馮 蕾,陳 征,王 嵐,羅 鑫
(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,呼和浩特 010051)
近年來(lái),膠粉改性瀝青混合料以其優(yōu)越的高低溫性能得到推廣,但本身存在高耗能和高排放等問(wèn)題,由此國(guó)內(nèi)外專家提出了環(huán)保效益較好的溫拌技術(shù)[1-3],溫拌技術(shù)的應(yīng)用不僅可以有效解決這一問(wèn)題,還可以提高膠粉改性瀝青混合料的抗開(kāi)裂、抗水損等性能。但由于我國(guó)氣候條件復(fù)雜多變,對(duì)于路面材料的研究需要考慮到特殊環(huán)境的影響。北方冬季瀝青路面易因冰雪天氣而結(jié)冰,常采用融雪鹽融雪除冰,尤其是在內(nèi)蒙古大溫差地區(qū)易發(fā)生凍融交替作用[4],并使路面長(zhǎng)期處于鹽侵蝕狀態(tài)。Yi等[5]通過(guò)黏彈塑性模型分析了瀝青混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后的損傷特性,發(fā)現(xiàn)凍融循環(huán)作用會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料彈塑性能下降,進(jìn)而發(fā)生損傷破壞。羅蓉等[6]通過(guò)水汽擴(kuò)散試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)因凍融循環(huán)作用而發(fā)生改變。Zhang等[7]通過(guò)室內(nèi)三點(diǎn)彎曲試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加,環(huán)氧瀝青混凝土斷裂能和應(yīng)變斷裂韌度先減小后增大。Feng等[8]發(fā)現(xiàn)除冰鹽侵蝕作用會(huì)加速瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的破壞進(jìn)程。目前對(duì)凍融循環(huán)和鹽侵蝕共同作用下的瀝青混合料研究相對(duì)較少,而數(shù)字圖像(DIC)技術(shù)具有非接觸、全場(chǎng)測(cè)量、測(cè)量精度高等優(yōu)勢(shì),為研究瀝青混合料的抗損傷開(kāi)裂特性提供了新的手段[9-10]。Jiang等[11]基于DIC技術(shù)研究了瀝青混合料小梁試件的開(kāi)裂特性,發(fā)現(xiàn)研究瀝青混合料的開(kāi)裂特性采用整體拉伸應(yīng)變是不準(zhǔn)確的。Safavizadeh等[12]利用DIC技術(shù),通過(guò)觀察瀝青混合料的裂縫發(fā)展過(guò)程中的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng),分析了雙層玻璃纖維格柵加筋瀝青混凝土在疲勞加載過(guò)程中的開(kāi)裂特性,為研究瀝青混合料的抗損傷開(kāi)裂性能提供了新的思路。在鹽侵蝕及行車荷載的雙重作用下,瀝青路面材料的強(qiáng)度會(huì)逐漸衰減,最終造成路面開(kāi)裂破壞,因此研究溫拌瀝青混合料在鹽凍融循環(huán)條件下的抗損傷開(kāi)裂特性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
綜上所述,針對(duì)內(nèi)蒙古地區(qū)氣候特點(diǎn),以溫拌膠粉改性瀝青混合料(warm rubber powder modified asphalt mixture, CR-WMA)為研究對(duì)象,并選用熱拌膠粉改性瀝青混合料(hot rubber powder modified asphalt mixture, CR-HMA)進(jìn)行對(duì)比分析,采用DIC技術(shù)研究?jī)鋈谘h(huán)作用下除冰鹽侵蝕對(duì)溫拌膠粉改性瀝青混合料抗損傷開(kāi)裂特性的影響,以期為溫拌膠粉改性瀝青混合料在寒冷地區(qū)的應(yīng)用提供參考。
