瀝青混合料損傷演化與粗集料性能及參數(shù)研究

袁維安

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

0 引言

瀝青混合料是現(xiàn)代化路橋工程和建筑工程項(xiàng)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(zhì)量在很大程度上影響工程項(xiàng)目的施工質(zhì)量和使用安全性。而瀝青混合料的內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)，則是影響材料性能和造成混合料結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生細(xì)微裂紋及其他結(jié)構(gòu)缺陷問題的重要原因。因此，只有有效遏制瀝青混合料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的損傷問題，才能更好地確保應(yīng)用于工程項(xiàng)目施工的瀝青混合料質(zhì)量和性能可以達(dá)到建設(shè)方要求的標(biāo)準(zhǔn)水平，而這同樣也是為有關(guān)建筑的使用安全提供更加可靠的保障。

1 粗集料接觸參數(shù)與DIC試驗(yàn)的內(nèi)容與意義

粗集料接觸參數(shù)是一種由標(biāo)準(zhǔn)混合料試樣測量而得到的，用于衡量粗集料顆粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和不同條件下性能變化的一種標(biāo)志性指標(biāo)。這種參數(shù)主要反映的是粗集料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)于混合料的力學(xué)性能與質(zhì)量所造成的不同程度的影響效果。由于大多數(shù)應(yīng)用于施工項(xiàng)目的混合料都是由一些顆粒粒徑大小不同，但性能與材質(zhì)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(xiàn)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(shè)計(jì)不科學(xué)的問題，就很容易導(dǎo)致混合料內(nèi)部質(zhì)量分布不均勻或者局部區(qū)域原材料粒徑相差較大等問題，進(jìn)而引起混合料顆粒內(nèi)部的細(xì)觀結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)成分偏析和細(xì)微裂紋等缺陷。而為了盡可能避免在實(shí)際施工過程中由于保存不當(dāng)或者運(yùn)輸管理出現(xiàn)問題而引發(fā)的瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷與改性問題，通常施工現(xiàn)場的管理人員都會(huì)對(duì)每一批混合料進(jìn)行試樣采集和DIC實(shí)驗(yàn)，以此來達(dá)到進(jìn)一步減少混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)損傷和控制其整體穩(wěn)定性能的效果。

DIC試驗(yàn)是指根據(jù)試件表面不同時(shí)段下的散斑單元進(jìn)行計(jì)算，從而獲得試件微觀組織的位移與應(yīng)變的試驗(yàn)方法。在本次試驗(yàn)中主要是針對(duì)粗集料的骨架結(jié)構(gòu)隨著其顆粒內(nèi)部細(xì)觀損傷的演化程度，而隨之產(chǎn)生的不同形態(tài)與性能變化的規(guī)律。充分掌握這種變化規(guī)律有助于人們更好地對(duì)混合料中粗集料性能失調(diào)和結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定問題產(chǎn)生的主要影響因素進(jìn)行分析和控制。另外，通過對(duì)粗集料主骨架結(jié)構(gòu)特征參數(shù)的分析與確定，有關(guān)試驗(yàn)人員還能夠有效地掌握骨架結(jié)構(gòu)參數(shù)隨著顆粒細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷而產(chǎn)生的不同程度，同時(shí)對(duì)于更好地理解宏觀應(yīng)力影響混合料穩(wěn)定性能的主要方式及最終影響效果具有非常積極的促進(jìn)作用。

可以通過試驗(yàn)和實(shí)際應(yīng)用檢測，進(jìn)一步充分掌握在細(xì)觀損傷演化的影響下，瀝青混合料的粗集料中所發(fā)生的骨架結(jié)構(gòu)變形臨界條件及特征參數(shù)的變化值。研究混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷的主要目的，是為了能夠有效減少內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷和應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象，從而使混合料顆粒的各項(xiàng)性能參數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)控制在工程項(xiàng)目要求的材料質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。在此過程中，對(duì)于混合料顆粒標(biāo)準(zhǔn)性能指標(biāo)的確定要充分參考顆粒堆積理論中對(duì)于顆粒性能的相關(guān)要求，這樣才能有效掌握更加科學(xué)和規(guī)范的瀝青混合料粗集料細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷演化的客觀變化規(guī)律，以及粗集料接觸參數(shù)在此過程中所產(chǎn)生的影響效果。

