單軸循環(huán)加載下多孔彈性混合料孔隙結(jié)構(gòu)演變

熊劍平，廖公云，祁孔慶，譚華，方信，汪璨

(1.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西南寧，530007；2.廣西道路結(jié)構(gòu)與材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧，530007；3.東南大學(xué)交通學(xué)院，江蘇南京，211189)

目前針對(duì)降噪路面的研究主要集中于多孔瀝青路面、橡膠瀝青路面及超薄瀝青路面[1]。多孔瀝青路面的降噪性能優(yōu)于超薄瀝青路面，但其空隙在使用過程中會(huì)逐漸地被細(xì)料堵塞，使其喪失原有的排水和降噪功能。上述3種路面結(jié)構(gòu)的降噪能力一般不超過4 dB，無法滿足人們對(duì)于低噪聲路面的期望。

多孔彈性路面(poro-elastic road surface,PERS)常采用聚氨酯膠黏劑，可使得其表面不易松散，常溫施工可大幅減少排放[2]；采用一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)(一般20%以上)的橡膠顆粒，可降低輪胎和車體的振動(dòng)[3]，大幅減少低頻噪聲；采用較大的空隙率(20%～30%)，借助黏滯效應(yīng)和熱效應(yīng)，起到吸聲降噪的效果。與常用瀝青路面相比，多孔彈性路面的降噪能力可達(dá)10 dB以上，是一種最具潛力的路面結(jié)構(gòu)形式。

PERS路面除具有優(yōu)異的降噪性能外，由于摻加了較多的橡膠顆粒，車輪荷載作用導(dǎo)致路面產(chǎn)生較大的變形，并在路面-冰雪界面間產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，因而具備很好的除冰雪功能[4]。此外，PERS路面雖然采用了較多的橡膠顆粒，但由于其具有較大的空隙率，實(shí)車試驗(yàn)證明其防火性能僅次于沒有摻加橡膠顆粒的排水瀝青路面的防火性能，具有超過2 min 的火場(chǎng)逃生時(shí)間[5]，在封閉場(chǎng)景(如隧道路面)下應(yīng)謹(jǐn)慎使用。

日本公共工程研究所(PWRI)的研究表明，PERS雖然降噪效果非常好，但其耐用性和抗滑性仍然存在一些問題[6]；FUJITA 等[7]通過對(duì)20 多個(gè)PERS 試鋪段的研究，認(rèn)為PERS 的耐久性不足可能是由于PERS 與基層間缺乏有效黏結(jié)，但對(duì)于PERS本身耐久性不足導(dǎo)致的松散脫落尚無明確結(jié)論；荷蘭進(jìn)行的PERS 試驗(yàn)段開通幾周后，PERS便開始分解，導(dǎo)致試驗(yàn)段被移除[8]；瑞典國(guó)家公路和運(yùn)輸研究所(VTI)與比利時(shí)道路研究中心(BRRC)對(duì)PERS 近30年的研發(fā)工作進(jìn)行總結(jié)后發(fā)現(xiàn)，PERS 除在日本進(jìn)行的一些試驗(yàn)取得部分成功外，所有現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試均以某種方式失敗[9]；2016年孫銘鑫[10]利用室內(nèi)斜剪試驗(yàn)研究了PERS 與下面層的黏結(jié)，發(fā)現(xiàn)PERS 與AC 下層的抗剪強(qiáng)度不足，經(jīng)過層間處理后能夠滿足要求；WANG等[11]對(duì)PERS研究后認(rèn)為，黏結(jié)劑含量和壓實(shí)度是影響PERS松散性的關(guān)鍵因素。

由此可見，多孔彈性混合料耐久性不足是其發(fā)展的最大障礙。但以往研究中只針對(duì)宏觀表現(xiàn)的不足，本文作者將宏觀試驗(yàn)和細(xì)觀觀測(cè)相結(jié)合[12]，利用單軸循環(huán)加載試驗(yàn)和CT 掃描方法，從細(xì)觀層面揭示多孔彈性混合料內(nèi)部空隙結(jié)構(gòu)的演變過程，以期為多孔彈性路面的耐久性(結(jié)構(gòu)與功能)設(shè)計(jì)提供參考。

1 級(jí)配設(shè)計(jì)及試驗(yàn)原材料

1.1 多孔彈性混合料級(jí)配設(shè)計(jì)