試驗(yàn)采用粒徑60目(0.42 mm)的橡膠粉(CR),由山東交科院自主研發(fā)的SDYK型表面活性劑作為溫拌劑。溫拌膠粉改性瀝青混合料(CR-WMA)是在盤(pán)錦90#基質(zhì)瀝青中摻入20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)的60目CR顆粒和0.6%的SDYK型表面活性劑加工制成,其拌和溫度為160 ℃。SDYK型表面活性劑和膠粉改性瀝青技術(shù)指標(biāo)分別見(jiàn)表1、表2。
表1 SDYK技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technological index of SDYK
表2 溫拌膠粉改性瀝青混合料的技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical index of CR-WMA
選用的粗細(xì)集料均為玄武巖,礦粉為石灰?guī)r(細(xì)度≤0.075),采用AC-16級(jí)配,CR-WMA和CR-HMA配合比設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。
表3 CR-WMA和CR-HMA的配合比設(shè)計(jì)結(jié)果Table 3 Mix design results of CR-WMA and CR-HMA
采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀分別成型CR-WMA和CR-HMA瀝青混合料圓柱體試件,為消除試件兩頭壓實(shí)不均勻產(chǎn)生的較大離散性,將試件兩頭去掉,剩余部分切割成半圓試件,其尺寸為直徑D=100 mm、厚度B=40 mm。預(yù)切口位于試件底部中心,切口深度為5 mm,切口寬度為0.5 mm。將半圓試件表面用啞光漆制成均勻的散斑,以提高試件表面的灰度識(shí)別度,提高DIC技術(shù)采集圖像的精度。
DIC作為一種全新的非接觸式全場(chǎng)位移、應(yīng)變測(cè)量方法,其基本原理為:利用CCD高速相機(jī)采集的物體變形前后的數(shù)字圖像點(diǎn)(如P(x0,y0)和P′(x′0,y′0))來(lái)獲取變形信息,進(jìn)行相關(guān)性識(shí)別匹配,進(jìn)而得到相應(yīng)的位移應(yīng)變信息,如圖1所示,其中U為水平方向位移,V為豎直方向位移。
圖1 變形前后計(jì)算區(qū)域變形示意圖Fig.1 Deformation diagram of calculated region before and after deformation
(1)
式中:f(x,y)為P點(diǎn)灰度值;g(x′0,y′0)為P′點(diǎn)灰度值;M為變形場(chǎng)內(nèi)各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo);fm、gm分別為參考圖像與變形圖像中窗口區(qū)域灰度值。
鹽凍試驗(yàn)方法:將成型的CR-WMA和CR-HMA半圓試件分別放入除冰鹽溶液濃度為0%、4%、8%、12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))溶液中進(jìn)行真空飽水,其次將試件放到注入清水和相應(yīng)鹽溶液的試驗(yàn)盒中,使其沒(méi)過(guò)試件,最后放入高低溫交變箱中,其冰凍溫度為-20 ℃,時(shí)間為8 h,融化溫度為60 ℃,時(shí)間為16 h,并以此為一次凍融循環(huán)[13]。凍融循環(huán)次數(shù)為5次、10次、15次、20次,除冰鹽主要成分為NaCl。
本研究采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行半圓試件三點(diǎn)彎曲重復(fù)加載試驗(yàn),支撐距離2D=80 mm,加載波形為正弦波,加載頻率為10 Hz,試驗(yàn)溫度為20 ℃,加載模式為應(yīng)力控制模式[14-15]。當(dāng)瀝青混合料試件徹底斷裂時(shí),該試驗(yàn)終止。在加載過(guò)程中同時(shí)采用DIC技術(shù)同步觀測(cè),圖像采集頻率為0.5 Hz,利用Vic計(jì)算軟件將采集完成后圖像進(jìn)行數(shù)字化處理,從而得到半圓試件在受力過(guò)程中的位移和應(yīng)變。
