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        基于Drucker-Prager模型的瀝青混合料細(xì)觀尺度蠕變特性分析

        2017-03-19 02:40:11李夢(mèng)怡
        關(guān)鍵詞:細(xì)觀骨架集料

        李夢(mèng)怡

        (赤峰市公路管理處,內(nèi)蒙古 赤峰 024000)

        0 引言

        瀝青混合料是由具有復(fù)雜流變特性的瀝青、復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)的集料及空隙組成的多相材料,其微細(xì)觀尺寸下的結(jié)構(gòu)特征對(duì)瀝青混合料宏觀性能的影響極其重要。近年來,大量研究者進(jìn)行了相關(guān)尺度方面的材料行為研究[1,2]。為了建立瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)參數(shù)與其宏觀均勻化性能評(píng)價(jià)方法的關(guān)系,研究者分別基于工業(yè)CT分析三維細(xì)觀空隙分布及粗集料接觸狀態(tài)評(píng)價(jià)、進(jìn)行透水式路面骨料接觸狀態(tài)研究、研究細(xì)觀尺度下瀝青混合料抗裂影響因素等[3-6]。研究表明,集料骨架結(jié)構(gòu)、砂漿與空隙的空間分布、集料棱角及形狀等細(xì)觀參數(shù)對(duì)瀝青混合料性能起到?jīng)Q定性的作用,然而傳統(tǒng)宏觀室內(nèi)試驗(yàn)評(píng)價(jià)方法無法精確控制以上細(xì)觀參數(shù)。數(shù)字圖像處理技術(shù)作為瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)刻畫與分析的重要方法,具有快速、高效的特點(diǎn),被大量應(yīng)用于有限元模型建立、細(xì)觀參數(shù)定量分析、材料性能評(píng)價(jià)等研究中[7-9]。瀝青材料在車輛荷載長(zhǎng)期作用條件下表現(xiàn)出典型的蠕變特性,且蠕變?cè)鲩L(zhǎng)階段產(chǎn)生的不可恢復(fù)塑性變形造成瀝青路面車轍病害。研究者通過提出特征蠕變模型與室內(nèi)試驗(yàn)擬合分析研究瀝青混合料蠕變特性[10,11],并基于有限元或離散元模型進(jìn)行瀝青混合料細(xì)觀尺度下蠕變剛度及動(dòng)態(tài)模量等粘彈參數(shù)預(yù)估[12,13]。綜合以上研究方法,本文為表征瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)對(duì)其蠕變特性的影響規(guī)律,基于數(shù)字圖像處理建立考慮蠕變特性的瀝青砂漿與粗集料二組分模型;基于蠕變模型若干取樣點(diǎn)的對(duì)比分析,建立細(xì)觀結(jié)構(gòu)與瀝青混合料長(zhǎng)期蠕變變形間的聯(lián)系。

        1 細(xì)觀模型的建立

        利用數(shù)字圖像處理工具實(shí)現(xiàn)瀝青混合料剖面數(shù)碼照片的二值化,具體步驟簡(jiǎn)述如下:(1)彩色圖轉(zhuǎn)換成八位灰度圖并進(jìn)行直方圖均衡處理,增強(qiáng)圖像各部分對(duì)比度;(2)采用中值濾波降低照片的背景與沖擊噪聲;(3)通過圖像銳化突出粗集料邊界信息;(4)閾值分割初步實(shí)現(xiàn)瀝青混合料剖面圖二值化;(5)利用數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理技術(shù)除去小粒徑集料及粗集料間的粘結(jié)?;谝陨蠄D像處理過程,AC-25級(jí)配瀝青混合料細(xì)觀模型建立如圖1所示,其中黑色區(qū)域代表粗集料,白色區(qū)域代表瀝青砂漿。

        圖1 AC-25級(jí)配二值圖及其有限元模型

        2 材料參數(shù)試驗(yàn)

        2.1 瀝青砂漿級(jí)配確定

        基于混凝土類材料細(xì)觀尺寸定義依據(jù)[14],將AC-25劃分為2.36 mm以上粗集料及最大公稱粒徑為1.18 mm的瀝青砂漿[15]。由于瀝青砂漿的等效瀝青用量需要除去粗集料所包裹的瀝青含量,通過固定粉膠比的辦法計(jì)算出各檔集料吸油量,從而確定瀝青砂漿的最佳瀝青含量。針對(duì)h100 mm×Φ100 mm尺寸的瀝青砂漿旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試樣,其各檔質(zhì)量如表1所示。

        2.2 材料彈性參數(shù)

