基于多种路用环境下对布敦岩...青混凝土低温开裂特性的分析_闫景晨.pdf

第4 1卷 第3期V o l.4 1 N o.3材 料 科 学 与 工 程 学 报J o u r n a l o fM a t e r i a l sS c i e n c e&E n g i n e e r i n g总第2 0 3期J u n.2 0 2 3文章编号:1 6 7 3-2 8 1 2(2 0 2 3)0 3-0 5 1 4-0 8基于多种路用环境下对布敦岩沥青混凝土低温开裂特性的分析闫景晨1,陈秀楠1,马炎沛2(1.内蒙古工业大学 土木工程学院,内蒙古 呼和浩特0 1 0 0 5 1;2.中国第七工程局有限公司西南分公司工程部,重庆4 0 0 0 0 0)【摘 要】本研究通过冻断试验和三点弯试验分别对五种路用环境下的布敦岩沥青混凝土、基质沥青混凝土和S B S改性沥青混凝土进行低温抗裂对比分析,并通过数值模拟试验从试件损伤和能量耗散两方面进行布敦岩沥青混凝土低温开裂机理研究。结果表明:布敦岩沥青混凝土具有比其他两种沥青混凝土更高的转化点温度,但在冻结时的断裂强度和冻断温度略低于S B S改性沥青混凝土,而优于基质沥青混凝土。在低温下,布敦岩沥青混凝土的应变能密度大于基质沥青混凝土,略低于S B S改性沥青混凝土,这表明在基质沥青中掺加适量的布敦岩沥青可以提高其抗温缩开裂性能。另外,布敦岩沥青混凝土在低温条件下弯曲破坏过程中只有少部分塑性变形,应变能以塑性变形的方式耗散较少,主要是通过脆性破坏产生的裂隙耗散。【关键词】布敦岩沥青混凝土;低温开裂;应变能密度;损伤变量;离散元中图分类号:U 4 1 4 文献标志码:AD O I:1 0.1 4 1 3 6/j.c n k i.i s s n 1 6 7 3-2 8 1 2.2 0 2 3.0 3.0 2 8收稿日期:2 0 2 1-0 8-2 9;修订日期:2 0 2 1-1 2-1 4作者简介:闫景晨,副教授,研究方向:沥青混凝土抗裂性能。E-m a i l:y j c i m u t.e d u.c n通信作者:陈秀楠,硕士,研究方向:沥青混凝土低温抗裂性能。E-m a i l:1 1 0 7 3 1 3 4 2 7q q.c o m。A n a l y s i so nL o wT e m p e r a t u r eC r a c k i n gC h a r a c t e r i s t i c so fB u t o nR o c kA s p h a l tC o n c r e t eu n d e rV a r i o u sR o a dC o n d i t i o n sY A NJ i n g c h e n1,C H E NX i u n a n1,MAY a n p e i2(1.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i n g,I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,H o h h o t 0 1 0 0 5 1,C h i n a;2.S o u t h w e s tB r a n c ho fC h i n aC o n s t r u c t i o n7 t hE n g i n e e r i n gB u r e a uC o.,L t d,C h o n g q i n g4 0 0 0 0 0,C h i n a)【A b s t r a c t】T h i sp a p e r c o n d u c t s c o m p a r a t i v e a n a l y s i so n t h e l o wt e m p e r a t u r e f r a c t u r e r e s i s t a n c eo fB u t o nr o c ka s p h a l tc o n c r e t e,m a t r i xa s p h a l tc o n c r e t ea n dS B S m o d i f i e da s p h a l tc o n c r e t eu n d e rf i v ed i f f e r e n tr o