陳淵召，李振霞

(華北水利水電學院 土木與交通學院，450011 鄭州)

當前，橡膠顆粒瀝青路面的早期破壞問題比較突出，主要原因之一是當前設計多采用唯象方法研究瀝青混合料的宏觀屬性，即偏于重視瀝青混合料的空隙率和高溫穩(wěn)定性等宏觀性能，并未從細觀層次上對瀝青混合料的結構組成和性能進行深入研究［1－2］.即使采用同一料源和相同級配，瀝青混合料的性能也會表現(xiàn)出很大的變異，出現(xiàn)宏觀指標相近、使用性能差異很大的現(xiàn)象，究其原因，在于忽略了其內部細觀結構的復雜多樣性.長安大學的張碩對橡膠顆粒瀝青混合料的組成設計、成型工藝、路用性能和除冰雪效果進行了研究，并提出在混合料中摻入水泥和消石灰提高耐久性的方法［3］.王端宜等進行了瀝青混合料單軸壓縮試驗的離散元模擬，給出了與實際試驗相符的本構行為，并針對模型細觀參數(shù)對瀝青混合料本構行為的影響進行了研究［4－5］.國內外學者對橡膠顆粒瀝青混合料的性能進行了一些分析，但很少從細觀結構層面進行深入研究，要正確解釋混合料不同宏觀力學性能差異的內在本質，從根本上分析其破壞機理，對瀝青混合料的認識必須從宏觀層次轉化到微細觀層次.

1 橡膠顆粒瀝青混合料離散元模型

1.1 離散元模型建立方法的選擇

橡膠顆粒瀝青混合料是非均質復合材料，借助于蒙特卡羅隨機抽樣原理，可用計算機模擬產生出在統(tǒng)計意義上與原型結構相同的均勻分布的隨機骨料結構，既可以生成用于模擬卵石骨料的圓形骨料結構，也可以生成用于模擬碎石骨料的角形骨料結構，在空間上隨機確定骨料的位置、形狀和尺寸，進而可建立虛擬細觀結構數(shù)值模型，運用軟件計算分析模型加載破壞過程中的力學特征.鑒于上述原因，本文在建立瀝青混合料離散元模型時采用了基于隨機抽樣原理的細觀建模方法，根據(jù)蒙特卡羅方法建立瀝青混合料的隨機模型，即在模型計算區(qū)域內根據(jù)具體級配方案和空隙率要求，隨機生成不同粒徑集料的坐標位置，模擬橡膠顆粒瀝青混合料的內部細觀構造，所有顆粒由顆粒流離散元分析軟件PFC2D 中內置的隨機生成器生成.由于本文的工作側重橡膠顆粒瀝青混合料在輪載作用下的受力、變形特點和破壞機理研究，為了減少計算模型顆粒單元總體數(shù)目和計算工作量，采用二維計算模型.

1.2 建立離散元模型

根據(jù)文獻［4，6－10］的研究，考慮典型工況，行車荷載采用BZZ－100，軸重為100 kN，輪壓為0.7 MPa，雙輪中心間距為32 cm，輪胎接觸面形狀簡化為18.9 cm×18.9 cm 的正方形.利用對稱性，以雙輪中心為對稱面，取二維計算模型尺寸大小為長度36 cm×深度4 cm，在深度方向上只考慮了取彈性路面上面層(即橡膠顆粒瀝青混合料)作為本文的研究對象.分別針對間斷級配和連續(xù)級配兩種級配類型建立模型，具體級配見表1，橡膠顆粒質量分數(shù)均為3%.在PFC2D 軟件中隨機生成相應的離散元模型如圖1、2 所示.

表1 橡膠顆粒瀝青混合料級配

圖1 間斷級配XJSMA－13 離散元模型

圖2 連續(xù)級配XJAC－13 離散元模型

在圖1 和圖2 中，用黃色表示的小顆粒代表橡膠顆粒，用深藍色表示的顆粒代表各檔粗細集料，用淺藍色小顆粒表示由瀝青膠漿和更小粒徑細集料形成的膠結料.兩個模型對比可以看出，在圖1 中粗集料之間發(fā)生接觸、擠嵌的情況比較多，表現(xiàn)出明顯的骨架密實結構;圖2 中粗集料大多分散在細集料中，相互之間并沒有形成明顯的骨架嵌擠結構，離散元模型體現(xiàn)出明顯的懸浮密實結構的特征.輪胎作用在彈性路面表面上的荷載采用位于路面表面的一組圓形顆粒來傳遞，顆粒施加于路面表面的壓力等于輪壓;橡膠顆粒瀝青混合料離散元模型微觀參數(shù)參考文獻［1－2，6－10］中的相關研究.