        本文所采用的集料類型為玄武巖,其彈性模量與泊松比依據(jù)巖土工程學(xué)常規(guī)材料參數(shù)獲取;瀝青砂漿采用20 ℃的回彈模量作為其彈性模量,基于《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTG E20—2011)中的“瀝青混合料單軸壓縮試驗(yàn)(圓柱體法)”(T0713-2000)進(jìn)行七級(jí)加載計(jì)算得到;二組分彈性參數(shù)如表2所示??梢娚皾{與粗集料彈性模量間差異將近200倍左右,AC-25混合料的彈性模量介于二者之間,但是該值無法體現(xiàn)二組分間巨大的材料差異,因此進(jìn)行細(xì)觀尺度下材料特性分析十分有必要。

        圖2 AC-25瀝青砂漿旋轉(zhuǎn)壓實(shí)試樣

        材料類型細(xì)集料含量(mm)1 180 60 30 150 075礦粉含量瀝青用量AC-25瀝青砂漿22 616 116 210 910 813 59 9

        表2 瀝青混合料及其二組分彈性參數(shù)表

        2.3 瀝青砂漿蠕變參數(shù)

        瀝青混合料為典型的時(shí)溫依賴性材料,不同溫度與不同加載速度下表現(xiàn)出不同的粘彈特性。當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的行車荷載作用時(shí),瀝青混合料表現(xiàn)出明顯的蠕變特性。細(xì)觀尺度條件下,瀝青混合料的蠕變主要體現(xiàn)在瀝青砂漿相。因此本文進(jìn)行20 ℃時(shí)瀝青砂漿靜壓蠕變?cè)囼?yàn),靜載壓力為破壞強(qiáng)度的0.1倍,通過MTS-810材料試驗(yàn)機(jī)采集數(shù)據(jù)荷載-位移曲線,其結(jié)果如圖3所示。

        圖3 Drucker-Prager蠕變模型擬合曲線

        采用Drucker-Prager蠕變模型定義瀝青混合料材料特性,等效蠕變應(yīng)變可以表示為溫度、等效蠕變應(yīng)力和時(shí)間的函數(shù),如下式所示:

        (1)

        公式(1)對(duì)時(shí)間t求積分可得到下式:

        (2)

        由于試驗(yàn)采用單軸壓縮試驗(yàn),σ1=σ2=0 MPa,σ3=0.2 MPa。因此等效蠕變應(yīng)力計(jì)算如下所示:

        (3)

        tanβ=tan30°=0.58

        (4)

        (5)

        通過非線性擬合工具,基于室內(nèi)蠕變?cè)囼?yàn)曲線,獲得A,n,m蠕變參數(shù)應(yīng)用于ABAQUS粘彈材料庫(kù),以表征瀝青砂漿的蠕變特性。擬合結(jié)果如圖3所示,其中A=0.1286,n=4.8852,m=-0.7855,R2=0.9908。

        3 細(xì)觀模型蠕變特性分析

        假定在蠕變?cè)鲩L(zhǎng)與穩(wěn)定階段,集料與瀝青砂漿協(xié)同變形,二者不發(fā)生分離,因此模擬階段內(nèi)集料與砂漿為連續(xù)接觸狀態(tài)。由于需進(jìn)行模型長(zhǎng)期蠕變分析,因此考慮大變形與非線性的影響,網(wǎng)格均采用一次減縮積分單元。本文所模擬的蠕變階段不產(chǎn)生屈服,未涉及到塑性變形及蠕變加速階段。本文主要進(jìn)行3600 s單軸靜壓蠕變?cè)囼?yàn)的有限元模擬,于100 mm×100 mm模型頂部施加0.2 MPa均布荷載。粗集料彈性模量為60 GPa,其泊松比為0.15, 瀝青砂漿采用Drucker-Prager 蠕變模型,參數(shù)如2.3節(jié)所示。

        3.1 模型有效性驗(yàn)證

        考慮瀝青砂漿蠕變特性的細(xì)觀尺度有限元模型計(jì)算與AC-25混合料試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比曲線,如圖4所示。結(jié)果表明在蠕變初期增長(zhǎng)階段細(xì)觀模型能有效模擬瀝青混合料的變形特征;當(dāng)時(shí)間大于1250 s,隨著荷載的持續(xù)作用細(xì)觀模型的蠕變?cè)鲩L(zhǎng)速率大于試驗(yàn)曲線;當(dāng)時(shí)間大于3000 s,蠕變曲線進(jìn)入穩(wěn)定階段且有限元模型與試驗(yàn)具有相似的增長(zhǎng)速率。計(jì)算值與試驗(yàn)值間的誤差控制在10%以內(nèi),說明該細(xì)觀模型一定程度上能合理表征瀝青混合料的實(shí)際蠕變行為。

        圖4 有限元模型驗(yàn)證

        3.2 細(xì)觀蠕變特性分析

        粗集料與瀝青砂漿的細(xì)觀分布對(duì)瀝青混合料的蠕變特性影響不容忽視,現(xiàn)提取七個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析(見圖5)。其中A點(diǎn)所處位置骨架結(jié)構(gòu)不明顯,C點(diǎn)雖然兩側(cè)粗集料支撐良好然而下部存在大量純砂漿區(qū),其余取樣點(diǎn)處于粗集料嵌擠保護(hù)區(qū),其骨架結(jié)構(gòu)支撐良好。