目前并沒有統(tǒng)一的多孔彈性混合料的級(jí)配設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，本文參照J(rèn)TG F40—2004“公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范”中的開級(jí)配磨耗層OGFC-13 混合料礦料級(jí)配范圍，確定多孔彈性路面混合料的級(jí)配。

首先確定橡膠顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0的混合料級(jí)配(見表1)，然后采用等體積置換原則，將集料置換為相同粒徑和體積的橡膠顆粒，即可獲得不同橡膠顆粒含量的多孔彈性混合料。

表1 多孔彈性路面混合料集料級(jí)配Table 1 Aggregate gradation of porous elastic mixture

本文在多孔彈性混合料級(jí)配設(shè)計(jì)中沒有采用粒徑在1.18 mm 以下的細(xì)集料和礦粉，主要原因有：一是細(xì)集料和礦粉用量越多，集料和礦粉的表面積越大，當(dāng)聚氨酯用量一定時(shí)，形成的聚氨酯膜厚度越薄，對(duì)混合料的強(qiáng)度和耐久性越不利；二是如果采用細(xì)集料和礦粉，為了達(dá)到良好的裹覆效果，勢(shì)必會(huì)采用較多的聚氨酯，將會(huì)大幅增加混合料的造價(jià)；三是過多的細(xì)集料和礦粉會(huì)破壞聚氨酯膠膜的整體性，影響聚氨酯與集料之間的黏結(jié)[13]。

1.2 聚氨酯用量

常見聚氨酯膠黏劑主要有單組分和雙組分2種。雙組分需要在制備混合料時(shí)臨時(shí)配比，為消除聚氨酯配比所產(chǎn)生的誤差[14]，本文選用某品牌單組分聚醚聚氨酯，顏色為透明或無色，聚氨酯的性能如表2所示。試驗(yàn)前期分別選用聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4.0%，4.5%和5.0%進(jìn)行性能試驗(yàn)，3 種聚氨酯含量下的多孔彈性混合料的路用性能均能滿足JTG E20—2011“公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程的”要求。本研究主要關(guān)注多孔彈性混合料的內(nèi)部孔隙演變過程，高聚氨酯含量的混合料會(huì)成倍地增加試驗(yàn)耗時(shí)，孔隙演變過程更加緩慢，故采用聚氨酯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為4%[15]。

表2 單組分聚氨酯膠黏劑參數(shù)Table 2 Parameters of single-component polyurethane adhesive

1.3 集料與橡膠顆粒

本研究中粒徑大于4.75 mm 的集料采用玄武巖，粒徑為1.18～4.75 mm 的集料采用石灰?guī)r，其密度分別采用網(wǎng)籃法和容量瓶法測(cè)定；橡膠顆粒采用常溫粉碎的廢舊輪胎橡膠顆粒，粒徑為1.18～2.36 mm，其相對(duì)密度采用容量瓶法測(cè)定，密度測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3 集料和橡膠顆粒的密度測(cè)試結(jié)果Table 3 Density test results of aggregates and rubber particles

采用等體積置換方法將相應(yīng)粒徑的集料置換為橡膠顆粒。在多孔彈性混合料設(shè)計(jì)中，如果橡膠顆粒含量偏低，會(huì)導(dǎo)致降噪效果降低；而過多的橡膠顆粒含量則會(huì)導(dǎo)致路面偏軟，車輛行駛的耗能增加[16]。本研究中采用的橡膠顆粒質(zhì)量為全部礦質(zhì)集料的質(zhì)量的20%。

2 試件制備與試驗(yàn)方法

2.1 試件制備

參考瀝青混合料三軸重復(fù)荷載試驗(yàn)的要求[17]，多孔彈性混合料試件直徑為100 mm、高為150 mm，空隙率控制為22%。為提高試件制備質(zhì)量，減少試件制備過程中的變異性，采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)方法成型。本次試驗(yàn)中共成型3個(gè)平行試件，以三者平均值對(duì)多孔彈性路面混合料內(nèi)部孔隙演變規(guī)律進(jìn)行研究。