a dc o n d i t i o n su s i n gT S R S Tt e s ta n dt h et h r e e-p o i n tb e n d i n gt e s t.T h el o wt e m p e r a t u r ec r a c k i n g m e c h a n i s mo fB u t o nr o c ka s p h a l t c o n c r e t ew a ss t u d i e df r o mt w oa s p e c t su s i n gt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n,t h ed a m a g eo f t h es p e c i m e na n dt h ee n e r g y i td i s s i p a t e d.T h er e s u l t ss h o wt h a t t h et e m p e r a t u r ea t t h ec o n v e r s i o np o i n to fB u t o nr o c ka s p h a l t c o n c r e t ei sh i g h e rt h a nt h o s eo ft h eo t h e rt w ok i n d so fa s p h a l tc o n c r e t e,w i t hal e s sd e g r e eo ff r a c t u r ea tas l i g h t l yl o w e rt e m p e r a t u r et h a nt h a to fS B S m o d i f i e da s p h a l tc o n c r e t e,a n ds h o w sb e t t e rp e r f o r m a n c e s t h a nt h a to fm a t r i xa s p h a l t c o n c r e t e.T h es t r a i ne n e r g yd e n s i t yo fB u t o nr o c ka s p h a l tc o n c r e t e i sl a r g e r t h a nt h a to fb a s ea s p h a l t c o n c r e t ea n ds l i g h t l ys m a l l e r t h a nt h a to fS B Sm o d i f i e da s p h a l tc o n c r e t ew h e nc r a c k i n ga t l o wt e m p e r a t u r e st i l l t h es p e c i m e ni sd e s t r o y e d,w h i c hi n d i c a t e st h a ta d d i n gap r o p e ra m o u n to fB u t u nr o c ka s p h a l tt ob a s ea s p h a l tc a ni m p r o v ei t sr e s i s t a n c et ot e m p e r a t u r es h r i n k a g ea n dc r a c k i n g.I na d d i t i o n,t h e r ei so n l yas m a l lp a r to fp l a s t i cd e f o r m a t i o ni nt h eb e n d i n ga n dc o l l a p s i n gp r o c e s s e sa tl o wt e m p e r a t u r e s,a n dt h es t r a i ne n e r g yi sl e s sd i s s i p a t e di nt h ew a yo fp l a s t i cd e f o r m a t i o n,w h i c hi s m a i n l yd i s s i p a t e dt h r o u g hc r a c k sc a u s e db yb r i t t l e f a i l u r e.