粗集料分布形态对沥青混合料疲劳性能影响研究.pdf

第42卷第4期2023年4月Vol.42 No.4Apr.2023重庆交通大学学报(自然科学版)JOURNAL OF CHONGQING JIAOTONG UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)DOI：10.3969/j.issn.1674-0696.2023.04.11粗集料分布形态对沥青混合料疲劳性能影响研究吴国雄2,姜勇1,张伟1,陈澈彳（1.重庆交通大学土木工程学院，重庆400074；2.重庆建筑工程职业学院交通与市政工程系，重庆400072；3.中机中联工程有限公司市政五所，重庆400039）摘要:为分析粗集料的分布形态对沥青混合料疲劳性能的影响，选择粗集料棱角性和混合料内部接触状态2个细观 特征作为粗集料分布形态参数，利用MATLAB等图像软件分析并提取粗集料在沥青混合料中的细观特征,同时生 成虚拟的二维沥青混合料试件。利用交互手段将虚拟试件导入离散元P FC2D软件，编辑设置相关细观参数和模拟 间接拉伸室内虚拟实验的代码，完成离散元模拟实验。结果表明:定义的棱角性参数在110 000-130 000之间时,存在一个抗疲劳破坏的强度峰值;在级配正常的接触对范围内，接触对数量与沥青混合料抗疲劳破坏性能呈现一定 的正相关关系。关 键 词:道路工程;沥青混合料;粗集料;分布形态参数;离散元;劈裂疲劳损伤中图分类号:U416.217 文献标志码:A 文章编号:1674-0696（2023）04-080-07Influence of Coarse Aggregate Distribution Morphology on the Fatigue Performance of Asphalt MixturesWU Gu ox iong2,JIANG Yong1,ZHANG Wei1,CHEN Ha o3(1.Sc hool of Civil Engineer ing,Chongqing Jia o t ong Univer sit y,Chongqing 400074?China；2.Depa r t ment o Tr a nspor t a t ion a nd Mu nic ipa l Engineer ing,Chongqing Voc a t iona l Col l ege of Ar c hit ec t u r a l Engineer ing,Chongqing 400072,China;3.Mu nic ipa l Bu r ea u Five,China Ma c hiner y China Unit ed Engineer ing Co.,Lt d.,Chongqing 400039,China)Ab st r a c t：In or d er t o a na l y ze t he infl u enc e of t he d ist r ib u t ion mor phol ogy o c oa r se a ggr ega t es on t he fa t igu e per for ma nc e of a spha l t mix t u r es,t wo meso fea t u r es of c oa r se a ggr ega t e su c h a s a ngu l a r it y a nd int er na l c ont a c t st a t e of t he mix t u r e wer e sel ec t ed a s c oa r se a ggr ega t e d ist r ib u t ion mor phol ogic a l pa r a met er s.The ima ge soft wa r e su c h a s MATLAB wa s u sed t o a na l y ze a nd ex t r a c t t he mic r osc opic fea t u r es of c oa r se a ggr ega t es in a spha l t mix t u r es,a nd t he vir t u a l t wo-d imensiona l a spha l t mix t u r e spec imens wer e a l so gener a t ed a t t he sa me t ime.Then,t he vir t u a l t est piec e wa s impor t ed int o t he d isc r et e el ement P FC2D soft wa r e b y int er a c t ive mea ns a nd t he c od es for set t ing r el eva nt mic r osc opic pa r a met er s a nd simu l a t ing ind ir ec t st r et c hing ind oor vir t u a l ex per