沥青混合料损伤演化与粗集料性能及参数研究

袁维安

(1.广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530001；2.南宁市筑路技术与筑路材料工程技术研究中心，广西 南宁 530001)

0 引言

沥青混合料是现代化路桥工程和建筑工程项目中不可或缺的一种重要施工原材料，因此沥青混合料的性能与质量在很大程度上影响工程项目的施工质量和使用安全性。而沥青混合料的内部细观结构，则是影响材料性能和造成混合料结构内部产生细微裂纹及其他结构缺陷问题的重要原因。因此，只有有效遏制沥青混合料内部细观结构的损伤问题，才能更好地确保应用于工程项目施工的沥青混合料质量和性能可以达到建设方要求的标准水平，而这同样也是为有关建筑的使用安全提供更加可靠的保障。

1 粗集料接触参数与DIC试验的内容与意义

粗集料接触参数是一种由标准混合料试样测量而得到的，用于衡量粗集料颗粒内部结构复杂程度和不同条件下性能变化的一种标志性指标。这种参数主要反映的是粗集料内部细观结构对于混合料的力学性能与质量所造成的不同程度的影响效果。由于大多数应用于施工项目的混合料都是由一些颗粒粒径大小不同，但性能与材质相差不大的建筑原材料在一定温度和加工条件下混合而成的，因此一旦出现混合料在搅拌和配比的过程中存在搅拌不充分或者配比设计不科学的问题，就很容易导致混合料内部质量分布不均匀或者局部区域原材料粒径相差较大等问题，进而引起混合料颗粒内部的细观结构不可避免地出现成分偏析和细微裂纹等缺陷。而为了尽可能避免在实际施工过程中由于保存不当或者运输管理出现问题而引发的沥青混合料细观结构损伤与改性问题，通常施工现场的管理人员都会对每一批混合料进行试样采集和DIC实验，以此来达到进一步减少混合料内部结构损伤和控制其整体稳定性能的效果。

DIC试验是指根据试件表面不同时段下的散斑单元进行计算，从而获得试件微观组织的位移与应变的试验方法。在本次试验中主要是针对粗集料的骨架结构随着其颗粒内部细观损伤的演化程度，而随之产生的不同形态与性能变化的规律。充分掌握这种变化规律有助于人们更好地对混合料中粗集料性能失调和结构不稳定问题产生的主要影响因素进行分析和控制。另外，通过对粗集料主骨架结构特征参数的分析与确定，有关试验人员还能够有效地掌握骨架结构参数随着颗粒细观结构损伤而产生的不同程度，同时对于更好地理解宏观应力影响混合料稳定性能的主要方式及最终影响效果具有非常积极的促进作用。

可以通过试验和实际应用检测，进一步充分掌握在细观损伤演化的影响下，沥青混合料的粗集料中所发生的骨架结构变形临界条件及特征参数的变化值。研究混合料细观结构损伤的主要目的，是为了能够有效减少内部结构缺陷和应力分布不均匀现象，从而使混合料颗粒的各项性能参数与标准指标控制在工程项目要求的材料质量标准范围内。在此过程中，对于混合料颗粒标准性能指标的确定要充分参考颗粒堆积理论中对于颗粒性能的相关要求，这样才能有效掌握更加科学和规范的沥青混合料粗集料细观结构损伤演化的客观变化规律，以及粗集料接触参数在此过程中所产生的影响效果。

2 沥青混合料主骨架颗粒配位参数表征方法研究

主骨架颗粒、干扰颗粒和胶质材料等构成沥青混合料中除空位以外的其他全部组织结构，而主骨架颗粒则是决定沥青混合料整体性能稳定性的关键因素。沥青混合料中的主骨架颗粒在空间分布上具有很强的规律性，而随着各部分颗粒之间相互接触以及进行内部应力传递，使得沥青混合料内部的结构力整体趋于稳定和平衡，形成了一种以主骨架颗粒为中心，干扰颗粒和其他材料围绕其周围的密实结构。除此之外，主力链网络也是在沥青混合料主要框架结构中起到至关重要的影响作用的一种标志性组成结构。这种网络结构的形成主要是由于在混合料内部颗粒的接触过程中，在外部载荷的作用下接触平面发生了较为明显的结构与性能变化，而通常构成主力链网络结构的微观粒子主要为混合料中的干扰颗粒(详见图1)。在计算沥青混合料主骨架颗粒接触主力链配位参数的过程中，有关工作人员需要准确测量干扰颗粒和主骨架颗粒的体积比，并利用颗粒接触配位数关系进一步测得相应的特征参数与配位数。运用这种方式能够更好地确保利用特征参数和配位参数表征沥青混合料主骨架颗粒结构及状态变化的精确性和客观正确性。

