(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院,廣東 廣州 510640)
級(jí)配離析是指粗、細(xì)集料在瀝青路面中的不均勻分布[1],可能發(fā)生在工廠生產(chǎn),卡車運(yùn)輸,和瀝青混合料的鋪設(shè)過程中。粗集料和細(xì)集料的局部集中區(qū)分別稱為粗集料離析和細(xì)集料離析。級(jí)配離析是影響瀝青路面耐久性的主要因素之一,粗集料離析和細(xì)集料離析都會(huì)使得路面不均勻并導(dǎo)致路面破壞,從而降低瀝青路面的使用性能和使用壽命[2-4]。針對(duì)級(jí)配離析問題,國(guó)內(nèi)外道路學(xué)者對(duì)級(jí)配離析的成因、判定與評(píng)價(jià)方法、對(duì)混合料性能及路用性能的影響等方面作出大量的研究[5-9]。但很少?gòu)募?xì)觀角度,分析不同級(jí)配離析對(duì)集料骨架結(jié)構(gòu)的受力特征與力學(xué)性能的影響。因此,本研究擬利用X-ray CT和PFC3D軟件對(duì)集料進(jìn)行斷層掃描并構(gòu)建三維混合料骨架模型,先從集料骨架內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力情況分析各檔集料對(duì)抵抗荷載的貢獻(xiàn),并分析出集料關(guān)鍵粒徑;再對(duì)比分析不同級(jí)配離析狀態(tài)與離析程度下,研究混合料骨架結(jié)構(gòu)的抵抗荷載性能及內(nèi)部應(yīng)力傳遞與擴(kuò)散能力。
借助工業(yè)X-ray CT設(shè)備,對(duì)挑選好的集料逐個(gè)進(jìn)行斷層圖像掃描,獲得120張等間距的二維斷層圖像(圖1為某張集料二維截面示意圖)。利用Matlab軟件讀取每層圖像,編制程序依據(jù)以下準(zhǔn)則提取集料輪廓點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù):如圖2所示,每個(gè)截面選取內(nèi)部一點(diǎn)為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系,原點(diǎn)為端點(diǎn)作一條射線,以x軸正向方向開始,逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)射線,每旋轉(zhuǎn)3°(即圖2中α角度值為3的倍數(shù))提取該射線與集料輪廓相交點(diǎn)的坐標(biāo),如此每個(gè)截面可提取120個(gè)輪廓點(diǎn),120個(gè)截面共提取14 400個(gè)集料輪廓點(diǎn)。
圖1 集料的二維截面掃描圖像Figure 1 Two-dimensional cross-sectional scanned image of aggregate
圖2 集料輪廓坐標(biāo)點(diǎn)提取示意圖Figure 2 Schematic diagram of aggregate contour coordinate points extraction
基于獲取的集料表面輪廓點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù),利用Matlab以及PFC3D軟件編寫程序,生成與實(shí)際集料形態(tài)特征完全一致的粗集料模型。
首先根據(jù)集料表面輪廓點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù),將其繪制成一個(gè)個(gè)三角形的網(wǎng)格圖,每個(gè)三角形網(wǎng)格的信息都被寫入一個(gè)STL模型文件中,所需信息包括三角形三個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)以及三角面遵從右手定則的法向向量。