圖2為重復(fù)荷載作用下的CR-WMA和CR-HMA預(yù)切口半圓試件開(kāi)裂附近區(qū)域處的水平應(yīng)變?cè)茍D。由圖2可知CR-WMA和CR-HMA半圓試件的水平應(yīng)變場(chǎng)變化特征基本一致,在重復(fù)荷載作用初期,半圓試件開(kāi)裂附近區(qū)域的水平應(yīng)變值較小,在預(yù)切口處產(chǎn)生水平應(yīng)變較大的深色區(qū)域,這是因?yàn)闉r青混合料試件切口薄弱處和試件內(nèi)部缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致。在荷載作用下,瀝青混合料首先會(huì)在內(nèi)部微裂縫尖端等薄弱處產(chǎn)生應(yīng)力集中,說(shuō)明此時(shí)試件內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫,將其稱為微裂縫形成階段。隨著重復(fù)荷載作用次數(shù)增多,半圓試件開(kāi)裂附近區(qū)域水平應(yīng)變值增大,水平應(yīng)變值較大區(qū)域擴(kuò)大并向上移動(dòng),由裂縫尖端向周圍呈輻射狀減小,并形成呈帶狀樣式的開(kāi)裂過(guò)程區(qū),說(shuō)明試件產(chǎn)生裂縫并不斷發(fā)展,將其稱為微裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段。這是因?yàn)樵嚰惺軕?yīng)力達(dá)到極限后迅速破壞,之后釋放應(yīng)力,并在下一個(gè)缺陷或薄弱處形成應(yīng)力集中區(qū)域,如此循環(huán)交替所致。在重復(fù)荷載作用后期,水平應(yīng)變值較大區(qū)域繼續(xù)擴(kuò)大上移,但試件開(kāi)裂附近區(qū)域水平應(yīng)變值下降,這是由于裂縫不斷擴(kuò)展,最終導(dǎo)致試件開(kāi)裂破壞并失去荷載能力,此階段稱為宏觀裂縫失穩(wěn)擴(kuò)展階段。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),試件在受重復(fù)荷載作用的過(guò)程中,水平應(yīng)變值較大區(qū)域的移動(dòng)軌跡始終伴隨著主裂縫的發(fā)展方向。綜上所述,水平應(yīng)變值較大的區(qū)域與試件裂縫的發(fā)展密切相關(guān)。
圖2 CR-WMA和CR-HMA開(kāi)裂附近區(qū)域水平應(yīng)變特征云圖Fig.2 Horizontal strain characteristic cloud images of CR-WMA and CR-HMA near crack
在長(zhǎng)35 mm、寬40 mm的計(jì)算區(qū)域內(nèi)(2.1節(jié)散斑水平應(yīng)變?cè)茍D),每隔0.5 mm取一個(gè)計(jì)算點(diǎn),應(yīng)變場(chǎng)表面共約5 600個(gè)計(jì)算點(diǎn)。根據(jù)2.1節(jié)所述,水平應(yīng)變數(shù)值較大的點(diǎn)能夠在一定程度上反映瀝青混合料的損傷開(kāi)裂過(guò)程,因此本文選擇計(jì)算區(qū)域內(nèi)最大前5%、前10%、前15%、前50%應(yīng)變點(diǎn)均值來(lái)預(yù)說(shuō)明試件在重復(fù)荷載作用下的損傷開(kāi)裂過(guò)程。以CR-WMA為例,CR-HMA呈現(xiàn)相似的應(yīng)變點(diǎn)均值隨荷載作用次數(shù)變化的規(guī)律,圖3為未經(jīng)鹽凍循環(huán)的CR-WMA半圓試件前5%、前10%、前15%、前50%最大應(yīng)變點(diǎn)均值隨重復(fù)荷載作用次數(shù)的變化曲線。