2 瀝青混合料主骨架顆粒配位參數(shù)表征方法研究

主骨架顆粒、干擾顆粒和膠質(zhì)材料等構(gòu)成瀝青混合料中除空位以外的其他全部組織結(jié)構(gòu)，而主骨架顆粒則是決定瀝青混合料整體性能穩(wěn)定性的關(guān)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(qiáng)的規(guī)律性，而隨著各部分顆粒之間相互接觸以及進(jìn)行內(nèi)部應(yīng)力傳遞，使得瀝青混合料內(nèi)部的結(jié)構(gòu)力整體趨于穩(wěn)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(shí)結(jié)構(gòu)。除此之外，主力鏈網(wǎng)絡(luò)也是在瀝青混合料主要框架結(jié)構(gòu)中起到至關(guān)重要的影響作用的一種標(biāo)志性組成結(jié)構(gòu)。這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成主要是由于在混合料內(nèi)部顆粒的接觸過程中，在外部載荷的作用下接觸平面發(fā)生了較為明顯的結(jié)構(gòu)與性能變化，而通常構(gòu)成主力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的微觀粒子主要為混合料中的干擾顆粒(詳見圖1)。在計(jì)算瀝青混合料主骨架顆粒接觸主力鏈配位參數(shù)的過程中，有關(guān)工作人員需要準(zhǔn)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(shù)關(guān)系進(jìn)一步測得相應(yīng)的特征參數(shù)與配位數(shù)。運(yùn)用這種方式能夠更好地確保利用特征參數(shù)和配位參數(shù)表征瀝青混合料主骨架顆粒結(jié)構(gòu)及狀態(tài)變化的精確性和客觀正確性。

圖1 集料干擾顆粒主力鏈?zhǔn)疽鈭D

3 基于DIC試驗(yàn)的細(xì)觀結(jié)構(gòu)損傷演化分析方法

3.1 應(yīng)變場變化及特征分析

瀝青混合料的疲勞損傷現(xiàn)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(gè)疲勞損傷的變化過程中都直接影響著變化的形態(tài)以及持續(xù)的時(shí)間，因此對(duì)混合料的疲勞性能研究才是DIC試驗(yàn)中的重點(diǎn)內(nèi)容(詳見圖2)。為了確保在實(shí)驗(yàn)的過程中能夠準(zhǔn)確測得瀝青混合料試樣在重復(fù)加載條件下所表現(xiàn)出的疲勞損傷現(xiàn)象具有標(biāo)志性和正確性的特點(diǎn)，需要試驗(yàn)人員合理控制加載的強(qiáng)度和速度，這樣才能確保在不斷的拉伸過程中，試樣的形態(tài)變化以及應(yīng)力場變化情況能夠清晰地展現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)者面前。而根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得的瀝青混合料應(yīng)變場演化特征數(shù)據(jù)，還可以將損傷破壞的過程細(xì)分為損傷初始階段，損傷發(fā)展的前、中、后期三個(gè)階段以及損傷破壞階段。在這五個(gè)階段中，瀝青混合料內(nèi)部應(yīng)力場變化所表現(xiàn)出的主要特征也存在著很大不同，并且在持續(xù)加載中所產(chǎn)生的載荷集中與應(yīng)力集中問題，還會(huì)進(jìn)一步演變?yōu)榛旌狭蟽?nèi)部部分組織顆粒的細(xì)觀結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了雜亂分布的裂紋和損傷痕跡，并且在細(xì)觀結(jié)構(gòu)裂紋高度集中的部位還出現(xiàn)了由于混合料抗拉伸性能失效而發(fā)生的組織斷裂問題。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生都清晰地表明了由瀝青混合料材料構(gòu)成的建筑結(jié)構(gòu)，在持續(xù)不斷的疲勞荷載作用下會(huì)逐步發(fā)生應(yīng)力集中和損傷集中問題，進(jìn)而在缺乏有效管理的基礎(chǔ)上演變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)斷裂的嚴(yán)重問題，直接影響到該結(jié)構(gòu)的使用安全性與穩(wěn)定性。