然后通過STL模型文件利用PFC3D中Geometry import命令生成集料表面幾何模型,圖3(a)展示了某顆集料由PFC3D生成的集料表面幾何模型,集料的實(shí)際圖像如圖3(b)所示。對(duì)比兩圖可以發(fā)現(xiàn),集料的幾何模型與其實(shí)際形狀是基本一致的。接著利用Clump Template 命令用許多的球形顆粒對(duì)集料幾何模型進(jìn)行填充創(chuàng)建Clump模板,圖4展示了所生成的集料的Clump模板。最后通過命令調(diào)整Clump模板在x、y以及z方向上的旋轉(zhuǎn)角度以及對(duì)Clump模板的放大與縮小,生成不同形態(tài)與大小的集料模型。
(a)幾何模型 (b)實(shí)際掃描圖像
圖4 集料Clump模型Figure 4 Clump model of aggregate
在得到集料顆粒模型后,便可在PFC3D中構(gòu)建具有級(jí)配特征的集料骨架結(jié)構(gòu)。
Clump模板可以表征集料的形態(tài)學(xué)特征,如果有足夠多形態(tài)各異的Clump模板的話,就能夠生成由不同形狀集料所構(gòu)成的集料骨架的離散元模>型。因此,根據(jù)上述Clump模板的生成方法,建立由一定數(shù)量的Clump模板所構(gòu)成的模板庫(kù)。
從模板庫(kù)中隨機(jī)挑選Clump模板,采用逐檔逐個(gè)顆粒投放的方法來生成具有級(jí)配特征的集料骨架。如圖5(a)所示,在尺寸為250 mm×100 mm的圓柱體空間內(nèi),基于Clump模板庫(kù)和表1所示的SMA-16混合料級(jí)配生成所需的集料Clump群,得到了松散的的集料混合物;此外添加重力場(chǎng)使集料自重下落以及對(duì)整體施加振動(dòng)荷載,使集料顆粒接觸緊密以達(dá)到壓實(shí)效果,如圖5(b)、(c)所示;最后,在試件頂部生成一面施加荷載為10 kN的墻體,經(jīng)一定時(shí)間壓縮后使混合集料試件達(dá)到充分密實(shí)的狀態(tài),圖5(d)、(e)所示。
表1 SMA-16級(jí)配Table 1 Gradation of SMA-16不同篩孔尺寸(mm)的通過率/%16.013.29.54.752.3610093612519不同篩孔尺寸(mm)的通過率/%1.180.60.30.150.075171412108
(a)生成Clump群 (b)自重與振動(dòng)壓實(shí) (c)壓實(shí)完成 (d)墻體壓縮 (e)壓縮完成
根據(jù)GOPALAKRISHNAN等[10]的研究成果,基于PFC3D軟件的功能特點(diǎn),本研究中以集料骨架間隙率、集料間接觸點(diǎn)的數(shù)量、接觸點(diǎn)處的接觸力大小作為評(píng)價(jià)集料骨架結(jié)構(gòu)受力特性的指標(biāo)。各指標(biāo)的計(jì)算方法如下:
a.骨架間隙率。
在PFC3D中,混合集料試件模型內(nèi)各個(gè)集料的體積大小是可以采集得到的,因此,試件內(nèi)所有集料的總體積V可通過逐個(gè)采集集料體積再進(jìn)行累加得到。依據(jù)試件的體積VT,混合集料的骨架間隙率VV可以按照下式進(jìn)行計(jì)算:
(1)
b.集料間接觸點(diǎn)的數(shù)量與接觸力大小。
(2)
式中:Fk,j為第k檔集料上的第j個(gè)接觸點(diǎn).
此外,各檔集料對(duì)于集料骨架結(jié)構(gòu)抵抗壓縮荷載時(shí)的貢獻(xiàn)率大小,可根據(jù)式(3)進(jìn)行計(jì)算:
(3)
部分研究表明[11],在瀝青混合料內(nèi)部的集料骨架結(jié)構(gòu)一般是由粒徑大于2.36 mm的粗集料所構(gòu)成,因此,要分析集料骨架的受力特性,主要是分析粗集料的受力情況。在本研究中,參照文獻(xiàn)[12]的研究成果,采用粗集料逐檔投放并加載的虛擬試驗(yàn)來分析各檔粗集料在骨架結(jié)構(gòu)中的受力特性。集料的級(jí)配采用典型的SMA-16級(jí)配,如表1所示。在試驗(yàn)時(shí),各組集料骨架模型的總質(zhì)量均設(shè)置為3 kg,模型中的細(xì)觀接觸模型采用線性剛度模型,粗集料的彈性模量采用55 GPa,集料密度與摩擦系數(shù)分別采用2 700 kg/m3和0.35。