iment s wer e ed it ed t o c ompl et e t he d isc r et e el ement simu l a t ion ex per iment The r esu l t s show t ha t：when t he d efined a ngu l a r it y pa r a met er is b et ween 110 000 a nd 130 000,t her e is a pea k st r engt h of fa t igu e fa il u r e r esist a nc e;wit hin t he r a nge of c ont a c t pa ir s wit h nor ma l gr a d ing,t her e is a c er t a in posit ive c or r el a t ion b et ween t he nu mb er of c ont a c t pa ir s a nd t he fa t igu e fa il u r e r esist a nc e o a spha l t mix t u r es.Key wor d s：highwa y engineer ing；a spha l t mix t u r e;c oa r se a ggr ega t e；d ist r ib u t ion mor phol ogic a l pa r a met er；d isc r et e el ement s;spl it fa t igu e d a ma ge0引言注的重要内容之一。张嬪娜等对于不同类型沥 青混合料进行了劈裂试验和蠕变试验，建立了一种沥青混合料疲劳损伤性能一宜是道路研究者关 基于累计流动能耗预测疲劳性能的方程方法;朱洪收稿日期：收稿日期：2020-12-24；修订日期：修订日期：2022-03-10第一作者:吴国雄（1966），男，湖北崇阳人，教授，博士，主要从事道路工程方面的研究。E-ma il：wgx _ph.d 163.c om第4期吴国雄，等:粗集料分布形态对沥青混合料疲劳性能影响研究81洲等研究分析了饱和度、空隙率、胶粉比以及沥 青膜厚度对疲劳方程中特征参数的影响；杜群乐 等利用应力控制模式下疲劳试验对比分析旋转 压实与马歇尔击实制备试件方法下不同混合料的疲 劳性能，并研究了公称最大粒径对混合料疲劳性能 的影响。在对疲劳性能的研究分析中，国内外的大多数 学者都是从实验现象法的角度去寻找规律和探索原 理，这种方法虽然有其实用性,但在沥青混合料的内 部细观评价方面有较大限制,不能量化评价混合料 细观特征对混合料疲劳性能的影响。随着计算机技 术的发展，众多学者利用计算机技术实现对沥青混 合料内部细观特征的识别量化或者通过软件重构模 拟来探索混合料性能与细观特征的关联。E.MASAD等运用数字图像处理技术并结合相关数 学方法及程序，定义了一些评价集料自身形态的指 标;J.K.ANOCHIN-BOATENG等通过3D激光扫 描系统(CSIR)扫描集料信息,并通过计算机模拟软 件重构了集料的三维虚拟模型；M.ZEGHAH等 利用离散元软件设计了虚拟三轴压缩试验，结果表 明试件的回弹模量与其侧向压力存在正向关系性；王荣等利用离散元软件进行了虚拟单轴静态蠕 变试验；E.MAHMOUD】8】等通过在离散元软件 P FC2D中设计完成模拟劈裂实验，并将分析计算所 得的沥青混合料内部集料细观特性与实验结果对比 分析，实现了混合料内部转结构状态、集料细观特征 与宏观性能的相互关联。由上述可知，虽然集料细观特征参数相关研究 已有很多，但对沥青混合料疲劳损伤性能影响的研 究还比较少。利用数字图像处理技术和离散元软件 进行沥青混合料疲劳损伤模拟实验，揭示了粗集料 分布形态特征对沥青混合料疲劳性能的影响。1疲劳虚拟实验二维细观模型1.1粗集料分布形态参数选择棱角性参数是指沥青混合料中粗集料和细集料 颗粒表面的突出程度。美国公路战略研究(SHRP)计 划中,将棱角性认为是形状、棱角性和表面纹理3个 粗集料自身形态特征中最重要的一个参数。棱角性 是通过计算所有边界点的梯度向量角,并将其累计加 和而得到的，但由于笔者旨在研究二维平面的棱角性 参数，故将梯度向量变化转变为平面斜率向量变化,即可得到粗集料在二维平面的棱角性参数。对于整 个沥青混合料的粗集料棱角性参数，计算公式为：M=(Az x/.)/a.(1)i=i i=i式中:儿为单个粗集料的棱角性指标仏为集料的面 积指标;M为粗集料棱角性加权指标。对于沥青混合料中集料接触状态研究，魏鸿 等建立了表征集料接触特性的量化指标“接触 对”o在判定“接触对”时可假设集料颗粒均被沥青 胶浆膜覆盖,那么如果2个临近颗粒完全接触，根据 图像实际分辨率大小,其颗粒边缘应该相距不超过 一个像素。笔者选择棱角性和接触对这2种细观特征作为 粗集料分布形态参数进行研究，并利用数字图像处 理技术对集料参数进行提取。1.2粗集料分布形态参数提取方法传统沥青混凝土实验中定义粗集料为最大公称 粒径2.36 mm以上的集料。