【K e yw o r d s】B u t o nr o c ka s p h a l tc o n c r e t e;L o wt e m p e r a t u r ec r a c k i n g;S t r a i ne n e r g yd e n s i t y;D a m a g ev a r i a b l e;D i s c r e t ee l e m e n t1 前 言 道路使用环境中的光线、氧气、热量和低温等因素会导致沥青混合料经历热氧化、紫外老化、冻融循环和盐冻融循环的作用,严重削弱沥青的黏附性能1-2。布敦岩沥青(简称B R A)是一种石油长时间沉积和变异后在自然环境中经过热、氧、压力等综合作用转化而成的沥青类物质。作为基质沥青的改性剂,在路面工程中具有出色的高温性能、耐久性和水稳定性3-8,但布敦岩沥青混凝土在低温环境中的抗开裂性能一直是研究难点。特别是在寒冷、夏季炎热、紫外线辐射强且日温差大的高原低温区,经受路用环境因素作用下的布敦岩沥青混凝土低温开裂特性更是值得关注的问题。刘杰等9通过冻断试验得到的冻断温度和冻断应力指标分析了沥青混凝土低温抗裂的性能。王兴昌等1 0通过小梁三点弯试验分析S MA沥青混凝土在不同温度下应变能密度对试件开裂的影响。李辉等1 1将沥青砂浆试件在破坏过程中的能量耗散视为塑性变形和裂纹扩展两个进程,以便分析胶浆损伤过程中能量耗散规律,但缺乏损伤随时间变化的定量分析。钱振东等1 2-1 3通过离散元模拟三点弯曲试验,引入裂尖张开位移参数理解裂纹扩展所耗散的能量,但并没有将能量耗散进行全阶段分析。本研究主要通过冻断试验所得到的冻断温度、断裂强度、转化点温度对路用环境影响后的布敦岩沥青混凝土进行低温开裂特性分析,并通过三点弯曲试验得到的应变能密度指标,结合P F C数值模拟得到的损伤指标,从能量耗散角度进行沥青混凝土低温开裂全过程分析及开裂机理研究。2 原材料及路用环境施加2.1 原材料 试验选用盘锦A级9 0#基质沥青和聚合物掺量为4.5%的S B S改性沥青作为对照组,基本性能指标见表1。布敦岩沥青采用某公司的B R A干粉,其技术参数见表2,整体呈黑褐色。试验中干拌掺量选用基质沥青混凝土质量分数的3.6%进行添加1 4。另外,集料与矿粉的岩性均为石灰岩。通过筛分试验和马歇尔稳定度等相关性试验进行A C-1 3 C型沥青混凝土级配设计和最佳油石比确定,布敦岩沥青混凝土、基质沥青混凝土、S B S改性沥青混凝土的最佳油石比分别为:5.2%、5.0%、5.6%。沥青混凝土小梁试件参照规范T 0 7 0 3-2 0 1 1方法制备尺寸为3 0 0mm3 0 0mm5 0mm的板型试块,再通过切 表1 沥青基本性能指标T a b l e1 B a s i cp e r f o r m a n c e i n d i c a t o r so fa s p h a l tP r o p e r t yM a t r i xa s p h a l tS B Sm o d i f i e da s p h a l tE x p e r i m e n tm e t h o dP e n e t r a t i o n/0.1mm8 7.46 8.5J T GE 2 0T 0 6 0 4D u c t i l i t y/(5c m/m i n)9 5(1 0)1 1 3(1 0)J T GE 2 0T 0 6 0 5S o f t e n i n gp o i n t/4 7.67 9.1J T GE 2 0T 0 6 0 6R e l a t i v ed e n s i t y1.0 0 41.0 2 7J T GE 2 0T 0 6 0 3F l a s h i n gp o i n t/2 9 42 9 1J T GE 2 0T 0 6 1 1表2 B R A技术参数T a b l e2 B R At e c h n i c a l p a r a m e t e r sP r o p e r t yT e s tv a l u eE x p e r i m e n tm e t h o dP a r t i c l es i z e/mm-9、-9-2 1.5、-2 1.5-3 7 和-9和-9-2 1.5两个区的道路铺筑,对于-2 1.5615材料科学与工程学报2 0 2 3年6月-3 7和布敦岩沥青混凝土基质沥青混凝土。