2.2 CT掃描與單軸循環(huán)加載試驗(yàn)

采用德國(guó)YXLON 公司生產(chǎn)的Y.CT PRECISION掃描儀，對(duì)常溫養(yǎng)護(hù)7 d后的試件進(jìn)行CT 斷層掃描。掃描時(shí)，從試件底部開始沿試件高度方向每隔1 mm 進(jìn)行1 次掃描，試件掃描圖像的分辨率設(shè)定為1 024×1 024，能夠較好地反映試件內(nèi)部的空隙結(jié)構(gòu)變化。

采用單軸循環(huán)加載試驗(yàn)?zāi)M車輛荷載的反復(fù)作用，加載波形為正弦波，加載頻率為10 Hz，加載應(yīng)力為0.7 MPa，溫度保持為25 ℃，加載一定次數(shù)后用CT掃描儀對(duì)試件進(jìn)行掃描；再次進(jìn)行一定次數(shù)下的循環(huán)加載試驗(yàn)，然后再對(duì)試件進(jìn)行CT掃描。重復(fù)該過程，直至試件完全破壞為止。

本次研究共進(jìn)行了4次循環(huán)加載試驗(yàn)，其中第一次、第二次、第三次和第四次循環(huán)加載次數(shù)分別為750 次、750 次、1 500 次和1 500 次(共4 500次)，每次加載完成后進(jìn)行1次CT掃描，共5次CT掃描(包括試件養(yǎng)護(hù)完成后、循環(huán)加載前的第一次掃描)。

需要注意的是，受限于CT掃描儀的配置，實(shí)際掃描高度為0～120 mm 范圍(從試件底部開始計(jì)算)，無法掃描試件上部(120～150 mm)。每個(gè)試件每次CT掃描獲得了約120張掃描圖像。

因此，本研究中所涉孔隙結(jié)構(gòu)均為試件下部120 mm 區(qū)域內(nèi)的孔隙結(jié)構(gòu)。由于每次循環(huán)加載試驗(yàn)后，試件高度均有一定程度減小，因此，未被掃描的空隙結(jié)構(gòu)逐步減少。

2.3 試件孔隙判別與確定

對(duì)掃描獲得的圖像首先采用ImagePro 軟件進(jìn)行圖像增強(qiáng)，以減少集料分割時(shí)遇到的粘連現(xiàn)象，然后采用最大類間方差法(OTSU)對(duì)圖像內(nèi)部材質(zhì)進(jìn)行分割[18-19]，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)得到每一層的孔隙分布，以此作為不同加載階段試件內(nèi)部孔隙演變研究的基礎(chǔ)。

最大類間方差法(OTSU)的基本思想是以圖像的某一灰度為閾值，將圖像的直方圖分成兩類，計(jì)算兩類之間的方差，并求出1個(gè)最佳閾值，該閾值使得兩類之間的方差最大。此算法原理非常適用于CT掃描斷層圖片中兩類物質(zhì)閾值邊界不明顯的灰度直方圖平坦區(qū)域的劃分。

算法過程如下：假定1 幅灰度級(jí)為L(zhǎng)的圖像，選擇1個(gè)閾值t，并根據(jù)閾值t將圖像分為C0和C1兩類，其中C0由圖像中灰度在[0，t]的所有像素組成，C1由灰度在[t+1，L-1]的所有像素組成，C0和C1兩類之間的類間方差σ2B為

MATLAB 編程實(shí)現(xiàn)孔隙判別與確定的流程如下：1)批量讀入經(jīng)ImagePro軟件處理后的CT掃描圖片，將圖像轉(zhuǎn)換為灰度格式，并將原始圖像進(jìn)行備份；2)采用中值濾波法濾除圖像的噪聲；3)將灰度圖片中的黑色背景區(qū)域?yàn)V除；4)填充圖片中的細(xì)小孔洞；5)結(jié)合OTSU 法確定各類材質(zhì)的比對(duì)模板，通過原始灰度圖片逐點(diǎn)像素比對(duì)確定像素的分類歸屬；6)將最終的圖像分割結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，以孔隙面積與試件截面積之比表示空隙率。當(dāng)單個(gè)孔隙不與其他孔隙相連時(shí)表示為1個(gè)單獨(dú)孔隙，對(duì)應(yīng)輸出其孔隙直徑。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試件養(yǎng)護(hù)完成后的初始空隙率

