀝青混凝土試件表面真實應變分布狀態(tài)的有效方法。由DIC方法清晰地看出試件表面應力應變的積累變化過程，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，細鋼渣瀝青混凝土的應變集中區(qū)分散，未形成明顯的擴展路徑。

在相同試驗條件和加載方式下，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

在間接拉應力600KPa下，普通試件的循環(huán)次數(shù)為6211次，細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 普通瀝青混凝土應變云圖((a)、(b)、(c)分別表示1000、3500、6000次循環(huán)對應的試件應變)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 細鋼渣瀝青混凝土應變云圖((a)、(b)、(c)分別表示1000、3500、6000次循環(huán)對應的試件應變)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 論

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

2.試件破壞發(fā)生在應變較大的中心區(qū)域，破壞路徑與DIC方法所得的較大應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力集中較大處，產生較大應變，應變隨即向膠漿中心區(qū)域擴散，導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集料，在相同的試驗條件下，鋼渣瀝青混凝土的疲勞壽命得到了大幅的提高，其中以細鋼渣取代細集料所制試件效果最為顯著。將昆鋼鋼渣運用于瀝青路面中在其力學性能上與天然集料瀝青路面相比有著很好的應用前景。