因此可知,在低温状态下,S B S改性沥青混凝土具有最好的抗开裂能力。而布敦岩沥青混凝土的应变能密度高于基质沥青混凝土,且将应变能密度提高了6 9.8%7 6.6%。因此,掺加适量的布敦岩沥青可以提高基质沥青混凝土的低温抗裂性能;在-1 0-2 0温度区间内,各种路用条件下,布敦岩沥青混凝土应变能密度曲线最为平缓,可以认为布敦岩沥青混凝土在不同路用条件下所储存的应变能密度差异不大,布敦岩沥青混凝土在不同路用环境下抵抗低温开裂的能力较为稳定,低温下具有较强的路用环境适应性;布敦岩沥青混凝土0状态下的应变能密度均大于-1 0和-2 0 的,结合冻断试验得到的布敦岩转化点温度为-4.7可知,试件在-1 0和-2 0 的低温下更接近于弹性体状态,受外力作用后,外力所做的功转化为弹性应变能的部分相对减少,转化为弹性动能的部分相对增多,因此布敦岩沥青混凝土在0状态下的应变能密度值比-1 0和-2 0的大。由于小梁在弯曲破坏过程中以层底拉应变和层顶压应变为主,故在D I C分析中以小梁水平应变分析为重点2 5,获得的布敦岩沥青混凝土小梁D I C水平应变云图如下:图7中从紫色到红色表示小梁试件在水平方向受到的压应变和拉应变的部分。从图7中发现:在裂纹萌生阶段,试件顶部承受压应变,底部承受拉应变,上下边缘部分存在部分应变集中现象。小梁中间部分水平应变云图形状各异,这是因为在此阶段小梁的中间815材料科学与工程学报2 0 2 3年6月图7 沥青混凝土试件底部裂纹水平应变E X X三阶段特征云图(a)E X X裂纹萌生阶段;(b)E X X裂纹扩展阶段;(c)E X X破坏阶段F i g.7 T h r e e-s t a g ec h a r a c t e r i s t i cc l o u dm a po fE X Xh o r i z o n t a lc r a c ks t r a i na t t h eb o t t o mo f a s p h a l t c o n c r e t es p e c i m e n(a)E X Xc r a c k i n i t i a t i o ns t a g e;(b)E X Xc r a c kp r o p a g a t i o ns t a g e;(c)E X Xb r e a kd o w ns t a g e部分以塑性应变为主,塑性应变的不规则性使应变云图随加载过程呈现不规则的流动状态,如a图;在裂纹扩展阶段,随着主裂纹的产生,主裂纹尖端部分应力集中加剧,对应的裂纹尖端处的应变较大,如b图云图中红色圆形范围内,而试件的其他部位随主裂纹的应力集聚而出现应力消散,因此整个小梁受拉区域水平应变云图呈现为内红外黄的三角形形状,整体上应变云图形状较为规整。此时,应变能集中在云图绿色三角形之内的范围,并开始由裂纹处耗散;在破坏阶段,小梁试件底部的拉应变集中区域随着裂纹长度扩展及应力集中点的逐渐上移,应变集中区域也相应上移,呈现更为圆润的红色圆形,而试件的其他部位应力释放更加彻底,相应的应变云图中绿色范围内颜色变浅;随着裂纹扩展,拉应力由小梁底部汇聚至主裂纹尖端,尖端处的应力应变值是小梁内最大的,对应的应变能也是最大的,但随着小梁失效,应变能由裂纹处耗散。3.3 P F C模拟试验 由前述分析研究可知,五种路用环境中,冻融和盐 冻融循环对沥青混凝土应变能密度的减小有显著的影响。这是因为温缩效应使沥青混凝土试件产生损伤,这种损伤使沥青胶浆产生微裂纹,微裂纹的快速扩展将会耗散大量的应变能。单一的应变能指标只能宏观反映小梁抵抗弯曲破坏的能力,而小梁的弯曲破坏是一个损伤不断积累的过程,应变能在损伤过程中的耗散对小梁抵抗弯曲破坏产生动态影响。为从能量耗散角度研究布敦岩沥青混凝土低温开裂机理,将应变能的耗散视为塑性变形和裂纹扩展两个进程,本研究分别以0、-1 0和-2 0试件编号为1、2、3的布敦岩沥青混凝土三点弯曲实验应力-应变图为模拟标定参照(如图8),考虑到低温环境下小梁的粘弹性状态及计算机的运算效率,模拟颗粒间的接触选择接触胶结模型2 6。