针对本次实验研究集配 AC-13,对4.75、9.5、13.2 mm的粗集料进行了前期 图像处理，数据显示，将研究粒径定为9.5 mm及13.2 mm时，描述其特性差异更为明显，对比实验更 具可行性。对于棱角性参数,通过相机获取的图像中存在 阴影噪声及集料表面的灰质噪音，是无法直接用于 提取集料细观特征表征参数的，需要先采用 P hot oshop对原图像进行效果增强和去阴影处理，然 后使用MATLAB对增强后图像进行二值化处理，如 图lo根据所得集料轮廓线，运用MATLAB对轮廓 上的像素点坐标进行排序，计算获得粗集料棱角性 参数和面积参数。(a)增强后图像(b)增强图像二值化(C)腐蚀与膨胀运算处理后(d)反转二值图集料轮廓线图1图像二值化处理Fig.1 Image binarization processing接触对表征集料接触特性的量化指标,利用数 字图像处理技术可得到混合料截面二值图，然后使 82重庆交通大学学报(自然科学版)第42卷用MATLAB软件内置的腐蚀和膨胀函数处理图像 中存在的黏连现象，进而判定集料接触的接触对。黏连现象处理前后二值图效果如图2。为了避免切 割试件时产生的不可逆损伤，根据段跃华等1研究 成果，将试件中部接触点个数相对于顶部和底部的 衰减系数定为0.7,这样切割时只用切割顶部和底 部，并提取出接触点个数乘以衰减系数。图2处理前后截面放大Fig.2 Enlarged cross-section before andafter processing1.3二维数字试件生成数值模型的建立与常规方法有所不同,选择将 所采集的粗集料图像随机填充进二维截面来构建数 值模型。运用概率理论并根据三维体积级配推算出 二维数量级配，然后通过MATLAB程序将采集所得 粗集料随机投放入截面圆中生成二维马歇尔界面,如图3。由于P FC2D无法识别以矩阵形式存在的图 像数据，所以需要先将该图像数据导入CAD中，生 成各级料分别建立图层的CAD交互图像，然后通过图3二维马歇尔界面Fig.3 Two-dimensional Marshall interface代码使离散元软件P FC与CAD实现交互，在实现截 面圆内离散元颗粒生成及赋值后，即可将CAD图像 的颗粒位置数据导入离散元软件中以生成离散元数 字试件，如图4。图4离散元数字模型Fig.4 Discrete element digital model2细观模型疲劳损伤参数设置沥青混合料的疲劳损伤主要表现为沥青胶浆内 部以及沥青胶浆和集料之间的力学性能损伤,因此,在利用离散单元法模拟沥青混合料疲劳损伤时，只 需研究作为接触模型定义的平行黏结接触模型的疲 劳损伤，并用离散单元法对其描述和控制。式(2)体现了沥青胶浆材料平行黏结直径衰减 速率与时间、应力水平的关系为：式中心=趴/瓦e为平行黏结直径;恳由平行黏 结初始模量与颗粒直径的比值得到;/为荷载作用时 间;01、02、旳和由3个及3个以上不同应力比 的间接拉伸蠕变实验或疲劳实验的劲度模量与时间 关系曲线得到;6T为加载应力值;c为加载应力最 大值。控制虚拟疲劳试验参数设置如表1及表2O表1平行黏结损伤参数卩卩“2、叫、叫和2值Table 1 仔,jB2 and a2 value of parallel bond damage parameters级配类型Ql 02 al2AC-132.42x l 06-1.793-1.4490.056表2 AC-13离散元模型力学参数Table 2 Mechanical parameters of AC-13 discrete element model线性接触 模量/P a卫/-咗圧法向刚度/脱结抗 胶结平行连接羸盂 切向刚度/拉强度/黏聚力/ks P a P a胶结内 摩擦角/()4.3X107 3.20 x 10s 2.8 4.04X106 2.04X106 35第4期吴国雄，等:粗集料分布形态对沥青混合料疲劳性能影响研究833间接拉伸疲劳实验模拟及分析3.1棱角性对疲劳性能影响同批次同配比的粗集料无法起到对比效果,为 了得到棱角性不同的粗集料，故需按照规范对粗 集料做磨耗试验，将获取的5组不同磨耗转数粗集 料图像投放生成不同棱角性的数字虚拟试件，数字 试件棱角性参数和图样分别见表3及图5O表3数字试件棱角性Table 3 Angularity of digital specimen参数-试件编号试件1试件2试件3试件4试件5磨耗转数/r a d02505007501 000棱角性159 379127 369103 75582 08474 685(a)试件1(b)试件2(c)试件3(d)试件4(e)试件5图5不同棱角性参数虚拟试件Fig.5 Virtual specimens with different angularity parameters通过编写离散元软件P FC2D内部fish代码可 实现间接拉伸疲劳虚拟实验，实验结果如表4O根据实验结果中疲劳寿命数据进行拟合即可得 到不同棱角性特征下的应力疲劳方程，见表5,应力 疲劳方程形式采用如式(3)：N=kan(3)式中:N为疲劳寿命丛和n则为特征参数。