養(yǎng)護(hù)完成后的試件從底部向上沿高度方向的空隙率分布如圖1所示，3 個(gè)試件的平均空隙率為22.6%，與設(shè)計(jì)空隙率22%基本一致。由于單組分聚氨酯膠黏劑成型初期具有一定流動(dòng)性，在重力作用下部分膠黏劑會(huì)向試件下部流動(dòng)，導(dǎo)致試件底部空隙率略低于試件頂部空隙率。

圖1 空隙率沿試件高度的分布Fig.1 Distribution of air voids along specimen height

3.2 試件累計(jì)應(yīng)變與軸向應(yīng)力的變化

如前所述，本次研究共進(jìn)行4 次循環(huán)加載試驗(yàn)。由于橡膠顆粒的作用，加載時(shí)試件有較明顯的向下壓縮變形，卸載后試件有一定程度的向上恢復(fù)變形。試件軸向累積應(yīng)變-循環(huán)加載次數(shù)關(guān)系如圖2所示，軸向應(yīng)力-累積應(yīng)變關(guān)系如圖3所示。圖2和圖3中不同加載階段累積應(yīng)變和軸向應(yīng)力突變的原因是加載后進(jìn)行卸載，橡膠顆粒發(fā)生回彈變形。

圖2 軸向累積應(yīng)變-循環(huán)加載次數(shù)關(guān)系Fig.2 Relationship between accumulative strain and loading cycles

圖3 軸向應(yīng)力-累積應(yīng)變關(guān)系Fig.3 Relationship between axial stress and accumulative strain

圖2中循環(huán)加載試驗(yàn)下多孔彈性混合料的變形(軸向累積應(yīng)變)與瀝青混合料的變形過程相似[20-21]，一般可分為初始快速增長(zhǎng)階段、穩(wěn)定發(fā)展階段、快速發(fā)展階段共3 個(gè)階段，其中穩(wěn)定發(fā)展階段較長(zhǎng)。但從圖3中軸向應(yīng)力-累積應(yīng)變的關(guān)系來看，第二次加載(即第三次掃描)和第三次加載(即第四次掃描)時(shí)軸向應(yīng)力的變化率差別仍較大，同時(shí)，第三次加載后試件的軸向應(yīng)力基本維持不變(表明試件抵抗變形的能力達(dá)到峰值)，因而將多孔彈性混合料的變形細(xì)分為4個(gè)階段，即變形初期、變形前期、變形中期和變形后期。值得注意的是，上述劃分主要以軸向應(yīng)力的變化率為依據(jù)，變形階段的劃分是比較簡(jiǎn)單的，不同變形階段所對(duì)應(yīng)的加載次數(shù)也是簡(jiǎn)單的，比如變形初期的加載次數(shù)不一定就是750次。這種變形階段的劃分只是為了便于后續(xù)孔隙結(jié)構(gòu)演變的分析。

由圖3可知：隨著試件累積應(yīng)變的增加，試件所能承受的軸向應(yīng)力也逐漸增大，但增大幅度逐漸減小，表現(xiàn)為荷載作用下的硬化特征。變形后期試件下部產(chǎn)生了膨脹破壞，如圖4所示，破壞區(qū)域集中在試件高度10～60 mm范圍內(nèi)。

圖4 第四次循環(huán)加載時(shí)試件下部發(fā)生膨脹破壞Fig.4 Expansion failure at the lower part of specimen with the fourth cyclic loading

3.3 不同變形時(shí)期孔隙特征的變化

不同掃描階段空隙率隨試件高度變化的結(jié)果如圖5所示。從圖5可知：第一次加載(第二次掃描)時(shí)，試件底部0～10 mm 范圍內(nèi)空隙率略有增加(約3%)，試件上部(70 mm以上)范圍內(nèi)空隙率增大(最大6.1%)，而試件中下部(20～60 mm)空隙率在第一次加載后均有較小幅度減少(1%～2%)。這表明第一次加載導(dǎo)致了試件中孔隙的重分布，總的趨勢(shì)為試件底部和試件上部空隙率增大，試件中下部空隙率減少。對(duì)比圖2和圖3可知：變形初期階段累積應(yīng)變?cè)黾虞^快，試件內(nèi)部集料間相互嵌擠，該階段軸向應(yīng)力增大的速率最大，這表明試件主要處于壓密狀態(tài)。