细观参数采用迭代标定法确定2 7,标定结果见表5,建立P F C小梁三点弯曲试验模型,通过定义适用于P F C计算原理的损伤变量DV(见式(6),计算布敦岩沥青混凝土在三种低温环境下裂纹产生、扩展的能量损失。DV=NfN1 0 0%(6)式中:DV为损伤变量,Nf为P F C中试件裂隙的断裂数,N为试件跨中总黏结数。图8 实验与模拟应力应变对比图F i g.8 C o m p a r i s o nd i a g r a mo f e x p e r i m e n t a l a n ds i m u l a t e d表5 布敦岩沥青混凝土细观参数标定结果T a b l e5 C a l i b r a t i o nr e s u l t so fm e s o s c o p i cp a r a m e t e r so fb u t o nr o c ka s p h a l t c o n c r e t eT e m p e r a t u r e/P o r o s i t yn/%M i n-d i a m e t e r/(rmm-1)C o h e s i o n/NT e n s i l es t r e n g t h/MP aI n f l e x i b i l i t yr a t eE f f e c t i v em o d u l u sE/G P aF r i c t i o n03 7.5 64 2.6 81 2 8-1 00.40.4 33 1.4 83 8.8 22.5 71 0 60.5-2 03 0.5 13 6.3 78 9 由图8可知,标定后的模拟计算结果,其应力-应变曲线峰值与形态同三点弯试验所测得的非常接近。将模拟试验中试件裂隙断裂数Nf代入式(6)计算得到损伤变量Dv,通过分析Dv随试验时间的变化规律来研究小梁微裂纹的产生及扩展。由图9可知,0、-1 0和-2 0的小梁分别在模拟试验的4 8、3 2和1 5s处产生微损伤,并不断发展产生微裂纹,裂纹萌生速度较为缓慢,此为损伤前期;小梁分别在7 1、4 3和4 0s裂纹延伸速度开始迅速加快,试件发生脆断,此为损伤中期;之后分别在7 7、4 8和4 3s915第4 1卷第3期闫景晨,等.基于多种路用环境下对布敦岩沥青混凝土低温开裂特性的分析裂纹延伸速度大幅减缓,直至贯通,此为损伤后期。本研究分别将试验开始至损伤前期、中期至末期所持续的时间定义为塑性变形时间Tp和裂纹扩展时间Tc,见表6。相较于-1 0和-2 0 的小梁,0 小梁Tp和Tc都较大,即裂纹萌生较晚。这是因为0 的小梁在弯曲过程中塑性变形时间较长,一部分应变能由塑性变形耗散,对应的由塑性变形引起的损伤也较大,因此其总体损伤较大,而裂纹萌生较晚,应变能由裂纹表面大量耗散的进程延后,因此试件失效较晚;-1 0和-2 0的低温环境下Tp大幅减少,Tc也相应减少,这是因为小梁试件在低于转化点温度的环境下,胶浆的脆性提高,较小的塑性变形后即可发生脆性破坏,裂纹出现时间提前,相应的裂纹出现后大量的应变能从裂隙之间耗散;从能量耗散角度分析,若进一步提高布敦岩沥青混凝土低温抗裂性,应当延长其塑性变形时间Tp,延缓裂纹出现时间,延长裂纹扩展时间Tc,使布敦岩沥青混凝土失效时间延后。图9 试件裂隙连接断裂数随时间变化的规律F i g.9 L a wo f t h e f r a c t u r en u m b e ro f c r a c k j o i n t so fs p e c i m e n sc h a n g i n gw i t ht i m e表6 布敦岩沥青混凝土弯曲变形过程中的Tp和TcT a b l e6 Tpa n dTci nt h ep r o c e s so fb e n d i n gd e f o r m a t i o no fB u t o nr o c ka s p h a l t c o n c r e t eD e f o r m a t i o nt i m eT e m p e r a t u r e/0-1 0-2 0Tp4 8s3 2s1 5sTc6s5s3s 三点弯曲模拟试验结束后的小梁如图1 0所示。