表4试件虚拟疲劳实验结果Table 4 Virtual fatigue test results of specimens试件编号劈裂强度/Mpa应力比应力/Mpa疲劳循 环时步0.40.4989 4630.50.6236 047试件11.245 790.60.7472 7310.70.8721 3210.40.55312 0480.50.6925 231试件21.383 480.60.832 0150.70.9681 4160.40.61118 5390.50.7368 578试件31.526 340.60.9161 7240.71.0689940.40.57914 8770.50.7245 328试件41.448 690.60.8691 8950.71.01412310.40.54210 3970.50.6785 231试件51.356 060.60.8141 9230.70.9491 257表5不同棱角性特征下应力疲劳方程Table 5 Stress atigue equation with diferent angularity characteristics试件编号应力疲劳方程相关系数的平方和疋试件1y=91&96a;-3 5450.964 7试件2y=l 132.4八9800.985 6试件3y=l 30&4x_55200.983 6试件4y=l 175.6严9i0.988 8试件5y=981.34产 9340.984 1由表5可看出，随着棱角性的增大k值先增大 后减小，而值的增长或减少同步表现为应力疲劳 曲线截距的增大和减小，即意味着在棱角性增加的 过程中抗疲劳性能出现了峰值。而卩值的变化也与 k值的变化较为同步值越小则表示混合料对应力 的变化敏感性越小。由以上数据可知,无论是在同等应力还是在同 等应变情况下,其疲劳寿命在棱角性变化的梯度中 都较为明显的存在一个峰值，该规律与表示应力疲 劳曲线截距的k有较为直接的关系,故拟合棱角性 与k值的函数优化应力疲劳方程，棱角性与k值拟 合曲线图如图6。而对于值的变化，由于应力区 84重庆交通大学学报(自然科学版)第42卷间较为集中，且变化幅度不明显，故不予研究。应力 疲劳方程可根据式(3)优化改写为式(4):N=(-240.312厶2 x 106+345 320-670.26)t r n式中:厶为棱角性参数。14001 3001 200營 1 1001 000900800 1-1-1-1-1-1-1-14 6 8 10 12 14 16 18棱角性参数/104图6棱角性参数与氐的拟合关系Fig.6 The fitting relationship between angularity parameter and k分析原因可得，当棱角性较低时,混合料内部的 粗集料没能形成骨架结构,当应力增长到一定程度,内部应力便基本由沥青胶浆承担了，因此所表现的 细观现象即加载中会较多出现分支裂缝，如图7O 随着骨架形成，疲劳性能有所改善。但随着棱角性 继续增加,粗集料的棱角性变得明显。而此时粗集 料棱角处便会出现明显的应力集中现象，导致粗集 料刺破沥青膜，形成裂缝，从而使疲劳性能再次降 低，应力集中现象如图8。图7分支裂缝的产生Fig.7 Branch cracks generation图8应力集中现象Fig.8 Stress concentration phenomenon3.2接触细观特征对疲劳性能影响重构5组不同接触细观特征的沥青混合料数字 试件完成间接拉伸疲劳试验，其细观特征参数和试 验结果分别如表6和表7。表6虚拟试件细观特征参数Table 6 Microscopic characteristic parameters of virtual specimen参数试件编号试件1试件2 试件3试件4试件5棱角性155 342157 108 156 248158 911156 248接触对个如个1517 192025表7虚拟间接拉伸疲劳试验结果Table 7Virtual indirect tensile fatigue test results试件编号劈裂强度/Mpa 应力比应力/Mpa疲劳循 环时步0.40.501 89 6290.50.627 254 075试件1.245 50.60.752 72 1400.70.878 151 3960.40.506 329 3440.50.632 94 427试件21.265 80.60.759 482 2670.70.886 061 3120.40.50679 9320.50.634 54 648试件31.2690.60.761 42 3830.70.888 31 3790.40.489 1610 7390.50.611 455 522试件41.222 90.60.733 742 5880.70.856 031 6140.40.535 849 1330.50.669 83 835试件51.339 60.60.803 761 9090.70.937 721 301将虚拟疲劳实验数据代入式(3),可得各试件 的应力疲劳方程，如表8。