由圖3可知,在重復(fù)加載過(guò)程中,前5%、前10%、前15%應(yīng)變點(diǎn)均值隨重復(fù)荷載作用次數(shù)的演化規(guī)律基本一致,可分為三個(gè)階段:第一階段為微裂縫形成階段,水平應(yīng)變(EXX)增長(zhǎng)緩慢,持續(xù)時(shí)間比較短;第二個(gè)階段為微裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段,EXX增長(zhǎng)快速直至峰值,持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng);第三階段為宏觀裂縫產(chǎn)生階段,EXX在峰值后急劇下降。而前50%應(yīng)變點(diǎn)均值的曲線變化平緩,特征不明顯,無(wú)法反映出瀝青混合料損傷開(kāi)裂的三個(gè)階段。為了能夠更為準(zhǔn)確地來(lái)描述瀝青混合料的損傷開(kāi)裂,盡可能選擇應(yīng)變數(shù)值較大且數(shù)量較多的點(diǎn),因此本文選擇最大前10%的應(yīng)變點(diǎn),以便用于后續(xù)研究。
圖3 CR-WMA半圓試件前5%、前10%、前15%、前50%最大應(yīng)變點(diǎn)均值隨重復(fù)荷載作用次數(shù)的變化曲線Fig.3 Variation curves of mean value of the maximumstrain point of the first 5%, first 10%, first 15%,and first 50% of CR-WMA semicircular specimenswith the number of repeated load actions
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),隨荷載循環(huán)次數(shù)的增加,試件研究區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變均值逐漸增大,這表明在三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)狀態(tài)下,隨荷載重復(fù)次數(shù)增加,瀝青混合料產(chǎn)生損傷累積效應(yīng),最終開(kāi)裂。圖4為未經(jīng)鹽凍循環(huán)的CR-WMA隨重復(fù)荷載作用次數(shù)的損傷變化曲線。由于微裂縫形成階段和微裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段是抵抗荷載的主要階段,因此利用最大前10%的應(yīng)變點(diǎn)來(lái)定義損傷因子D,通過(guò)計(jì)算一、二階段下的損傷累積密度DE(Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)面積之和),定量分析重復(fù)荷載作用下,CR-WMA和CR-HMA半圓試件在不同鹽溶液濃度中的性能表現(xiàn)。損傷累積密度DE值越大,說(shuō)明混合料抗損傷開(kāi)裂能力越強(qiáng),損傷累積密度DE計(jì)算公式如下:
(2)
(3)
(4)
圖4 未經(jīng)鹽凍融循環(huán)的CR-WMA隨重復(fù)荷載作用次數(shù)的損傷變化曲線Fig.4 Damage changing curves of CR-WMA withoutsalt water freeze-thaw with the numberof repeated loads
圖5為不同鹽凍融循環(huán)條件下CR-WMA和CR-HMA的損傷累積密度DE值,其中以0%-5為例,代表經(jīng)鹽濃度0%、凍融循環(huán)5次后的CR-WMA和CR-HMA試樣。由圖5可知,在相同凍融次數(shù)下,水凍融循環(huán)的損傷累積密度DE值均大于鹽凍融循環(huán),說(shuō)明兩種瀝青混合料的抗損傷開(kāi)裂能力在水凍循環(huán)條件下較優(yōu)。這是由于在鹽凍融循環(huán)中,除了水在低溫結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的膨脹力會(huì)對(duì)瀝青混合料造成開(kāi)裂以外,還有除冰鹽因結(jié)晶而產(chǎn)生的膨脹力和鹽的侵蝕作用,使瀝青混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)原有的缺陷增大甚至新增缺陷,從而使水凍融循環(huán)的損傷累積密度DE值較大。