逐檔填充試驗(yàn)的主要步驟為:① 生成由墻體構(gòu)成的尺寸為150 mm×500 mm的圓柱形模型空間;② 在模型空間內(nèi)隨機(jī)生成3 kg粒徑為13.2~16 mm的粗集料,得到集料混合物A;同樣的,將粒徑為9.5~16 mm兩檔粗集料按表1所示級(jí)配的比例混和,得到集料混合物B;將粒徑為4.75~16 mm三擋粗集料按級(jí)配比例混和,得到集料混合物C;將粒徑為2.36~16 mm四擋粗集料按級(jí)配比例混和,得到集料混合物D;③ 通過上部墻體對(duì)混合物A、B、C和D均施加50 N的荷載。
按照上述方法得到的四組集料混合物模型如圖6所示。得到混合物模型后,按照2.1節(jié)中所述內(nèi)容,計(jì)算四組混合物的骨架間隙率、各檔集料中一個(gè)集料的平均接觸點(diǎn)數(shù)量和各檔集料對(duì)抵抗外力荷載的貢獻(xiàn)率,其結(jié)果如表2所示。
A B
C D
表2 集料混合物的內(nèi)部受力情況Table 2 Internal force of aggregate mixture混合物類型集料間隙率/%各檔集料中單個(gè)集料的平均接觸點(diǎn)數(shù)各檔集料對(duì)抵抗外力荷載的貢獻(xiàn)率/%16 mm13.2 mm9.5 mm4.75 mm16 mm13.2 mm9.5 mm4.75 mmA28.48.1———100———B26.19.56.5——54.245.8——C22.816.210.55.2—36.835.427.8—D16.727.818.410.67.228.727.623.120.6
由表2可知,混合物的骨架間隙率從A到D逐漸下降,這表明混合物中細(xì)集料的增多將會(huì)降低骨架間隙率,由下降的幅度可知,越細(xì)的集料對(duì)骨架間隙率的影響越大。觀察單個(gè)集料的平均接觸點(diǎn)數(shù)量可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)較細(xì)一檔集料混入后,前面較粗的各檔集料的接觸點(diǎn)數(shù)量較上一類混合物均有所增加。以混合物D為例,當(dāng)2.36~4.75 mm檔集料混入混合物C后,4.75~9.5 mm、9.5~13.2 mm和13.2~16 mm檔集料的接觸點(diǎn)數(shù)量相比于混合物C均有所增加。這說明,較細(xì)一檔集料的混入將導(dǎo)致較粗檔集料的接觸點(diǎn)數(shù)量出現(xiàn)不同程度的增加。與此同時(shí),觀察同一混合物不同檔集料的平均接觸點(diǎn)數(shù)量可以發(fā)現(xiàn),越粗的集料周圍接觸點(diǎn)數(shù)量越多。
當(dāng)各混合物均受50 N的外部壓縮荷載時(shí),由表2中各檔集料對(duì)抵抗荷載的貢獻(xiàn)率可以看出,在各組混合物中,較粗集料的貢獻(xiàn)率均要高于較細(xì)集料,較粗集料承受了更大的荷載作用。同時(shí),以D混合物為例,當(dāng)2.36~4.75 mm檔集料混入混合物C后,4.75~9.5 mm、9.5~13.2 mm和13.2~16 mm檔集料的貢獻(xiàn)率均較混合物C中的有所下降,這表明,當(dāng)集料受到壓縮荷載時(shí),較細(xì)集料的混入能夠起到一定程度的分擔(dān)荷載的作用,減少較粗集料所受的荷載。
在分析了粗集料在骨架結(jié)構(gòu)中的作用之后,本研究擬通過分析各檔集料的加入對(duì)集料總接觸點(diǎn)數(shù)量產(chǎn)生的影響來對(duì)集料的關(guān)鍵粒徑進(jìn)行分析。根據(jù)表1所示級(jí)配,采用逐檔填充的方法,獲得從1#到9#共9類集料骨架,分別統(tǒng)計(jì)得到9類集料骨架的總接觸點(diǎn)數(shù)量,有研究表明,當(dāng)混入集料粒徑小于1.18 mm時(shí),集料接觸點(diǎn)數(shù)量幾乎沒有發(fā)生任何變化。因此,僅將前5類骨架接觸點(diǎn)數(shù)量數(shù)據(jù),并繪制折線圖,如圖7所示。由圖7可知,隨著較細(xì)集料的逐漸混入,集料骨架中接觸點(diǎn)的數(shù)量顯著地提高,其中,尤其當(dāng)4.75~9.5 mm檔集料混入上一類骨架時(shí),集料中接觸點(diǎn)的數(shù)量增長(zhǎng)幅度最大,多達(dá)上一類骨架接觸點(diǎn)總數(shù)的兩倍左右,并且這一增長(zhǎng)幅度大約是第5組骨架接觸點(diǎn)總數(shù)的一半左右。因此,從這個(gè)角度來說,可以認(rèn)為4.75~9.5 mm檔集料是構(gòu)成該級(jí)配集料骨架的關(guān)鍵粒徑。