表8不同接触状态特征下应力疲劳方程Table 8 Stress fatigue equation with different contactstate characteristics试件编号应力疲劳方程相关系数的平方和/试件1y=840.25x-3-4780.995 5试件2y=863.55严 190.999 6试件3y=911.62x-35380.999 8试件4y=935.61严0.995 5试件5y=960.41八 5旳0.992 6第4期吴国雄，等:粗集料分布形态对沥青混合料疲劳性能影响研究85由表8可以看出随着接触对增大/值呈现缓 慢增大趋势，说明沥青混合料内部粗集料接触对的 增多改善了沥青混合料抗疲劳性能。反观值的变 化趋势不明显，只在接触对数量达到级配内峰值时 出现了一个变小趋势,即意味着接触对达到一个较 高水平时,出现了对疲劳破坏敏感性的降低。现对粗集料接触状态的细观特征参数引入应力 疲劳方程中对其进行优化，针对以上应力疲劳方程 中值和值与接触对参数的规律，将k值与接触 对参数进行拟合，实现对应力疲劳方程的优化。拟 合关系图如图9。1 000880迴920y 9oo860840980-960-940-820-1-1-1-14 16 18 20 22 24 26接触对个数/个图9接触对个数与左值的拟合关系Fig.9 Fitting relationship between the number of contact pairs and the value of k运用以上值与接触对参数的拟合可将式(3)优化改写为式(5)：N=(12.459/+663.07(5)式中J为接触对参数。分析接触对数量变化对疲劳寿命产生影响的原 因,随着接触对数量增加，可认为在同一数量级配的 沥青混合料试件成型过程中,混合料内部形成了受 力状态更为稳定的粗集料骨架，从而改善了沥青混 合料抗疲劳性能。在同一数量级配前提下,当接触 对数量达到了一个较高水平，值出现一个较小范 围下降，受力状态更好的粗集料骨架形成后,使沥青 混合料对疲劳破坏的敏感性降低。3.3棱角性指标和接触对指标间的关系根据生成的多组沥青混合料虚拟试件特征参 数,绘制出棱角性参数和接触对参数的相关性图例,如图10o由图10可知，接触点参数与棱角性参数并无明 显的相关性,故为了便于将2个参数引入同一疲劳 方程，笔者假设棱角性和接触对2个细观特征不相 关。由式(4)可知，&值与棱角性参数呈二次关系；30蠢20 隸15e15B io5060 000 80 000 100 000 120 000 140 000 160 000 180 000 棱角性参数图10棱角性与接触对相关性图例Fig.10 Correlation legend of angularity and contact pair 由式(5)可知/值和接触对参数呈一次关系，故拟 二次函数f(x,y)=ax+bx+cy+d来表征k值，其中x 为棱角性参数为接触点参数。将实验数据导入 MATLAB中，利用MATLAB内置拟合工具Cu r ve Fit t ing实现拟合。然后将拟合函数代入应力疲劳方 程中,得到式(6)：2V=(-1.565 x 10_7L2+0.035 04Z+15.59J-1 032)o-_n(6)4结论以粗集料的分布形态与沥青混合料疲劳性能关 系为主要研究目标，从粗集料棱角性和混合料内部 接触对状态2个细观特征入手,借助数字图像处理 技术和离散元软件等，进行了粗集料分布形态对沥 青混合料疲劳性能影响的研究,得到如下结论:1)对于AC-13沥青混合料，当其棱角性参数在 110 000-130 000之间时，抗疲劳性会出现峰值。在 级配正常的接触对范围内,沥青混合料抗疲劳性能 会随接触对的增加而增加。2)将棱角性参数和接触对参数都分别引入应力 疲劳方程,实现了对应力疲劳方程的优化。而后提取 试件棱角性参数与接触对参数，研究2个参数的相关 性，结果表明相关性不明显，并在假设两参数不相关 的基础上,完成了对应力疲劳方程的双参数优化。3)粗集料棱角性参数和接触对数量影响着沥青 混合料的抗疲劳性能,对沥青混合料进行配合比设 计时应给予关注。参考文献(Refer enc es):1张嬉娜,谭忆秋，张肖宁.应用能量原理预测沥青混合料的疲劳 破坏J.中国公路学报,1998,11(4)：3-5.ZHANG Jingna,TAN Yiqiu,ZHANG Xia oning.P r ed ic t ing fa t igu e fa il u r e of b it u mionou s mix t u r e u sing ener gy d issipa t ion J.China Jou rnal of Hig hway and Transport,1998,11(4)：3-5.86重庆交通大学学报（自然科学版）第42卷2 朱洪洲，黄晓明.沥青混合料疲劳性能关键影响因素分析J.东 南大学学报(自然科学版),2004,34(2)=260-263.ZHU Hongzhou,HUANG Xia oming.Ana l y sis of key infl u ent ia l fa c t or s of a spha l t-mix t u r 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