在相同凍融循環(huán)次數(shù)下,隨著鹽溶液濃度由0%升到8%,CR-WMA和CR-HMA的損傷累積密度DE值逐漸減小,說(shuō)明兩種瀝青混合料的抗損傷開(kāi)裂性能和抗鹽侵蝕性能下降;當(dāng)鹽濃度由8%升到12%,CR-WMA和CR-HMA的損傷累積密度DE值增大,說(shuō)明兩種瀝青混合料的抗損傷開(kāi)裂性能和抗鹽侵蝕性能提高。這主要是因?yàn)辂}凍融作用對(duì)瀝青混合料的破壞是鹽溶液的結(jié)冰膨脹引起的[16]。對(duì)于濃度為4%和8%的鹽溶液,鹽濃度對(duì)水結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的膨脹作用影響較小,而鹽分結(jié)晶所產(chǎn)生的膨脹作用和鹽溶液侵蝕作用隨著鹽濃度的增加而增強(qiáng),進(jìn)而導(dǎo)致鹽凍融作用對(duì)瀝青混合料的破壞力隨著鹽濃度的增加而增強(qiáng)。在較高鹽濃度12%的鹽凍融循環(huán)中,鹽溶液濃度對(duì)冰點(diǎn)影響程度較鹽分結(jié)晶膨脹和鹽溶液侵蝕作用大,使溶液結(jié)冰所需溫度降低,延緩了凍融破壞的速度,相當(dāng)于減弱了水結(jié)冰膨脹作用[17],綜合作用結(jié)果最終導(dǎo)致?lián)p傷累積密度DE值增大。
圖5 不同鹽凍融循環(huán)條件下CR-WMA和CR-HMA的損傷累積密度DE值Fig.5 DE value of cumulative damage density of CR-WMA and CR-HMA under different salt freeze-thaw cycles
與CR-HMA相比,CR-WMA的損傷累積密度DE值較大,說(shuō)明CR-WMA抗損傷開(kāi)裂能力和抗鹽侵蝕能力優(yōu)于CR-HMA。鹽溶液的侵蝕作用主要體現(xiàn)在Na+和Cl-有著更強(qiáng)的吸附能力,高于瀝青對(duì)集料的吸附作用,且Cl-還會(huì)向?yàn)r青與集料的界面處擴(kuò)散,導(dǎo)致瀝青的脫落,綜合作用下使瀝青混合料抗損傷開(kāi)裂性能下降,但由于SDYK型表面活性劑的添加,SDYK的親水基作用在集料表面,親油基作用在瀝青表面,能夠降低集料的表面能,減小液體瀝青與固體集料之間的接觸角,同時(shí)在拌和攪拌的作用下,一部分由親水基聯(lián)結(jié)的微小水分子會(huì)分散在瀝青膠結(jié)料內(nèi)部,在瀝青混合料拌和過(guò)程中起潤(rùn)濕作用,降低瀝青表面的張力,從而提高瀝青對(duì)集料裹附的能力,形成更為緊密的整體結(jié)構(gòu)。此外SDYK型表面活性劑會(huì)降低CR-WMA的拌和溫度,通過(guò)對(duì)固液界面張力的改變,可在固體表面形成一定結(jié)構(gòu)的吸附層,提高瀝青在相對(duì)較低溫度條件下對(duì)集料的裹覆能力[18-19],并且由于拌和溫度的下降,還降低了老化對(duì)瀝青粘附力的影響,所以CR-WMA的抗損傷開(kāi)裂能力和抗鹽侵蝕能力高于CR-HMA。
由于瀝青混合料存在蠕變應(yīng)變能(DCSE),當(dāng)瀝青混合料的損傷值超過(guò)DCSE時(shí),將形成宏觀裂縫,DCSE被視為微裂縫向宏觀裂縫轉(zhuǎn)化的起始點(diǎn)[20],因此采用DCSE研究重復(fù)荷載作用下瀝青混合料的抗損傷開(kāi)裂特性,圖6為DCSE計(jì)算示意圖,其中Mr為回彈模量,以Mr為斜率,過(guò)峰值應(yīng)力點(diǎn)做一條線段,與坐標(biāo)軸交于一點(diǎn),記為ε0。
圖6 DSCE計(jì)算示意圖Fig.6 Schematic diagram of DSCE calculation
蠕變耗散能密度DCSE計(jì)算公式如下:
(5)
(6)
DCSE=FE-EE
(7)