        取樣點(diǎn)的蠕變曲線如圖6所示,考慮了蠕變特性細(xì)觀有限元模型的砂漿蠕變曲線比純砂漿相穩(wěn)定性更好、抵抗荷載持續(xù)作用能力更強(qiáng),粗集料的嵌擠作用對(duì)薄弱瀝青砂漿起到極其重要的保護(hù)作用。根據(jù)七個(gè)取樣點(diǎn)細(xì)觀分布的特征與差異,進(jìn)行如下討論與分析。

        圖5 細(xì)觀模型蠕變分析取樣點(diǎn)示意圖

        圖6 不同取樣點(diǎn)的3600 s蠕變曲線

        粗集料嵌擠區(qū)域的B點(diǎn)、C點(diǎn)、E點(diǎn)、F點(diǎn)及G點(diǎn),與無骨架結(jié)構(gòu)支撐的A點(diǎn)相比較,其蠕變時(shí)程曲線表現(xiàn)出幅值小、增長(zhǎng)趨勢(shì)慢的特點(diǎn)。A點(diǎn)蠕變曲線幅值約為其它點(diǎn)的2~10倍且曲線上揚(yáng)趨勢(shì)明顯,其蠕變趨勢(shì)達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間最長(zhǎng)。C點(diǎn)蠕變特性與B點(diǎn)具有相似性二者曲線幅值差異較小,C點(diǎn)蠕變穩(wěn)定時(shí)間略大于B點(diǎn),C點(diǎn)下部無支撐區(qū),而B點(diǎn)四周骨架支撐良好。相對(duì)而言,B點(diǎn)抵抗荷載長(zhǎng)期作用的能力略優(yōu)于C點(diǎn)。值得一提,雖然D點(diǎn)下部也為無骨架支撐區(qū)域,但是D點(diǎn)位于上部骨架嵌擠區(qū)域的中部;然而,C點(diǎn)則位于上部骨架嵌擠區(qū)域的下部邊緣。因此,D點(diǎn)的骨架支撐作用強(qiáng)于C點(diǎn),導(dǎo)致二者的蠕變曲線有顯著的差異。D點(diǎn)、E點(diǎn)、F點(diǎn)及G點(diǎn)的蠕變曲線無論是幅值還是穩(wěn)定時(shí)間都明顯優(yōu)于其它三點(diǎn)。從細(xì)觀分布分析,該四處取樣點(diǎn)周圍粗集料骨架結(jié)構(gòu)形成充分,且嵌擠區(qū)的粗集料粒徑大小搭配合理(B點(diǎn)附近粗集料粒徑相近)。其中,F(xiàn)點(diǎn)、G點(diǎn)所處區(qū)域粗集料粒徑朝向各異,自鎖嵌擠能力優(yōu)于D點(diǎn)與E點(diǎn),因此,F(xiàn)點(diǎn)與G點(diǎn)抵抗長(zhǎng)期變形能力相當(dāng)且最優(yōu)。綜上所述,粗集料的細(xì)觀分布特征直接影響瀝青砂漿在行車荷載作用條件下的抵抗長(zhǎng)期變形能力,良好的細(xì)觀骨架結(jié)構(gòu)能夠有效提高混合料的蠕變特性。

        4 結(jié)論

        本文基于數(shù)值圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)瀝青混合料細(xì)觀有限元模型的建立,并將其劃分為粗集料與瀝青砂漿二組分;基于回彈模量試驗(yàn)與靜態(tài)單軸蠕變?cè)囼?yàn)獲得瀝青砂漿的粘彈特性,且通過非線性擬合轉(zhuǎn)換為有限元分析的材料參數(shù);進(jìn)行細(xì)觀尺度下蠕變特性有限元分析,最終通過模型驗(yàn)證與對(duì)比分析,得到如下初步結(jié)論:

        (1)瀝青砂漿與粗集料二者間彈性模量相差倍數(shù)較大,而傳統(tǒng)路面設(shè)計(jì)使用的混合料彈性模量無法體現(xiàn)二者巨大的材料差異,細(xì)觀模型分別考慮了集料與砂漿的材料特性;

        (2)基于Drucker-Prager蠕變模型的細(xì)觀有限元分析,模型計(jì)算結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi),且蠕變?cè)鲩L(zhǎng)速率與試驗(yàn)結(jié)果相近,能夠合理表征材料的蠕變特性;

        (3)粗集料與砂漿的細(xì)觀分布影響混合料抵抗長(zhǎng)期變形的能力,良好的細(xì)觀骨架結(jié)構(gòu)對(duì)瀝青砂漿起到保護(hù)作用,且形成骨架的粗集料粒徑與朝向的合理分布有助于提高材料的抗永久變形能力。

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