沥青混合料冻融损伤特性研究

第９卷第１ｌ期　中国科技论文　ＣＨＩＮＡ　ＩＥＮＣＥＰＡＰＥＲ　Ｖｏ１．９　Ｎｏ．１１　ＮＯＶ．２０１４　２０１４年ｌ１月　沥青混合料冻融损伤特性研究　李兆生，谭忆秋　（哈尔滨＿Ｙ－，＿ｌｋ大学交通科学与工程学院，哈尔滨１５００９０）　摘要：基于Ｍａｘｗｅｌｌ模型建立了沥青混合料冻融损伤本构方程，以冻融后的劈裂强度作为损伤变量，分析沥青混合料的冻融　损伤过程。分析表明，沥青混合料的低温劈裂强度随着冻融循环次数的增加而减小。冻融损伤过程大致分为快速损伤期、稳定　损伤期及损伤发展期３个阶段。空隙率大小对沥青混合料的冻融损伤有较大影响。多孔沥青混合料劈裂强度比稳定值约为　４Ｏ　，沥青混凝土劈裂强度比约为７Ｏ　，在４－－８个冻融循环之后达到冻融损伤稳定期。　关键词：沥青混合料；冻融循环；损伤；本构方程　中图分类号：Ｕ４１４　文献标志码：Ａ　文章编号：２０９５—２７８３（２０１４）１１—１２７９—０３　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｆｒｅｅｚｉｎｇ－ｔｈａｗｉｎｇ　ｄａｍａｇｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　Ｌｉ　Ｚｈａｏｓｈｅｎｇ，Ｔａｎ　Ｙｉｑｉｕ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５００９０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｄａｍａｇｅ　ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｍａｘｗｅｌｌ　ｍｏｄｅ１．Ｔｈｅ　ｉｎｄｉｒｅｃｔ　ｔｅｎｓｉｌｅ（ＩＤＴ）ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｗａｓ　ａｐ　ｐｌｉｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｄａｍａｇｅ　ｖａｒｉａｂｌｅ　ｔＯ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅ　ｔｈｅ　ｆｒｅｅｚｉｎｇ－ｔｈａｗｉｎｇ　ｄａｍａｇｅ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ．Ｒｅｓｕｌｔ　ｓｈｏｗｓ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ＩＤＴ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ａｔ　ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｅｃｒｅａｓｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｃｙｃｌｅｓ　ｏｆ　ｆｒｅｅｚｉｎｇ－ｔｈａｗｉｎｇ．Ｔｈｅ　ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒｅｅｚｉｎｇ－ｔｈａｗｉｎｇ　ｄａｍａｇｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｒｅｅ　ｄａｍａｇｅ　ｐｈａｓｅｓ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ　ｒａｐｉｄ　ｄａｍａｇｅ　ｐｈａｓｅ，ｓｔａｂｌｅ　ｄａｍａｇｅ　ｐｈａｓｅ　ａｎｄ　ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ　ｄａｍａｇｅ　ｐｈａｓｅ．Ｔｈｅ　ａｉｒ　ｖｏｉｄ　ｐｅｒｃｅｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｈａｓ　ｇｒｅａｔ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｎ　ｆｒｅｅｚｉｎｇ－ｔｈａｗｉｎｇ　ｄａｍａｇｅ．Ｔｈｅ　ｓｔａｂｌｅ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｐｏｒｏｕｓ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘ—　ｔｕｒｅ　ｃｌｅａｖａｇｅ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｒａｔｉｏ　ｗａｓ　ａｒｏｕｎｄ　４０　，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ＩＤＴ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｗａｓ　ａｒｏｕｎｄ　７０　．Ａｆｔｅｒ　４－８　ｆｒｅｅｚｉｎｇ　ａｎｄ　ｔｈａｗｉｎｇ　ｃｙｃｌｅｓ，ｔｈｅ　ｆｒｅｅｚｉｎｇ－ｔｈａｗｉｎｇ　ｄａｍａｇｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｓ　ｉｎｔｏ　ｓｔａｂｌｅ　ｄａｍａｇｅ　ｐｈａｓｅ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ；ｆｒｅｅｚｉｎｇ　ｔｈａｗｉｎｇ　ｃｙｃｌｅ；ｄａｍａｇｅ；ｃｏｎｓｔｉｔｕｔｉｖｅ　ｅｑｕａｔｉｏｎ　沥青混凝土路面的冻融破坏是我国寒区道路病　害的主要形式之一ｈ－２］。