式中:E*為動(dòng)態(tài)模量;σf為試件底部中心應(yīng)力峰值;εf為試件底部中心應(yīng)力峰值所對(duì)應(yīng)的應(yīng)變;FE為斷裂能密度;EE彈性應(yīng)變能。
以CR-WMA和CR-HMA在10次凍融循環(huán)條件下的DCSE值為例,5次、15次、20次凍融循環(huán)條件下CR-WMA和CR-HMA的DCSE值均呈現(xiàn)相似規(guī)律,圖7為10次凍融循環(huán)下CR-WMA和CR-HMA的DCSE值及DCSE值衰減率。由圖7(a)可知,在相同的凍融循環(huán)次數(shù),隨著鹽溶液濃度由0%升至8%,CR-WMA和CR-HMA的DCSE值逐漸下降,說(shuō)明CR-WMA和CR-HMA的抗損傷開(kāi)裂性能和抗鹽侵蝕性能逐漸下降;隨著鹽溶液濃度由8%升至12%,CR-WMA和CR-HMA的DCSE值增大,說(shuō)明CR-WMA和CR-HMA抗損傷開(kāi)裂性能和抗鹽侵蝕性能提高。由圖7可知,相同條件下,與CR-HMA相比,CR-WMA的DCSE值均較大,并且CR-WMA的DCSE值衰減率均小于CR-HMA的DCSE值衰減率,綜合說(shuō)明CR-WMA的抗損傷開(kāi)裂性能和抗鹽侵蝕性能要高于CR-HMA。
圖7 10次凍融循環(huán)下CR-WMA和CR-HMA的DCSE值及DCSE值衰減率Fig.7 DCSE value and DCSE value attenuation rate of CR-WMA and CR-HMA under 10 freeze-thaw cycles
基于兩種試驗(yàn)得到的結(jié)論,對(duì)其指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析。為保證試驗(yàn)條件的統(tǒng)一性,選取CR-WMA和CR-HMA在10次凍融循環(huán)條件下的DE值和DCSE值進(jìn)行分析,如圖8所示。由圖8可知,兩條擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R2均在0.9以上,說(shuō)明基于DIC技術(shù)得到的指標(biāo)DE和基于SCB得到的指標(biāo)DCSE具有很好的相關(guān)性。
圖8 CR-WMA 和CR-HMA損傷開(kāi)裂指標(biāo)相關(guān)性分析Fig.8 Correlation analysis of CR-WMA and CR-HMAdamage and cracking indicators
通過(guò)上述分析發(fā)現(xiàn),鹽溶液濃度對(duì)CR-WMA和CR-HMA抗損傷開(kāi)裂性能的影響,在不同評(píng)價(jià)方法下保持一致,一方面驗(yàn)證了結(jié)論的正確性,另一方面也說(shuō)明了DIC技術(shù)評(píng)價(jià)瀝青混合料抗損傷開(kāi)裂特性具有較好的合理性。
(1)通過(guò)對(duì)試件水平應(yīng)變?cè)茍D和前5%、前10%、前15%、前50%最大應(yīng)變點(diǎn)均值隨重復(fù)荷載作用次數(shù)的變化分析,發(fā)現(xiàn)水平應(yīng)變值較大的區(qū)域與CR-WMA和CR-HMA的損傷開(kāi)裂發(fā)展密切相關(guān);選擇最大前10%應(yīng)變點(diǎn)定義的損傷累積密度DE,用以研究CR-WMA和CR-HMA在不同鹽溶液濃度中的抗損傷開(kāi)裂性能是合理的。
(2)在相同的凍融循環(huán)次數(shù)下,無(wú)論何種鹽溶液濃度(0%、4%、8%、12%),CR-WMA試件的DE值和DCSE值均大于CR-HMA,說(shuō)明CR-WMA的抗損傷開(kāi)裂性能和抗鹽侵蝕性能優(yōu)于CR-HMA,表明添加SDYK型表面活性劑可提高瀝青混合料抗損傷開(kāi)裂和抗鹽侵蝕能力。
(3)通過(guò)對(duì)損傷累積密度DE和蠕變應(yīng)變能DCSE的相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)DIC技術(shù)在評(píng)價(jià)瀝青混合料抗損傷開(kāi)裂特性方面具有較好的合理性。