第三次掃描(第二次加載時(shí))的結(jié)果與第二次掃描結(jié)果相似，各階段空隙率變化不明顯，試件總體平均空隙率僅增加0.5%。

第四次掃描(第三次加載時(shí))的結(jié)果較前3 次掃描結(jié)果變化幅度較大，試件下部(0～70 mm)的空隙率明顯增大，平均增長(zhǎng)約7%，上部的空隙率無明顯變化。這表明變形中期試件內(nèi)部的損傷開始穩(wěn)定發(fā)展，累積應(yīng)變和偏應(yīng)力的增加也開始變緩。

第五次掃描(第四次加載時(shí))試件下部10～60 mm高度范圍內(nèi)出現(xiàn)明顯的膨脹破壞，如圖4所示，與此相對(duì)應(yīng)，該高度范圍內(nèi)的空隙率明顯增大(圖5)，最大空隙率達(dá)40%左右，但此時(shí)試件上部的空隙率無明顯變化。

需要注意的是，由于CT掃描儀的限制，實(shí)際掃描高度僅為0～120 mm(從下部開始計(jì)算)，所以，圖5所示的高度并不代表試件的實(shí)際高度(高度范圍為120～150 mm的試件未被掃描)，隨著加載次數(shù)增加，試件的高度逐漸減小，即未被掃描的試件范圍逐步縮的。

圖5所示結(jié)果表明，試件內(nèi)部的損傷區(qū)域主要在試件高度0～70 mm 范圍內(nèi)(第三、四次加載前后空隙率增幅較大的區(qū)域)，因而下面的研究主要針對(duì)這一區(qū)域。

圖5 不同掃描階段空隙率隨試件高度的變化Fig.5 Variation of air void along specimen height at different scanning stages

圖6所示為變形初期試件高度0.5～70.5 mm 范圍內(nèi)不同直徑孔隙數(shù)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從圖6可以看出：直徑為[0.5，1]mm 范圍內(nèi)的孔隙數(shù)量最多。為了更好地分析多孔彈性混合料空隙結(jié)構(gòu)變化，將孔隙直徑分為4 檔：[0.5，1]mm，(1，2]mm，(2，5]mm和>5 mm。

圖6 試件高度0.5～70.5 mm范圍內(nèi)孔隙直徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig.6 Statistical results of pore diameter within 0.5-70.5 mm of specimen height

3.4 變形初期孔隙結(jié)構(gòu)變化

不同掃描階段孔隙數(shù)量隨試件高度的變化如圖7所示。對(duì)比第一次加載前后(第一次掃描和第二次掃描)的掃描結(jié)果，試件高度在70 mm 以上的孔隙數(shù)量有一定減少(最大減少31 個(gè))；20～70 mm范圍內(nèi)的孔隙數(shù)量增加(最多增加107 個(gè))；而試件底部0～10 mm 范圍內(nèi)孔隙數(shù)量減少(最多減少113個(gè))。即在變形初期試件中下部(20～70 mm)發(fā)生了孔隙數(shù)量增加而空隙率減小的現(xiàn)象，意味著荷載作用下孔隙總體直徑增大，小孔隙相互連通，損傷開始萌發(fā)。

圖7 不同掃描階段孔隙數(shù)量隨試件高度的變化Fig.7 Variations of pore number along specimen height at different scanning stages

第一次加載前后(第一次掃描和第二次掃描)不同直徑的孔隙數(shù)量隨試件高度的變化如圖8所示，圖8中數(shù)字1 和2 為掃描次數(shù)，d為直徑。“1-d[0.5，1]”表示第一次掃描中直徑為[0.5，1]mm的孔隙，其余符號(hào)以此類推。由圖8可知：直徑為[0.5，1]mm 和(1，2]mm 范圍內(nèi)的孔隙數(shù)量減小，而直徑為(2，5]mm 和>5 mm 的孔隙數(shù)量略有增大；直徑為[0.5，1]mm 和(1，2]mm 的孔隙減小的數(shù)量約等于直徑為(2，5]mm和>5 mm的孔隙增加的數(shù)量之和，導(dǎo)致總的孔隙數(shù)量變化不大。這表明較多的小孔隙在荷載的作用下逐步轉(zhuǎn)變或連通為較大的孔隙。

圖8 第一次加載前后不同直徑的孔隙數(shù)量隨試件高度的變化Fig.8 Change of number of pores with different diameters along specimen height before and after the first loading

