夏榮孚

（上海隧道工程有限公司,上海市 200030）

瀝青混凝土小梁彎曲損傷特性的CT研究

夏榮孚

（上海隧道工程有限公司,上海市 200030）

對(duì)3種典型級(jí)配的瀝青混凝土小梁試件進(jìn)行CT掃描,自動(dòng)識(shí)別出試件中出現(xiàn)的空隙,并計(jì)算其空隙率；成型了6種最大公稱粒徑（4.75,9.5,13.2,16,19,26.5 mm）的瀝青混凝土小梁試件,研究了這些試件在受彎狀態(tài)下的力學(xué)性能。結(jié)果表明,隨著最大公稱粒徑尺寸的增大,小梁試件彎拉強(qiáng)度及彎曲勁度模量的變化趨勢(shì)均隨之增大。

道路工程；瀝青混凝土；小梁彎曲；CT

0 引言

當(dāng)前對(duì)于瀝青混凝土的分析多采用簡(jiǎn)化的理論分析方法,不能很好地表征瀝青混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)。為了揭示非均質(zhì)復(fù)合材料的行為特征,需要克服以往宏觀研究的限制,從微觀和細(xì)觀尺度上進(jìn)行剖析。小梁彎曲試驗(yàn)是對(duì)固定尺寸的小梁試件,在跨中位置集中荷載作用下,使試件變形直至彎曲破壞,此時(shí)試件的抗拉強(qiáng)度即為破壞時(shí)作用的最大荷載。瀝青混凝土的彎拉應(yīng)變可由破壞時(shí)試件的跨中撓度求得,試件的勁度模量即為破壞時(shí)彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變兩者的比值。不同集料級(jí)配類型以及不同粒徑的瀝青混凝土小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果均存在差異性。通過對(duì)不同粒徑組成、不同級(jí)配類型的瀝青混凝土小梁進(jìn)行試驗(yàn)研究,可以有效地分析瀝青混凝土的低溫性能。

1 瀝青混凝土內(nèi)部空隙分布特性研究

為研究不同結(jié)構(gòu)類型混凝土內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)的分布特征,本文選擇了3種典型的級(jí)配類型,分別為懸浮密實(shí)型AC-16、骨架密實(shí)型SMA-16、骨架空隙型OGFC-16。為使得研究具有代表性、普遍性,根據(jù)《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F40—2004）的要求,對(duì)于級(jí)配本文采用規(guī)范推薦的級(jí)配中值成型試件,如表1所示。

為了定性和定量研究瀝青混凝土內(nèi)部空隙的分布狀況,運(yùn)用微焦點(diǎn)工業(yè)CT斷層掃描儀分別對(duì)3種級(jí)配（SMA-16、OGFC-16、AC-16）成型的瀝青混凝土小梁試件進(jìn)行X-ray CT斷層掃描。由于空隙的灰度值最小,接近于0,如圖1最左側(cè)黑色,且材質(zhì)單一,相比于瀝青砂膠和集料顆粒,其空隙最容易被識(shí)別。隨著密度增大,灰度值也隨之增大,表現(xiàn)為顏色變白變亮[1],如圖1最右側(cè)所示。

對(duì)小梁試件3個(gè)方向進(jìn)行斷層掃描,掃描結(jié)果如圖2所示。圖3為圖2對(duì)應(yīng)斷層位置的掃描圖片。

2 空隙率的測(cè)定

對(duì)于瀝青混凝土試件縱向空隙分布的研究,利用逆向工程軟件對(duì)不同級(jí)配下的三維重構(gòu)試件進(jìn)行“電子切割”的方法,對(duì)瀝青混凝土中的空隙進(jìn)行三維重構(gòu)[2],按此方法處理后的瀝青混凝土三維重構(gòu)示意圖見圖4。圖5為3種試件的空隙縱向分布。

由圖5可以看出,OGFC-16小梁試件的空隙率在縱向分布不均勻,與其他兩種小梁試件表現(xiàn)出同樣的規(guī)律:試件內(nèi)部空隙率較小,越靠近外部,其空隙率越大。

通過對(duì)比可以看出,懸浮密實(shí)型混凝土對(duì)于壓實(shí)度表現(xiàn)更為敏感,隨壓實(shí)度的增加,其空隙率逐漸減小；對(duì)于骨架密實(shí)型混凝土,當(dāng)壓實(shí)度達(dá)到一定程度時(shí),再增加壓實(shí)度的話,其空隙率大小變化較為不敏感。

3 小梁彎曲力學(xué)性能試驗(yàn)

小梁彎曲試驗(yàn)是對(duì)固定尺寸的小梁試件,在跨中位置集中荷載作用下,使試件變形直至彎曲破壞,此時(shí)試件的抗拉強(qiáng)度即為破壞時(shí)作用的最大荷載。瀝青混凝土的彎拉應(yīng)變可由破壞時(shí)試件的跨中撓度求得,試件的勁度模量即為破壞時(shí)彎拉強(qiáng)度和彎拉應(yīng)變兩者的比值。彎拉應(yīng)變是評(píng)價(jià)瀝青混凝土低溫抗裂性能的重要指標(biāo)[3],反映了其變形能力。在溫度較低的條件下,假定瀝青混凝土具有彈性材料的性質(zhì),瀝青混凝土的破壞過程存在著能量的耗散。通常,混凝土中存儲(chǔ)的彈性應(yīng)變能量越大,其在低溫下的抗裂性能就越佳。彎曲試驗(yàn)中彎拉強(qiáng)度與彎拉應(yīng)變的比值稱為彎曲勁度模量,一定程度上表征了瀝青混凝土的粘彈性,彎曲勁度模量越小表明瀝青混凝土粘彈性越好[4]。