圖2 試驗(yàn)用DIC系統(tǒng)示意圖

3.2 疲勞損傷因子定量分析及統(tǒng)計(jì)研究

疲勞損傷因子的計(jì)算及定量分析過程，是研究人員確定實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)所發(fā)生的疲勞損傷程度和具體引導(dǎo)因素的一個(gè)必要環(huán)節(jié)。為了能夠?qū)旌狭现衅趽p傷因子進(jìn)行精確的定量分析，有關(guān)研究人員需要科學(xué)地運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法進(jìn)一步掌握應(yīng)變量波動(dòng)變化的規(guī)律和幅度范圍，同時(shí)要以此環(huán)節(jié)實(shí)際測得的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)繪制非均勻應(yīng)變場的演化過程，這樣才能夠便于后期進(jìn)行定量分析時(shí)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行有效的比對(duì)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(duì)混合料局部微觀結(jié)構(gòu)造成的作用力效果會(huì)在試驗(yàn)材料發(fā)生疲勞斷裂的階段中出現(xiàn)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(xiàn)為材料性能的急劇下降和內(nèi)應(yīng)力在部分結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)高度集中的現(xiàn)象。另外需要注意的是，在計(jì)算疲勞損傷因子時(shí)需要充分利用均勻加載的條件下，運(yùn)用從瀝青混合料試樣中測得的水平應(yīng)變平均值與最大值數(shù)據(jù)對(duì)疲勞損傷因子進(jìn)行計(jì)量，從而能夠更加精準(zhǔn)地掌握細(xì)觀損傷演變的速度和發(fā)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(xì)觀損傷演化特征分析

4.1 疲勞細(xì)觀損傷演化特征

在瀝青混合料顆粒細(xì)觀結(jié)構(gòu)的疲勞損傷演化過程中，想要更為精確地定量和評(píng)價(jià)演化機(jī)制，就必須緊緊抓住各個(gè)疲勞損傷演化階段中的主要特征。同時(shí)，為了進(jìn)一步減少人工實(shí)驗(yàn)操作以及計(jì)量過程中可能產(chǎn)生的數(shù)據(jù)誤差問題，并且為了更好地消除非均勻性加載對(duì)疲勞損傷演化過程的不良影響，需要借助模型構(gòu)建法深入分析顆粒細(xì)觀結(jié)構(gòu)的實(shí)際變化范圍，并制定合理的修正系數(shù)以此達(dá)到對(duì)疲勞細(xì)觀損傷數(shù)據(jù)的有效修正。在制定和處理DIC圖像的過程中，應(yīng)重點(diǎn)突出表現(xiàn)應(yīng)力集中作用和發(fā)生疲勞損傷斷裂的相應(yīng)階段中，微觀損傷演化的主要特征及變化趨勢。通過對(duì)疲勞細(xì)觀損傷演化特征的深入分析可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)應(yīng)于疲勞損傷斷裂階段特征的宏觀變化情況，主要表現(xiàn)在混合料各個(gè)顆粒之間接觸更為緊密，同時(shí)在干擾顆粒的作用下基本形成了較為穩(wěn)定的主力鏈網(wǎng)絡(luò)密實(shí)結(jié)構(gòu)。但是，由于這種密實(shí)結(jié)構(gòu)在受到外部載荷施加壓力時(shí)承擔(dān)了大部分的載荷作用效果，因此會(huì)導(dǎo)致該部分結(jié)構(gòu)的抗疲勞損傷性能顯著下降，局部出現(xiàn)細(xì)觀結(jié)構(gòu)裂紋并不斷地向著一個(gè)方向集中發(fā)展。另外，在長期的載荷作用下會(huì)破壞混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)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(shí)結(jié)構(gòu)的密度與接觸強(qiáng)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(duì)于由這種材料構(gòu)成的建筑結(jié)構(gòu)質(zhì)量和安全性會(huì)產(chǎn)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(guī)律。由數(shù)據(jù)結(jié)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(shù)先增加后減少的。同時(shí)隨著部分區(qū)域主力鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，進(jìn)一步增加了顆粒間嵌合的穩(wěn)定性與密實(shí)程度，這也為保障混合料結(jié)構(gòu)不會(huì)過早地在外部荷載作用下發(fā)生疲勞斷裂發(fā)揮了重要作用。疲勞損傷因子和疲勞荷載施加次數(shù)在顆粒的微觀結(jié)構(gòu)層面上對(duì)于細(xì)微裂紋的形成所產(chǎn)生的影響，同樣也是不容忽視的。

5 結(jié)語

綜上所述，粗集料接觸參數(shù)對(duì)于混合料損傷演化的不同程度影響，是有關(guān)施工人員在控制瀝青混合料顆粒細(xì)觀結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注的要點(diǎn)內(nèi)容。有關(guān)人員應(yīng)深入掌握顆粒堆積理論及其實(shí)際應(yīng)用要求，并確?；旌狭项w?？蛊谛阅苎芯吭谝?guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化的氛圍下順利開展。