圖9(a)和圖9(b)所示分別為第一次和第二次掃描時(shí)，試件高為30.5 mm處的掃描圖像。經(jīng)對(duì)比可知：在變形初期，部分直徑為[0.5，1]mm 的孔隙相互貫通形成較大的孔隙(如圖中圓圈處所示)；同時(shí)，部分直徑1 mm以上的空隙部分壓縮變小，部分撕裂貫通，相鄰集料產(chǎn)生相對(duì)位移，表明試件內(nèi)部既存在剪切流變變形，又存在壓密變形，在變形初期已經(jīng)產(chǎn)生新的孔隙。

圖9 試件高為30.5 mm的掃描圖像Fig.9 Scanning images of sample at height of 30.5 mm

3.5 變形前期孔隙結(jié)構(gòu)變化

對(duì)比第二次加載前后(第二次掃描和第三次掃描)孔隙數(shù)量的掃描結(jié)果(圖7)，試件高度在0～70 mm范圍內(nèi)的孔隙數(shù)量大幅度減小，減少幅度最高達(dá)41%；70 mm以上高度內(nèi)的孔隙數(shù)量平均增加30%。

第二次加載前后(第二次掃描和第三次掃描)不同直徑的孔隙數(shù)量隨試件高度的變化如圖10所示。從圖10可見：變形前期直徑為[0.5，1]mm的孔隙數(shù)量降低到90個(gè)左右，直徑為(1，2]mm的孔隙數(shù)量從100 個(gè)左右大幅降低到50 個(gè)左右，直徑為(2，5]mm 的孔隙數(shù)量從75 個(gè)左右大幅降低至35個(gè)左右?？傮w表現(xiàn)為空隙率的進(jìn)一步增大和空隙數(shù)量進(jìn)一步減小，表明結(jié)構(gòu)損傷進(jìn)一步累積。

圖10 第二次加載前后不同直徑的孔隙數(shù)量隨試件高度的變化Fig.10 Change of number of pores with different diameters along specimen height before and after the second loading

圖9(c)所示為第三次CT 掃描時(shí)，試件高為30.5 mm 處的掃描圖像，與圖9(b)對(duì)比，能夠明顯發(fā)現(xiàn)孔隙向全截面擴(kuò)展，這也是空隙率增大而孔隙數(shù)量減小的原因。

3.6 變形中期孔隙結(jié)構(gòu)變化

對(duì)比第三次加載前后(第三次掃描和第四次掃描)孔隙數(shù)量的掃描結(jié)果(圖7)，0～70 mm高度范圍內(nèi)孔隙數(shù)量繼續(xù)減小(約26%)，70 mm高度以上的孔隙數(shù)量基本保持不變。

第三次加載前后(第三次掃描和第四次掃描)不同直徑的孔隙數(shù)量隨試件高度的變化如圖11所示。從圖11可見：直徑為[0.5，1]mm的孔隙數(shù)量繼續(xù)減少，其數(shù)量降低到80個(gè)左右；直徑為(1，2]mm的孔隙數(shù)量也繼續(xù)減小，在0～70 mm 高度范圍內(nèi)降低至30個(gè)左右；直徑為(2，5]mm和>5 mm的孔隙數(shù)量也略有減少(平均減少10 個(gè))。以上結(jié)果表明：變形中期損傷不僅從直徑為[0.5，5]mm 的孔隙向更大的孔隙發(fā)展，直徑>5 mm 的孔隙之間也開始發(fā)生連通。

圖9(d)所示為第四次掃描時(shí)，試件高為30.5 mm處的掃描圖像，與圖9(c)對(duì)比，變形前期的部分孔隙開始進(jìn)一步擴(kuò)展，導(dǎo)致直徑>5 mm 的孔隙開始減少，集料間的相對(duì)位移變化加劇，說明試件內(nèi)部以剪切流變變形為主。

3.7 變形后期孔隙結(jié)構(gòu)變化

對(duì)比第四次加載前后(第四次掃描和第五次掃描)孔隙數(shù)量的掃描結(jié)果(圖7)，試件高度在0～70 mm 范圍內(nèi)的孔隙數(shù)量繼續(xù)減小，其中20～60 mm高度范圍內(nèi)的孔隙數(shù)量最小，這與試件膨脹破壞的區(qū)域相吻合；高度在70 mm 以上孔隙數(shù)量不同程度減少。