圖7 各類集料骨架的接觸點(diǎn)數(shù)量Figure 7 Number of contact points for various aggregate skeletons
骨架是物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的核心組成部分,主要承擔(dān)著抵抗、傳遞與擴(kuò)散外部荷載的作用。對(duì)于瀝青混合料來說,其骨架即由占混合料質(zhì)量90%以上的集料相互接觸所構(gòu)成,而級(jí)配的差異會(huì)造成混合料內(nèi)部骨架的不同,從而影響其抵抗荷載與應(yīng)力傳遞等性能[11]。因此,要深入了解級(jí)配對(duì)混合料內(nèi)部骨架細(xì)觀性能的影響,研究骨架對(duì)外部荷載的響應(yīng)包括應(yīng)力抵抗、傳遞與擴(kuò)散等是一個(gè)切實(shí)而有效的途徑。
由上節(jié)分析可知,瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)主要是由2.36 mm以上粒徑的集料所構(gòu)成。因此,為探究不同骨架結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的差異,在本研究中共設(shè)計(jì)了7種級(jí)配,如表3所示。其中,從HF到HC,較粗集料逐漸增多,較細(xì)集料逐漸減少。其中,D型骨架為標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配骨架, HF、MF和LF型骨架為細(xì)集料離析骨架,離析程度HF>MF>LF,HC、MC和LC型骨架為粗集料離析骨架,離析程度HC>MC>LC。為研究骨架抵結(jié)構(gòu)抵抗荷載的性能,按照前述方法成型尺寸為100 mm×100 mm的圓柱形離散元試件,為研究荷載傳遞和擴(kuò)散性能,按相同的方法成型長(zhǎng)為300 mm,寬為40 mm,高分別為50、70和90 mm的棱柱形離散元試件。
表3 各骨架結(jié)構(gòu)的級(jí)配組成Table 3 Gradation composition of skeleton structures篩孔通過質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%篩孔尺寸/mm26.5191613.29.54.752.36HF1001009784735136MF100968876664630LF100948472604027D100928167553523LC100917664483020MC100887458442416HC100836650371911
在PFC3D軟件中,平行粘結(jié)模型能很好地模擬實(shí)際集料間膠漿的作用,瀝青混合料骨架結(jié)構(gòu)也具有一定的粘結(jié)特性,因此采用平行粘結(jié)模型來模擬集料之間的相互作用。對(duì)于模型微觀參數(shù),參考文獻(xiàn)[13]中的方法,通過將混合料虛擬壓縮試驗(yàn)和實(shí)際室內(nèi)壓縮試驗(yàn)的結(jié)果做比較分析,最終得到了細(xì)觀接觸參數(shù),如表4所示。
如圖8所示,在按上節(jié)所述方法得到各級(jí)配類型的試件后,賦予上部墻體以2 mm/min的恒定速度向下進(jìn)行加載,直到試件被壓壞,在此過程中,記錄上部墻體所受應(yīng)力與試件的軸向應(yīng)變,結(jié)果如圖9所示。計(jì)算7組骨架結(jié)構(gòu)的抗壓強(qiáng)度比(各骨架抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)骨架抗壓強(qiáng)度的比值),結(jié)果如圖10所示。
