沥青混凝土小梁弯曲损伤特性的CT研究

夏荣孚

（上海隧道工程有限公司,上海市 200030）

沥青混凝土小梁弯曲损伤特性的CT研究

夏荣孚

（上海隧道工程有限公司,上海市 200030）

对3种典型级配的沥青混凝土小梁试件进行CT扫描,自动识别出试件中出现的空隙,并计算其空隙率；成型了6种最大公称粒径（4.75,9.5,13.2,16,19,26.5 mm）的沥青混凝土小梁试件,研究了这些试件在受弯状态下的力学性能。结果表明,随着最大公称粒径尺寸的增大,小梁试件弯拉强度及弯曲劲度模量的变化趋势均随之增大。

道路工程；沥青混凝土；小梁弯曲；CT

0 引言

当前对于沥青混凝土的分析多采用简化的理论分析方法,不能很好地表征沥青混凝土的细观结构。为了揭示非均质复合材料的行为特征,需要克服以往宏观研究的限制,从微观和细观尺度上进行剖析。小梁弯曲试验是对固定尺寸的小梁试件,在跨中位置集中荷载作用下,使试件变形直至弯曲破坏,此时试件的抗拉强度即为破坏时作用的最大荷载。沥青混凝土的弯拉应变可由破坏时试件的跨中挠度求得,试件的劲度模量即为破坏时弯拉强度和弯拉应变两者的比值。不同集料级配类型以及不同粒径的沥青混凝土小梁弯曲试验结果均存在差异性。通过对不同粒径组成、不同级配类型的沥青混凝土小梁进行试验研究,可以有效地分析沥青混凝土的低温性能。

1 沥青混凝土内部空隙分布特性研究

为研究不同结构类型混凝土内部细观结构的分布特征,本文选择了3种典型的级配类型,分别为悬浮密实型AC-16、骨架密实型SMA-16、骨架空隙型OGFC-16。为使得研究具有代表性、普遍性,根据《公路沥青路面施工技术规范》（JTG F40—2004）的要求,对于级配本文采用规范推荐的级配中值成型试件,如表1所示。

为了定性和定量研究沥青混凝土内部空隙的分布状况,运用微焦点工业CT断层扫描仪分别对3种级配（SMA-16、OGFC-16、AC-16）成型的沥青混凝土小梁试件进行X-ray CT断层扫描。由于空隙的灰度值最小,接近于0,如图1最左侧黑色,且材质单一,相比于沥青砂胶和集料颗粒,其空隙最容易被识别。随着密度增大,灰度值也随之增大,表现为颜色变白变亮[1],如图1最右侧所示。

对小梁试件3个方向进行断层扫描,扫描结果如图2所示。图3为图2对应断层位置的扫描图片。

2 空隙率的测定

对于沥青混凝土试件纵向空隙分布的研究,利用逆向工程软件对不同级配下的三维重构试件进行“电子切割”的方法,对沥青混凝土中的空隙进行三维重构[2],按此方法处理后的沥青混凝土三维重构示意图见图4。图5为3种试件的空隙纵向分布。

由图5可以看出,OGFC-16小梁试件的空隙率在纵向分布不均匀,与其他两种小梁试件表现出同样的规律:试件内部空隙率较小,越靠近外部,其空隙率越大。

通过对比可以看出,悬浮密实型混凝土对于压实度表现更为敏感,随压实度的增加,其空隙率逐渐减小；对于骨架密实型混凝土,当压实度达到一定程度时,再增加压实度的话,其空隙率大小变化较为不敏感。

3 小梁弯曲力学性能试验

小梁弯曲试验是对固定尺寸的小梁试件,在跨中位置集中荷载作用下,使试件变形直至弯曲破坏,此时试件的抗拉强度即为破坏时作用的最大荷载。沥青混凝土的弯拉应变可由破坏时试件的跨中挠度求得,试件的劲度模量即为破坏时弯拉强度和弯拉应变两者的比值。弯拉应变是评价沥青混凝土低温抗裂性能的重要指标[3],反映了其变形能力。在温度较低的条件下,假定沥青混凝土具有弹性材料的性质,沥青混凝土的破坏过程存在着能量的耗散。通常,混凝土中存储的弹性应变能量越大,其在低温下的抗裂性能就越佳。弯曲试验中弯拉强度与弯拉应变的比值称为弯曲劲度模量,一定程度上表征了沥青混凝土的粘弹性,弯曲劲度模量越小表明沥青混凝土粘弹性越好[4]。