图1 集料干扰颗粒主力链示意图

3 基于DIC试验的细观结构损伤演化分析方法

3.1 应变场变化及特征分析

沥青混合料的疲劳损伤现象大致可分为疲劳开始阶段、损伤阶段以及疲劳破坏阶段三部分，而混合料的疲劳性能在整个疲劳损伤的变化过程中都直接影响着变化的形态以及持续的时间，因此对混合料的疲劳性能研究才是DIC试验中的重点内容(详见图2)。为了确保在实验的过程中能够准确测得沥青混合料试样在重复加载条件下所表现出的疲劳损伤现象具有标志性和正确性的特点，需要试验人员合理控制加载的强度和速度，这样才能确保在不断的拉伸过程中，试样的形态变化以及应力场变化情况能够清晰地展现在实验者面前。而根据实验测得的沥青混合料应变场演化特征数据，还可以将损伤破坏的过程细分为损伤初始阶段，损伤发展的前、中、后期三个阶段以及损伤破坏阶段。在这五个阶段中，沥青混合料内部应力场变化所表现出的主要特征也存在着很大不同，并且在持续加载中所产生的载荷集中与应力集中问题，还会进一步演变为混合料内部部分组织颗粒的细观结构出现了杂乱分布的裂纹和损伤痕迹，并且在细观结构裂纹高度集中的部位还出现了由于混合料抗拉伸性能失效而发生的组织断裂问题。这些现象的产生都清晰地表明了由沥青混合料材料构成的建筑结构，在持续不断的疲劳荷载作用下会逐步发生应力集中和损伤集中问题，进而在缺乏有效管理的基础上演变为结构断裂的严重问题，直接影响到该结构的使用安全性与稳定性。

图2 试验用DIC系统示意图

3.2 疲劳损伤因子定量分析及统计研究

疲劳损伤因子的计算及定量分析过程，是研究人员确定实验目标所发生的疲劳损伤程度和具体引导因素的一个必要环节。为了能够对混合料中疲劳损伤因子进行精确的定量分析，有关研究人员需要科学地运用统计学方法进一步掌握应变量波动变化的规律和幅度范围，同时要以此环节实际测得的数据为基础绘制非均匀应变场的演化过程，这样才能够便于后期进行定量分析时对计算结果进行有效的比对与审核。通过疲劳损伤因子的演化特征变化过程来看，疲劳荷载对混合料局部微观结构造成的作用力效果会在试验材料发生疲劳断裂的阶段中出现突然性的大幅度提高，而这一过程在材料的宏观变化中则主要表现为材料性能的急剧下降和内应力在部分结构中出现高度集中的现象。另外需要注意的是，在计算疲劳损伤因子时需要充分利用均匀加载的条件下，运用从沥青混合料试样中测得的水平应变平均值与最大值数据对疲劳损伤因子进行计量，从而能够更加精准地掌握细观损伤演变的速度和发展趋势。详见图3。

图3 疲劳损伤因子演化特征示例曲线图

4 基于DIC的细观损伤演化特征分析

4.1 疲劳细观损伤演化特征

在沥青混合料颗粒细观结构的疲劳损伤演化过程中，想要更为精确地定量和评价演化机制，就必须紧紧抓住各个疲劳损伤演化阶段中的主要特征。同时，为了进一步减少人工实验操作以及计量过程中可能产生的数据误差问题，并且为了更好地消除非均匀性加载对疲劳损伤演化过程的不良影响，需要借助模型构建法深入分析颗粒细观结构的实际变化范围，并制定合理的修正系数以此达到对疲劳细观损伤数据的有效修正。在制定和处理DIC图像的过程中，应重点突出表现应力集中作用和发生疲劳损伤断裂的相应阶段中，微观损伤演化的主要特征及变化趋势。通过对疲劳细观损伤演化特征的深入分析可以发现，对应于疲劳损伤断裂阶段特征的宏观变化情况，主要表现在混合料各个颗粒之间接触更为紧密，同时在干扰颗粒的作用下基本形成了较为稳定的主力链网络密实结构。但是，由于这种密实结构在受到外部载荷施加压力时承担了大部分的载荷作用效果，因此会导致该部分结构的抗疲劳损伤性能显著下降，局部出现细观结构裂纹并不断地向着一个方向集中发展。另外，在长期的载荷作用下会破坏混合料内部结构的稳定性与均匀分布性，降低大部分颗粒之间由于嵌挤作用而形成的密实结构的密度与接触强度。

4.2 混合料宏观疲劳性能特征分析

沥青混合料宏观性能的变化对于由这种材料构成的建筑结构质量和安全性会产生直接性的重要影响，而为了更好地确定混合料宏观疲劳性能的情况，需要借助特征分析方法找到混合料宏观疲劳性能变化的主要特征和规律。由数据结果分析可知，混合料抗疲劳性能的主要变化形式是随着疲劳荷载施加的次数先增加后减少的。同时随着部分区域主力链网络结构的形成，进一步增加了颗粒间嵌合的稳定性与密实程度，这也为保障混合料结构不会过早地在外部荷载作用下发生疲劳断裂发挥了重要作用。疲劳损伤因子和疲劳荷载施加次数在颗粒的微观结构层面上对于细微裂纹的形成所产生的影响，同样也是不容忽视的。

5 结语

综上所述，粗集料接触参数对于混合料损伤演化的不同程度影响，是有关施工人员在控制沥青混合料颗粒细观结构的抗疲劳性能时需要重点关注的要点内容。有关人员应深入掌握颗粒堆积理论及其实际应用要求，并确保混合料颗粒抗疲劳性能研究在规范化和标准化的氛围下顺利开展。