表4 骨架模型接觸微觀參數(shù)Table 4 Contact microscopic parameters of skeleton model圓盤顆粒墻其他密度ρ/(kg·m-3)法向與切向平行粘結(jié)剛度pb_kn/(N·m-1)法向與切向剛度Ks /(N·m-1)摩擦系數(shù)μ平行粘結(jié)半徑r法向與切向剛度Kwn/(N·m-1)摩擦系數(shù)μw局部阻尼D2 6001.1×1055.2×1080.50.52.3×10800.7
圖8 試件加載圖Figure 8 Specimen loading diagram
圖9 混合料骨架應(yīng)力應(yīng)變曲線Figure 9 Stress-strain curve of mixture skeleton
圖10 混合料骨架抗壓強(qiáng)度比Figure 10 Compressive strength ratio of mixture skeleton
由圖9及圖10可知,隨著級(jí)配由粗到細(xì),混合料的抗壓強(qiáng)度逐漸上升。觀察細(xì)集料離析骨架發(fā)現(xiàn),隨著離析程度的加劇集料骨架的抗壓強(qiáng)度有一定程度的增加,增加幅度大致為5%~14%;觀察粗集料離析骨架發(fā)現(xiàn),隨著離析程度的加劇集料骨架的抗壓強(qiáng)度顯著地降低,在發(fā)生嚴(yán)重粗集料離析時(shí),集料骨架的抗壓強(qiáng)度大致為標(biāo)準(zhǔn)骨架的75%,即使是在發(fā)生輕度粗集料離析時(shí),集料骨架的抗壓強(qiáng)度也僅僅是標(biāo)準(zhǔn)骨架的90%。由此可知,骨架結(jié)構(gòu)中細(xì)集料的增多有助于提高骨架的抗壓強(qiáng)度,而當(dāng)骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生粗集料離析時(shí),抗壓強(qiáng)度將隨著離析程度的加劇而顯著地降低,從而更容易產(chǎn)生受壓破壞。
圖12反映了級(jí)配差異以及試件厚度對(duì)骨架結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力傳遞性能的影響,可得到下列結(jié)論:
a.隨著骨架級(jí)配由粗到細(xì),骨架豎向應(yīng)力傳遞性能逐漸降低。并且,觀察粗集料離析骨架發(fā)現(xiàn),隨著離析程度的加劇,骨架豎向應(yīng)力傳遞性能顯著地提高,且增長(zhǎng)幅度越來越大;觀察細(xì)集料離析骨架發(fā)現(xiàn),隨著離析程度的加劇,骨架豎向應(yīng)力傳遞性能有所降低,但各骨架之間差距不大。這說明,相比于細(xì)集料離析,粗集料離析對(duì)骨架結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力傳遞性能的影響要更大。
b.隨著試件高度的增大,應(yīng)力豎向傳遞的距離延長(zhǎng),骨架的豎向應(yīng)力傳遞性能逐漸減弱。
限于篇幅,圖13僅展示了HC、D、HF3種級(jí)配類型的尺寸為30 cm×6 cm的骨架結(jié)構(gòu)模型按3.3中所述方式加載后的內(nèi)部接觸力及接觸點(diǎn)分布情況剖面圖。觀察圖中接觸點(diǎn)與應(yīng)力鏈的分布可知,HC型骨架結(jié)構(gòu)能夠較為均勻地將上部荷載通過骨架進(jìn)行擴(kuò)散,直至底部墻體,而D型及HF型骨架結(jié)構(gòu)的上部荷載更多地在骨架中部進(jìn)行擴(kuò)散,而后主要作用于底部墻體的中間部位。
圖11 骨架應(yīng)力傳遞加載圖Figure 11 Loading diagram of skeleton stress transfer
(a)30 cm×4 cm
(b)30 cm×6 cm (c)30 cm×8 cm
Figure 12 Vertical stress transfer performance of mixture skeleton
為進(jìn)一步分析不同級(jí)配類型的骨架結(jié)構(gòu)的橫向應(yīng)力擴(kuò)散性能,加載完后,分別統(tǒng)計(jì)模型底部墻體中部1/3墻體長(zhǎng)度范圍內(nèi)墻體段及底部整段墻體所受應(yīng)力的大小,計(jì)算二者比值λ,結(jié)果如圖14所示。