由图可知,0的小梁试件出现一条贯通的主裂纹和一条尚未扩展的从裂纹,并且在小梁的三个着力点周围都出现了微损伤a;-1 0的小梁出现了上窄下宽的梯形裂纹,这是因为在模拟试验中,损伤和裂纹都是以颗粒间连接的断裂数表征,细观损伤的堆叠表现为宏观裂纹的形式,损伤位置集中在裂纹周边整体表现出梯形状,这与实际裂纹形状有差异但并不影响能量图1 0 产生裂缝的布敦岩沥青混凝土小梁(a)0裂隙及微损伤;(b)-1 0裂隙及微损伤;(c)-2 0裂隙及微损伤F i g.1 0 B u t o nr o c ka s p h a l t c o n c r e t e t r a b e c u l a r sw i t hc r a c k s(a)0c r a c ka n dm i c r od a m a g e;(b)-1 0c r a c ka n dm i c r od a m a g e;(c)-2 0c r a c ka n dm i c r od a m a g e耗散问题的研究;-2 0的小梁出现一条主裂纹以及从主裂纹向外延伸的支裂纹,在主裂纹中部圆形范围内有部分微损伤,这是因为主裂纹与支裂纹之间存在大粒径颗粒,大颗粒本身集中了较大应力,而其周围的胶浆(大颗粒与附近颗粒的连接)强度与刚度远低于大颗粒集料,因此裂纹沿着集料表面延伸产生支裂纹;通过对比图1 0 a,b可以发现,-1 0的小梁在加载过程中微损伤都集中在了跨中,两端着力点附近没有明显的损伤,从能量耗散角度看,在布敦岩沥青混凝土小梁温度低于转化点温度-4.7后,趋近于弹性体,刚度增加,塑性变形减少,应变能主要由脆性破坏产生的裂纹耗散。对比图1 0 b,c可以发现,-2 0的小梁虽然更接近于弹性体,但微损伤的分布比-1 0 的小梁更加分散,这是因为温度太低后小梁虽然整体刚度增加,但胶浆的脆性也增大了,即使是小变形也易产生裂隙,应变能主要由裂纹和附近裂隙耗散。4 结 论 与基质沥青混凝土相比,布敦岩沥青混凝土的断裂强度和冻断温度均更高,但略低于S B S改性沥青混凝土。布敦岩沥青混凝土的转化点温度高于其他两种沥青混凝土。布敦岩沥青混凝土冻断温度为-2 5,最低温度范围为-2 1.5-3 7 的地区在铺筑布敦岩沥青混凝土路面时,需要考虑极端低温产生温缩裂缝的影响。布敦岩沥青混凝土防止紫外老化造成损伤的能力优于其他两种沥青混凝土。025材料科学与工程学报2 0 2 3年6月在相同的路用环境下,布敦岩沥青混凝土的应变能密度高于基质沥青混凝土。因此,掺加适量的布敦岩沥青可以提高基质沥 青混凝土 的低温抗裂性能。应变能密度指标只能从宏观上评价沥青混凝土小梁低温抗裂性,小梁在弯曲破坏过程中,应变能主要通过小梁塑性变形和裂纹扩展两种方式耗散,对于实际路面的低温抗裂性能评价应将应变能密度指标与损伤指标DV、Tp、Tc综合。当温度低于布敦岩沥青混凝土转化点温度时,小梁的应变能密度降低,塑性变形减少,裂纹萌生加快,应变能主要通过裂纹扩展耗散。若要提高布敦岩沥青混凝土的低温抗裂性,需要延缓其在低温环境下从黏弹体向弹性体转化的进程,如掺拌适用的抗冻剂,使其在极端低温下仍有一定的塑性,通过塑性变形延缓开裂的时间,从而保证应变能不会由脆性破坏瞬间流失。参考文献1 祁文洋,李立寒,张明杰,等.S B S改性沥青的阶段性老化特征与机理J.同济大学学报(自然科学版),2 0 1 6,4 4(1):9 5-9 9.2 许婷婷,顾兴宇,倪富健.玄武岩纤维增强沥青混凝土试验与性能研究J.交通运输工程与信息学报,2 0 1 1,9(2):1 1 5-1 2 1.3 吕泉,黄卫东,孙立军,等.沥青粘附性自愈合性能评价与机理分析J.哈尔滨工业大学学报,2 0 2 1,5 3(3):3 3-4 1.4 金鑫,郭乃胜,孙思威,等.伊朗岩沥青改性沥青的微观特性及性能J/O L.建筑材料学报,2 0 2 1,2 4(6):1 2 6 5-1 2 7 02 0 2 0-1 0-2 9.h t t p:/k n s.c n k i.n e t/k c m s/d e t a i l/3 1.1 7 6 4.TU.2 0 2 0 1 0 2 9.1 0 2 0.0 0 8.h t m l.5 王淋,郭乃胜,温彦凯,等.改性沥青疲劳破坏判定指标适用性J.交通运输工程学报,2 0 2 0,2 0(4):9 1-1 0 6.6 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