第四次加載前后(第四次掃描和第五次掃描)不同直徑的孔隙數(shù)量隨試件高度的變化如圖12所示。該階段為變形后期，直徑為[0.5，1]mm 的孔隙數(shù)量在試件70 mm 高度內(nèi)繼續(xù)減少，空隙數(shù)量保持在50個(gè)左右，與圖4(a)中的膨脹破壞區(qū)域和圖7中孔隙數(shù)量最小分布區(qū)域相符，表明變形后期孔隙數(shù)量的減小主要是直徑為[0.5，1]mm 的孔隙數(shù)量減??；其他直徑的孔隙數(shù)量略有減小。

圖12 第四次加載前后不同直徑的孔隙數(shù)量隨試件高度的變化Fig.12 Change of number of pores with different diameters along specimen height before and after the fourth loading

圖9(e)所示為第五次掃描時(shí)，試件高為30.5 mm處的掃描圖像，與圖9(d)對(duì)比，眾多的小孔隙擴(kuò)展為大孔隙，大孔隙的占比增大，從而空隙率增大，原來內(nèi)部封閉的部分孔隙與外界相連。這也可以從圖4(b)所示的試件破壞斷面上得到驗(yàn)證。

圖4(b)所示的試件破壞主要發(fā)生在固化后的聚氨酯膜(淡黃色)上，未見明顯的集料破碎或橡膠顆粒撕裂現(xiàn)象。但由于橡膠顆粒與玄武巖的顏色相近，上述觀點(diǎn)還需進(jìn)一步論證。同時(shí)，破壞面上聚氨酯膜并不光滑，而是有細(xì)小顆粒狀突起，這些顆粒狀突起含有較多的橡膠顆粒。這表明橡膠顆粒的存在破壞了聚氨酯膜的完整性，加劇了試件的破壞。此外，破壞面上可見較多白色斑點(diǎn)，這是單組分聚氨酯中填料-碳酸鈣析出所致，也有部分疑為固化過程中產(chǎn)生的二氧化碳?xì)馀菸醇皶r(shí)排出所致。這表明，優(yōu)選聚氨酯品種或在聚氨酯固化前加入消泡劑對(duì)于提高PERS混合料的耐久性具有一定意義。

結(jié)合變形初期、前期和中期空隙的變化，多孔彈性混合料的損傷集中在直徑為[0.5，1]mm 和(1，2]mm的孔隙上。為了提高多孔彈性混合料抗損傷能力，可采取如下措施：1)在滿足降噪能力的前提下，適當(dāng)降低橡膠顆粒(混合料損傷的重要源頭)的含量；2)在經(jīng)濟(jì)條件允許時(shí)，適當(dāng)增加聚氨酯用量(如6%)，并優(yōu)先采用聚醚型聚氨酯；3)合理調(diào)整集料級(jí)配，盡量使得荷載作用下的力鏈分布在集料上。如能采取上述措施，抑制循環(huán)荷載作用下孔隙的快速擴(kuò)展，則對(duì)提高多孔彈性混合料的耐久性(結(jié)構(gòu)與功能)具有積極意義。

值得注意的是，由于多孔彈性混合料的空隙率較大(本研究中采用22%)。雖然采用了旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型方法制備3個(gè)試件，并采用3個(gè)試件的均值來表征孔隙結(jié)構(gòu)特征，但仍然不能確?？紫督Y(jié)構(gòu)特征在空間分布上的均勻性。在條件允許時(shí)，可成型6個(gè)以上的多孔彈性混合料試件，以提高分析結(jié)果的精度。

4 結(jié)論

1)多孔彈性混合料的累積變形主要經(jīng)歷變形初期、變形前期、變形中期和變形后期共4 個(gè)階段。

2)試件在單軸循環(huán)荷載作用下，試件高度減小，下部體積增大直至在試件高為10～60 mm處發(fā)生膨脹破壞。

3)多孔彈性混合料的損傷集中在直徑為[0.5，1]mm和(1，2]mm的孔隙上。

4)若能采取適當(dāng)措施(如合理降低橡膠顆粒含量、增加聚氨酯用量、調(diào)整集料級(jí)配等)抑制荷載作用下孔隙的快速擴(kuò)展，則會(huì)大幅提高多孔彈性混合料的耐久性。