2 離散元模擬分析

2.1 受力和變形分析

2.1.1 受力分析

圖3～5 分別為整個系統(tǒng)達到平衡時的間斷級配橡膠顆粒瀝青混合料、連續(xù)級配橡膠顆粒瀝青混合料和普通瀝青混合料的接觸力矢量圖、力鏈網(wǎng)絡圖及接觸力局部放大圖.接觸力線條的粗細表示接觸力的大小，線條越粗表示接觸力越大，黑色表示壓力，紅色表示拉力.圖中橡膠顆粒瀝青混合料中的黃色顆粒表示橡膠顆粒，普通瀝青混合料中的橙色顆粒表示將橡膠顆粒還原為石料.

圖3 間斷級配橡膠顆粒瀝青混合料接觸力

從圖中可以看出，對于間斷級配橡膠顆粒瀝青混合料來說，強、弱力鏈主要是由不同粒徑的粗細集料顆粒形成，橡膠顆粒由于剛度小、彈性變形大，基本不參與混合料內部主要受力骨架和傳力路徑的構成，即混合料內部的強力鏈主要由大粒徑的粗集料顆粒構成，弱力鏈主要由較小粒徑的細集料顆粒構成，橡膠顆粒對弱力鏈的形成貢獻較少，造成混合料內部受力不夠均衡，見圖3(c)接觸力局部放大圖;對于連續(xù)級配橡膠顆粒瀝青混合料來說，由于較大粒徑的粗集料顆粒數(shù)量相對較少，因此構成的強力鏈數(shù)目也相應較少，并且強力鏈分布在大粒徑粗集料分布相對較集中的區(qū)域，所以在混合料內部沒有形成分布均衡的整體骨架結構.另外由于小粒徑的細集料顆粒比較多，因此形成的弱力鏈在整個受力區(qū)域內分布比較密.混合料內的橡膠顆粒在一定程度上也參與了弱力鏈的形成，見圖4(c)接觸力局部放大圖.對于普通瀝青混合料來說，所有粗細集料全部參與強、弱力鏈的形成，共同構成受力骨架和傳力路徑，使得整個混合料內部受力比較均衡，見圖5(c)接觸力局部放大圖.

圖4 連續(xù)級配橡膠顆粒瀝青混合料接觸力

圖5 普通瀝青混合料接觸力

綜合以上分析，對于橡膠顆粒瀝青混合料，雖然間斷級配混合料中的橡膠顆?；静粎⑴c力鏈構成，但其內部粗集料較多，構成骨架嵌擠結構，形成主要傳力路徑，所以路面承載能力和強度較高;而對于連續(xù)級配混合料，雖有部分橡膠顆粒參與力鏈的構成，但主要傳力路徑還是由不同粒徑的粗細集料顆粒構成，而其內部粗集料相對較少，造成路面承載能力和強度較間斷級配要差.間斷級配橡膠顆粒瀝青混合料與普通瀝青混合料相比，普通混合料中所有粗細集料都參與力鏈的形成，有更多的集料構成傳力路徑，其內部受力比橡膠顆粒瀝青混合料更均衡，所以普通瀝青路面的承載能力和強度更高.

2.1.2 變形分析

離散元法用顆粒間的位置重疊量表示發(fā)生變形的程度，通過圖3(c)、4(c)和5(c)可看出，對于橡膠顆粒瀝青混合料來說，無論是間斷級配還是連續(xù)級配，混合料中橡膠顆粒都有明顯的重疊現(xiàn)象存在，而集料部分基本上沒有明顯的重疊現(xiàn)象，這是因為橡膠顆粒強度低，彈性大，在荷載作用下會發(fā)生較大變形，石料與橡膠顆粒相比強度要大得多，變形能力差，在荷載作用下不會發(fā)生較大變形.對于普通瀝青混合料來說，若將橡膠顆粒還原為石料后，可以看到，這些顆?；旧蠜]有明顯的顆粒重疊現(xiàn)象，說明在荷載作用下普通瀝青混合料發(fā)生的變形量很小.由上述分析可見，由于橡膠顆粒的摻入，無論是間斷級配還是連續(xù)級配，橡膠顆粒瀝青混合料的變形能力都強于普通瀝青混合料.

2.2 破壞機理細觀分析

2.2.1 位移分析

圖6 為整個系統(tǒng)達到平衡時的間斷級配橡膠顆粒瀝青混合料位移矢量圖，箭頭方向表示位移方向，箭頭長短表示位移大小.圖6 中圓1 和圓2是兩個圓形測量域，其中圓1 內有橡膠顆粒存在，圓2 內沒有橡膠顆粒存在.通過圖6 可看出，在橡膠顆粒瀝青混合料中，在沒有橡膠顆粒的區(qū)域，粒徑較大的粗集料顆粒位移很小，而周圍小粒徑的細集料和膠結料顆粒位移相對較大，說明由粗集料構成的骨架結構在受力過程中基本是穩(wěn)定的，不會產生較大的位置改變.在有橡膠顆粒存在的區(qū)域，位移情況則發(fā)生了變化，不僅是小粒徑的細集料和膠結料顆粒位移較大，與橡膠顆粒相鄰的部分粗集料也發(fā)生了較大的位移，這是因為橡膠顆粒發(fā)生了較大變形，導致周圍粗集料的位置發(fā)生改變，此時由粗集料構成的骨架結構在受力過程中已經發(fā)生變動，從而引發(fā)混合料內部松動.