表1 瀝青混凝土級(jí)配組成

圖1 灰度值范圍示意圖

圖2 斷層掃描位置示意圖

圖3 CT斷層掃描對(duì)應(yīng)圖（標(biāo)記部分為空隙）

圖4 三維重構(gòu)的瀝青混凝土試件

圖5 小梁試件空隙縱向分布示意圖

國(guó)內(nèi)外較常采用小梁彎曲試驗(yàn)來評(píng)價(jià)瀝青混凝土材料的抗彎拉性能。試驗(yàn)根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG E20—2011）進(jìn)行[5]。儀器采用MTS材料伺服試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)溫度為0℃,加載速率為5 mm/min。

AC瀝青混凝土空隙率處于SMA和OGFC之間,因此,本文針對(duì)AC試件按最大公稱粒徑由小到大（4.75,9.5,13.2,16,19,26.5 mm）分別成型了6種小梁試件（1-1,1-2,1-3,1-4,1-5,1-6）,并進(jìn)行彎曲試驗(yàn),其結(jié)果見表2及圖7～圖9。

表2 小梁彎曲試驗(yàn)結(jié)果

通過表2及圖7～圖9可以得出:AC試件的彎曲勁度模量和彎拉強(qiáng)度隨著最大公稱粒徑的增加而增加；試件的顆粒組成越細(xì),其勁度模量和彎拉強(qiáng)度也越小,而彎拉撓度卻隨之增大。

圖6 破壞荷載與最大公稱粒徑關(guān)系

圖7 彎拉強(qiáng)度與最大公稱粒徑關(guān)系

圖8 勁度模量與最大公稱粒徑關(guān)系

圖9 破壞撓度與最大公稱粒徑關(guān)系

這主要是因?yàn)闉r青混凝土在低溫下位于集料顆粒間界面處薄弱點(diǎn)產(chǎn)生了細(xì)微裂紋,當(dāng)這些細(xì)微裂紋在發(fā)育階段遇到不存在瀝青結(jié)合料填充的內(nèi)部空隙時(shí),微裂紋會(huì)沿空隙所在的破裂面迅速開展。由于內(nèi)部空隙較少,在較密實(shí)的瀝青混凝土中,此類微裂紋在發(fā)育初期受外力荷載的作用,需要消耗較大的能量來消除骨料與瀝青界面處的粘結(jié)作用。所以較密實(shí)的瀝青混凝土在抵抗外力作用時(shí)反映出其抗彎拉應(yīng)力相應(yīng)較大[5]。再者,如果裂縫發(fā)展路徑的空隙較少,由于骨料顆?；旧喜淮嬖谧冃文芰?此時(shí)填充在骨料之間的瀝青膠漿依靠界面粘結(jié)力和自身的粘性能夠減緩微裂紋開展的速度,進(jìn)一步反映出空隙率較小、集料顆粒級(jí)配組成偏細(xì)的瀝青混凝土具有較好的抗變形能力[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）采用X-ray CT無損斷層掃描技術(shù),通過變化混凝土的級(jí)配類型,選取典型AC-16、SMA-16、OGFC-16級(jí)配類型,對(duì)瀝青混凝土中空隙的三維分布特征進(jìn)行了研究。

（2）對(duì)小梁試件空隙分布的離散程度進(jìn)行探索,并計(jì)算了小梁試件沿縱向分布的空隙率特征。

（3）空隙分布介于SMA和OGFC之間的懸浮密實(shí)型瀝青混凝土試件其彎曲勁度模量和彎拉強(qiáng)度隨著最大公稱粒徑的增加而增加。同樣,小梁試件的顆粒組成越細(xì),其勁度模量和彎拉強(qiáng)度就越小,而彎拉撓度越大。

[1]李芬,李之達(dá),龔軍安,等.基于CT圖像分維估算的瀝青混凝土損傷演化研究[J].湘潭大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2006,28(2): 52-55.

[2]王振軍,沙愛民,肖晶晶,等.基于CT技術(shù)的復(fù)合瀝青混凝土內(nèi)部空隙特征分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào),2011,45(5):667-671.

[3]朱洪洲,高爽,唐伯明.瀝青混合料常應(yīng)變小梁彎曲疲勞試驗(yàn)[J].土木工程與管理學(xué)報(bào),2009,26(2):5-8.

[4]黃飛云,徐邱彬,高英.瀝青混凝土小梁彎曲斷裂的數(shù)值模擬[J].石油瀝青,2009,23(1):51-54.

[5]中華人民共和國(guó)交通部.JTG E20—2011,公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:人民交通出版社,2011.

[6]曾川川.瀝青混合料小梁裂紋擴(kuò)展的粘彈性分析 [D].武漢:華中科技大學(xué),2013.

U416.2

A

1009-7716（2017）07-0251-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.077

2017-03-20

夏榮孚（1981-）,男,上海人,工程師,從事市政道路設(shè)計(jì)及研究工作。