表1 沥青混凝土级配组成

图1 灰度值范围示意图

图2 断层扫描位置示意图

图3 CT断层扫描对应图（标记部分为空隙）

图4 三维重构的沥青混凝土试件

图5 小梁试件空隙纵向分布示意图

国内外较常采用小梁弯曲试验来评价沥青混凝土材料的抗弯拉性能。试验根据《公路工程沥青及沥青混凝土试验规程》（JTG E20—2011）进行[5]。仪器采用MTS材料伺服试验机,试验温度为0℃,加载速率为5 mm/min。

AC沥青混凝土空隙率处于SMA和OGFC之间,因此,本文针对AC试件按最大公称粒径由小到大（4.75,9.5,13.2,16,19,26.5 mm）分别成型了6种小梁试件（1-1,1-2,1-3,1-4,1-5,1-6）,并进行弯曲试验,其结果见表2及图7～图9。

表2 小梁弯曲试验结果

通过表2及图7～图9可以得出:AC试件的弯曲劲度模量和弯拉强度随着最大公称粒径的增加而增加；试件的颗粒组成越细,其劲度模量和弯拉强度也越小,而弯拉挠度却随之增大。

图6 破坏荷载与最大公称粒径关系

图7 弯拉强度与最大公称粒径关系

图8 劲度模量与最大公称粒径关系

图9 破坏挠度与最大公称粒径关系

这主要是因为沥青混凝土在低温下位于集料颗粒间界面处薄弱点产生了细微裂纹,当这些细微裂纹在发育阶段遇到不存在沥青结合料填充的内部空隙时,微裂纹会沿空隙所在的破裂面迅速开展。由于内部空隙较少,在较密实的沥青混凝土中,此类微裂纹在发育初期受外力荷载的作用,需要消耗较大的能量来消除骨料与沥青界面处的粘结作用。所以较密实的沥青混凝土在抵抗外力作用时反映出其抗弯拉应力相应较大[5]。再者,如果裂缝发展路径的空隙较少,由于骨料颗粒基本上不存在变形能力,此时填充在骨料之间的沥青胶浆依靠界面粘结力和自身的粘性能够减缓微裂纹开展的速度,进一步反映出空隙率较小、集料颗粒级配组成偏细的沥青混凝土具有较好的抗变形能力[6]。

4 结语

（1）采用X-ray CT无损断层扫描技术,通过变化混凝土的级配类型,选取典型AC-16、SMA-16、OGFC-16级配类型,对沥青混凝土中空隙的三维分布特征进行了研究。

（2）对小梁试件空隙分布的离散程度进行探索,并计算了小梁试件沿纵向分布的空隙率特征。

（3）空隙分布介于SMA和OGFC之间的悬浮密实型沥青混凝土试件其弯曲劲度模量和弯拉强度随着最大公称粒径的增加而增加。同样,小梁试件的颗粒组成越细,其劲度模量和弯拉强度就越小,而弯拉挠度越大。

[1]李芬,李之达,龚军安,等.基于CT图像分维估算的沥青混凝土损伤演化研究[J].湘潭大学学报（自然科学版）,2006,28(2): 52-55.

[2]王振军,沙爱民,肖晶晶,等.基于CT技术的复合沥青混凝土内部空隙特征分析[J].上海交通大学学报,2011,45(5):667-671.

[3]朱洪洲,高爽,唐伯明.沥青混合料常应变小梁弯曲疲劳试验[J].土木工程与管理学报,2009,26(2):5-8.

[4]黄飞云,徐邱彬,高英.沥青混凝土小梁弯曲断裂的数值模拟[J].石油沥青,2009,23(1):51-54.

[5]中华人民共和国交通部.JTG E20—2011,公路工程沥青及沥青混合料试验规程[S].北京:人民交通出版社,2011.

[6]曾川川.沥青混合料小梁裂纹扩展的粘弹性分析 [D].武汉:华中科技大学,2013.

U416.2

A

1009-7716（2017）07-0251-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.077

2017-03-20

夏荣孚（1981-）,男,上海人,工程师,从事市政道路设计及研究工作。