根據(jù)PFC2D 軟件離散元計算結果，可得到測量域圓1 和圓2 的應變率大小平均值，見表3.可看出，在離散元時步迭代計算過程中，測量域圓1內發(fā)生的應變比圓2 內要大得多，說明瀝青混合料內有橡膠顆粒分布的地方存在局部相對大變形，在荷載作用下變形比周圍區(qū)域要大.

圖6 間斷級配橡膠顆粒瀝青混合料位移

表3 測量域應變率平均值

2.2.2 黏結接觸破壞分析

根據(jù)離散元理論，顆粒體被視為剛性體，橡膠顆粒瀝青混合料的破壞主要由顆粒之間的黏結接觸破壞來反應.平行連接模型描述單元間接觸和黏結，當拉應力分布范圍越來越小，表明顆粒單元之間的接觸已經失效，裂紋已經出現(xiàn)或擴展.下面對荷載作用下橡膠顆粒瀝青混合料內部的黏結接觸破壞進行分析，圖7 為整個系統(tǒng)達到平衡時，間斷級配橡膠顆粒瀝青混合料內部黏結接觸發(fā)生破壞的局部放大示意圖，裂紋萌生位置用細線標識，從圖7 中可看出，在有橡膠顆粒的個別地方首先產生黏結接觸破壞，說明在荷載作用下橡膠顆粒和橡膠顆粒接觸面以及橡膠顆粒和石料接觸面為相對弱界面，首先發(fā)生破壞.

圖7 間斷級配橡膠顆粒瀝青混合料黏結接觸破壞位置局部放大圖

因此，內部橡膠顆粒分布區(qū)域存在局部相對大變形.在該區(qū)域，顆粒之間的接觸狀態(tài)以石料－橡膠顆粒為主，在反復加載和卸載過程中，石料和橡膠顆粒間的相對位置由于橡膠顆粒的局部大變形發(fā)生較大的變動，這個不斷重復的過程使石料和橡膠顆粒間的瀝青粘結強度逐漸降低，使石料和橡膠顆粒間的接觸面逐漸變?yōu)橄鄬θ踅缑?，容易引起該處瀝青與石料和橡膠顆粒之間的剝離，當橡膠顆?；蚴衔挥诼访姹砻鏁r，容易產生表面顆粒脫落現(xiàn)象.即使在路面混合料內部，由于橡膠顆粒的大變形，相鄰粗集料發(fā)生較大位移，粗集料位置在外荷載反復加載和卸載過程中發(fā)生較大擾動，使得該處骨架結構逐漸被破壞，變得趨于不穩(wěn)定，容易松動破壞，總體上表現(xiàn)為路面在荷載作用下容易發(fā)生松散破壞，耐久性差.

3 結論

1)橡膠顆粒瀝青混合料內部的強力鏈主要由大粒徑的粗集料顆粒構成，弱力鏈主要由較小粒徑的細集料顆粒構成，橡膠顆粒幾乎不參與力鏈的構成，而普通瀝青混合料內部所有集料均參與受力，強、弱力鏈在橡膠顆粒瀝青混合料內部的數(shù)目比普通混合料要少且分布相對不均衡，造成其承載能力下降.其承載能力從大到小排序為:普通瀝青混合料、間斷級配橡膠顆粒瀝青混合料、連續(xù)級配橡膠顆粒瀝青混合料.

2)在變形方面，橡膠顆粒瀝青混合料在荷載作用下內部的橡膠顆粒有重疊現(xiàn)象存在，橡膠顆粒瀝青混合料發(fā)生了較大變形，而普通瀝青混合料內部幾乎沒有重疊現(xiàn)象發(fā)生，普通瀝青混合料并未發(fā)生大的變形.變形能力從大到小排序為:普通瀝青混合料、間斷級配橡膠顆粒瀝青混合料、連續(xù)級配橡膠顆粒瀝青混合料.

3)橡膠顆粒瀝青混合料內部有橡膠顆粒分布的地方，在荷載作用下發(fā)生的局部變形比周圍區(qū)域要大.在行車荷載的反復加載和卸載過程中，該區(qū)域的石料和橡膠顆粒之間的相對位置由于橡膠顆粒的局部大變形而發(fā)生較大的變動，不僅造成原有骨架結構的松動，還使石料和橡膠顆粒之間的接觸面逐漸變?yōu)橄鄬θ踅缑?，容易引起該處瀝青與石料和橡膠顆粒之間的剝離，結果導致路面在荷載作用下容易發(fā)生松散破壞，耐久性差.

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