(a) HC
(b) D
(c) HF
Figure 13 Cross-sectional view of internal contact force and contact point distribution of skeleton structure
觀察圖14可知,粗集料離析骨架結(jié)構(gòu)的λ值均低于標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配骨架,但λ值與離析的程度并無明顯的相關(guān)性;細(xì)集料離析骨架結(jié)構(gòu)的λ值均高于標(biāo)準(zhǔn)級(jí)配骨架,且隨著細(xì)集料離析程度的加劇,λ值也逐漸增大。這進(jìn)一步說明粗集料離析骨架能更均勻地讓應(yīng)力在骨架內(nèi)擴(kuò)散,直至底部墻體,橫向應(yīng)力擴(kuò)散性能較好,且應(yīng)力擴(kuò)散性能與離析程度沒有明顯的相關(guān)性;而細(xì)集料離析骨架結(jié)構(gòu)在應(yīng)力擴(kuò)散的過程中更容易發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,橫向應(yīng)力擴(kuò)散性能較差,且隨著細(xì)集料離析程度加劇,橫向應(yīng)力擴(kuò)散性能越來越差。由上述分析可知,正因?yàn)榧?xì)集料離析骨架具有更差的豎向應(yīng)力傳遞及橫向應(yīng)力擴(kuò)散性能,因而其更容易在荷載范圍以下的局部區(qū)域產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而更易產(chǎn)生永久變形而形成車轍。同時(shí),由圖14也可看出,骨架橫向應(yīng)力擴(kuò)散性能與試件高度并無明顯的相關(guān)性。
圖14 不同級(jí)配離析狀態(tài)下混合料骨架λ值Figure 14 λ value of mixture skeleton under different gradation separation conditions
本研究基于X-ray CT技術(shù)和離散元法,建立了集料混合物離散元模型,對(duì)不同級(jí)配離析下瀝青混合料骨架的力學(xué)性能進(jìn)行研究,主要得出以下結(jié)論:
a.提出了利用X-ray CT斷層圖像掃描技術(shù)構(gòu)建更接近于真實(shí)形態(tài)的集料顆粒模型的方法。
b.混合料受到外力荷載時(shí),骨架結(jié)構(gòu)中較粗集料承受了主要的荷載作用,較細(xì)集料的增多會(huì)降低集料間隙率,并使集料間接觸點(diǎn)數(shù)量增增加,同時(shí)較細(xì)集料能起到一定程度的分擔(dān)荷載的作用,減少較粗集料所受的荷載。
c.以典型的SMA-16級(jí)配為例,從集料骨架接觸點(diǎn)數(shù)量分析得出,4.75~9.5 mm檔集料是構(gòu)成集料骨架的關(guān)鍵粒徑。
d.混合料骨架結(jié)構(gòu)中細(xì)集料的增多有助于提高骨架的抗壓強(qiáng)度,而當(dāng)骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生粗集料離析時(shí),抗壓強(qiáng)度將隨著離析程度的加劇而顯著地降低,從而更容易產(chǎn)生受壓破壞。
e.隨著骨架級(jí)配由粗到細(xì),骨架豎向應(yīng)力傳遞性能逐漸降低,且粗集料離析比細(xì)集料離析對(duì)骨架結(jié)構(gòu)豎向應(yīng)力傳遞性能的影響要更大,同時(shí)試件高度的增大會(huì)使骨架的豎向應(yīng)力傳遞性能減弱。
f.粗集料離析骨架結(jié)構(gòu)的橫向應(yīng)力擴(kuò)散性能較好,且應(yīng)力擴(kuò)散性能與離析程度沒有明顯的相關(guān)性;而細(xì)集料離析骨架結(jié)構(gòu)的橫向應(yīng)力擴(kuò)散性能較差,且隨著細(xì)集料離析程度加劇,橫向應(yīng)力擴(kuò)散性能越來越差。此外,骨架橫向應(yīng)力擴(kuò)散性能與試件高度并無明顯的相關(guān)性。