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大空隙沥青混合料内部冻融损伤特征
2019年03月04日    阅读量:1208    新闻来源:网络  |  投稿

冻融作用对沥青混合料的路用性能有重要影响。水通过路表空隙进入沥青混合料内部后会对沥青膜产生置换作用,并降低沥青胶浆与集料的界面粘结力。发生冻融循环时,水分相态变化会导致沥青混合料冻融损伤,使其路用性能降低,产生早期损害中国沥青网sinoasphalt.com。在大空隙沥青混合料中,水分对其路用性能的影响尤为突出。采用图像扫描技术,并引入损伤变量概念来研究沥青混合料的内部结构,分析混合料受力破坏过程中结构的变化,对于沥青混合料的设计及性能评价具有重要意义。本文通过测定不同冻融循环作用次数下大空隙沥青混合料的劈裂强度,并结合CT扫描技术来研究冻融劈裂前后其内部的空隙变化,计算试件不同层位的损伤变量,并分析劈裂破坏发展形式。


试验过程


试验采用OGFC13级配沥青混合料。试件为标准击实法成型的马歇尔试件。混合料中,沥青采用SBS改性沥青,粗、细集料均选用玄武岩,油石比通过马歇尔试验确定,最佳油石比为5.0%,矿粉掺量为5.5%,试件实测空隙率为20.3%


JTGE202011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中T07292000方法进行冻融劈裂试验。冻融劈裂试验试件成型时双面各击实50次。将试件分为2组,每组4个,一组在25℃水浴中浸泡2h后测定其劈裂强度RT1。另一组先按T07171993方法进行真空饱水,并抽真空15min;然后常压下将试件在水中放置0.5h;将试件取出后分别装入塑料袋中,加入约10mL的水,扎紧袋口后放入-18℃冰箱中保持恒温16h;将试件取出后放入60℃的恒温水箱中24h。这个过程为1次冻融循环。将经过冻融循环的试件放入25℃水中水浴2h后测定其劈裂强度RT2。计算RT1RT2的比值,即残留强度比TSR


采用医用螺旋CT机对冻融劈裂前后的试件分别进行扫描。


扫描试件时,将成型时双面击实的最后1次击实面作为顶面,从距顶面4.1mm处起等间距选取12个扫描层位进行均匀扫描,扫描层位间距5mm。然后利用数字图像处理软件MATLAB对得到的CT扫描图像进行灰度值处理,使试件每个层位空隙率之和与实测空隙率相等,并通过确定灰度值的数值来计算各扫描层位的实际空隙率。


利用双峰法对扫描得到的图像进行数字化处理,并确定图像中灰度值大于108的部位为集料,灰度值小于86的部位为空隙,灰度值介于86108之间的部位为沥青胶浆。


试验结果与分析


在不同冻融循环作用次数下,分别测定试件的劈裂强度,得到其残留强度比。


可以看出,经过冻融循环后,试件的劈裂强度明显降低,经过冻融循环的试件与未经过冻融循环的试件相比,经历1次冻融循环后,其劈裂强度降低约12%;经过2次冻融循环后,其劈裂强度降低约19%;经过3次冻融循环后,其劈裂强度降低约26%。试验结果表明,大空隙沥青混凝土空隙率较大,在冻融循环过程中,水进入混合料内部,使混合料发生破坏,从而降低了试件的劈裂强度。由于冻融循环作用次数增加,致使水的作用时间变长,作用效果更加充分,从而使混合料内部破坏更为严重,劈裂强度进一步降低。


可知,试件初始状态下,沥青胶浆与粗集料分布不均匀,粗集料多的地方空隙分布多,沥青胶浆相应分布少。


可以看出,试件经过冻融劈裂后,各层位的空隙率普遍增大,但增幅有明显差别:在初始空隙率较大处空隙率增幅较大,初始空隙率较小处空隙率增幅并不明显;劈裂破坏多发生在试件初始空隙率较大处。由此可见,裂缝的形成、发展与试件初始空隙分布状态有密切关系。裂缝的形成是由于空隙贯穿,并沿着沥青与粗集料的接触面扩展所致。由此说明在冻融过程中,水的破坏作用体现在破坏了沥青胶浆与集料之间的粘附性。


试件内部冻融损伤研究


为了定量分析冻融劈裂对大空隙沥青混合料试件的内部损伤,本文引入如下数学模型及假设:


1) 沥青混合料试件的内部损伤为同类型损伤,具体表现形式为微小孔洞;孔洞在试件内为随机分布;在每个分辨单元内单个孔洞的面积基本相等,并记为A0;损伤孔洞的个数在互不相交体域内相互独立;o为中心的体域X内存在k个孔洞的概率Pk(X)只与X有关,且P0(X)不恒为1;在体域X内存在有限个孔洞,即Σ∞k=0Pk(X)=1;在体域X内出现多于1个孔洞的概率是X的高阶无穷小。


在数学上,符合上述假设的随机变量统计规律属于离散型分布。基于沥青混合料内部损伤的分布特点及上述假设,本文利用泊松分布来推导沥青混合料内部冻融劈裂前后的损伤变量。假设CT扫描分辨单元面积为A


计算时,取大空隙沥青混合料试件在其最佳沥青用量时的最大密度作为其无损密度ρ0,取空隙率最小截面的CT值作为混合料基体材料的CT值。本次试验中,空隙率最小截面为距试件顶面4.1mm处,故将相关数据计算上(4.1mm)、中(29.1mm)、下(59.1mm)3个层面的损伤变量。


可以看出,冻融劈裂后试件损伤变量均有不同幅度增加。在试件初始空隙率较大处,损伤变量较大,冻融劈裂后损伤变量增加也更多。反之,在试件初始空隙率较小处,损伤变量较小,冻融劈裂后损伤变量增加也较少。说明试件经过冻融劈裂后其内部空隙有增大且数量也有增多的趋势,混合料内部的破坏是沿混合料初始空隙较多处扩展的。


结论


1) 随着冻融循环作用次数的增加,沥青混合料试件劈裂强度明显降低。水进入试件内部后会破坏沥青胶浆与集料界面粘结性,冻融循环次数增加,则水的作用就越充分,破坏也就越明显。


2) 沥青混合料试件冻融劈裂破坏时,裂缝大多形成在试件初始空隙率较大的位置,裂缝发展方向与初始空隙的方向基本一致,由此可见裂缝的形成和发展与试件初始空隙率的分布状态密切相关。


3) 沥青混合料试件空隙大的部分力学性能较差,当在外力作用下发生破坏时,内部损伤形成、发展的位置和方向与初始空隙分布状态密切相关。


4)沥青混合料试件内部损伤变量与试件初始空隙率有关,初始空隙率大的层位与空隙率小的层位相比,其损伤变量增加更多。


标签:技术中心沥青混凝土
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