沥青混合料冰冻破坏是由　于混合料内部的水分冻结，但没有足够的空隙容纳　而成，黏壶的应力仃与应变率￡的关系为　一　，　为黏性系数。黏弹性体的积分型本构方程为　这部分增大的体积，导致混合料体积膨胀，使多年冻　土地区沥青混合料大面积出现掉粒、松散，继而形成　沥青路面的坑槽等现象［３　］。季冻区还存在水分相　态变化导致的混合料冻融损伤［５　］。在多次冻融循　环下，沥青混凝土的性能将迅速衰减，导致在施工完　成几年后就出现大规模的早期损害现象＿８］。因此，　研究冻融循环作用下沥青混合料的损伤过程对多年　冻土地区沥青混合料设计尤为重要。　本文建立了沥青混合料冻融损伤的本构方程，　以沥青混合料的劈裂强度作为损伤变量分析了冻融　损伤过程，并研究了冻融损伤的影响因素。　（　）一ｅ０ｙ（　）＋ｌ‘Ｙ（ｔ—ｒ）　ｄｒ。　Ｊ　０　Ｕｒ　（１）　式中　为初始时刻的应变；ｙ（　）为松弛模量，对于　Ｍａｘｗｅｌｌ模型，ｙ（　）一Ｅｅ－　。　图１黏弹性力学模型　１冻融损伤本构方程　沥青混合料作为典型的黏弹性材料，其力学性　能具有明显的黏弹性特性。选用广义Ｍａｘｗｅｌｌ模型　建立沥青混合料的损伤力学本构方程。广义模型由　２个Ｍａｘｗｅｌｌ单元及１个黏壶并联而成。Ｍａｘｗｅｌｌ　单元是由１个弹性系数为Ｅ的弹簧和１个黏壶串联　收稿日期：２０１４—０３—２６　假定模型初始时刻的应变为ｅ。一０，则任一时刻　Ｍａｘｗｅｌｌ黏弹性体的应力表达式为　（　）一ＥＩ　Ｊ　０　ｄｒ。　）。　（２）　（３）　当应变速率　为常量时，　（ｔ）一　（１一　对于如图１所示的广义Ｍａｘｗｅｌｌ模型，可得其　应力的表达式为　基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（２Ｏ１Ｏ２３Ｏ２１２Ｏ０５８）　作者简介：李兆生（１９７４一），男，博士研究生，主要研究方向为沥青与沥青混合料　通信联系人：谭忆秋，教授，主要研究方向为沥青与沥青混合料，ｙｉｑｉｕｔａｎ＠１６３．ｔｏｍ　１２８０　中国科技论文　第９卷　（ｔ）一ｑｏｓ＋叩１ｅ（１一ｅ－育）＋　ｅ（１一ｅ－葛）。（４）　已有研究表明低应变率时材料损伤较小，因此　可只取反映高应变率的一个Ｍａｘｗｅｌｌ黏弹性模型体　与非线性弹簧并联。其损伤演变律可取为　Ｄ＝　㈤　，　式中：ｅ　为损伤门槛值，可由试验定出。由式（５）积　分可求出Ｄ。根据高应变率下的试验应力一应变关　系，即可拟合确定各项参数，从而求得黏弹性材料在　高应变率下的损伤本构关系。　考虑到材料破坏时所经受的总变形不大，可认　为材料的非线性弹性行为导致的应力一应变非线性是　次要的，而材料内部的损伤才是应力一应变非线性的　根源，则　（ｔ）一Ｅｏ（１一Ｄ）ｓ。　（６）　考虑微应变过程中的损伤，根据损伤度定义＿ｇ］，　Ｄ一１一　。　（７）　当考虑高、低应变率下的非弹性响应时，考虑图　１的力学模型，其本构关系为　（　）一（１一Ｄ）［　￡＋功　（１一　）＋　（１一￡－葛）］。　（８）　对从静止状态开始以恒应变率　一Ａ的加载情　况，通过沥青混合料的实测应力一应变曲线，并结合式　（８）可以确定其本构方程。　对于沥青混合料，由于其破坏变形不大，可以近　似把劈裂试验的恒定位移加载速率视为恒应变率加　载，这样可以采用劈裂强度作为沥青混合料冻融损　伤的评价变量，以此判定沥青混合料的冻融损伤　程度。　２冻融循环过程中沥青混合料的损伤　空隙率对沥青混合料在温湿荷载作用下的性能　有重要影响。８　９／６～１３　是沥青混合料的最不利空　隙率，空隙率小于此范围，水分不易侵入，空隙率大　于此范围，水分将比较容易排出。本文设计了２种　不同的沥青混合料，分别为密级配沥青混合料（ＡＣ）　及多孔沥青混合料（ＯＧＦＣ）。对其冻融耐久性能进　行分析，以研究其冻融损伤过程。　按照《公路工程沥青混合料试验规程》（ＪＴＪ　０５２－－２０００）中“沥青混合料冻融劈裂试验”（ＴＯ７２９—　２０００）方法对马歇尔试件进行冻融循环，测试冻融后　试件在一１０。Ｃ低温情况下的劈裂强度。ＡＣ和ＯＧ—　ＦＣ的设计空隙率分别为（６±１）　与（１８４－１）　。　依据前述公式（７），沥青混合料冻融损伤变量　Ｄ（扎）可定义为　）一１一　。　（９）　式中：Ｆ（　）为冻融，ｚ次后混合料的劈裂强度；Ｆｏ为　冻融前混合料的劈裂强度。　冻融循环作用后沥青混合料的劈裂强度及相应　的损伤变量随冻融次数的变化如图２及图３所示。　享　意　排　冻融次数　图２冻融劈裂强度与损伤变量（ＡＣ）　图３冻融劈裂强度与损伤变量（ＯＧＦＣ）　由图２及图３可以看出，沥青混合料的低温劈裂　强度随着冻融循环次数的增加而减小，而损伤变量　随着冻融次数的增加而增大。选择三次多项式对沥　青混合料的冻融损伤演化过程进行拟合，拟合结果　如图４所示。　冻融次数　图４冻融损伤过程拟合　沥青混凝土的冻融损伤变量的演化方程为　Ｄ一０．０００　３ｚ。一０．００７　８ｘ。＋０．０８５　８ｘ，Ｒ。一１。　（１０）　多孔沥青混合料的冻融损伤变量的演化方程为　Ｄ一０．０００　５ｚ。一０．０１６　７ｏｒ。＋０．１７２　６ｏｒ，　Ｒ　一０．９９８　ｌ。　（１１）　可以看到，２种沥青混合料的试验曲线与拟定冻融损　伤演化方程吻合较好。基于试验结果及损伤演化方　程，可将沥青混合料的损伤过程可分为３个阶段：第　１阶段，快速损伤期（小于４次冻融循环），此时混合　料内部没有形成较多的连通孔隙，进入到沥青混合　料内部的水滞留在材料内部，不易排出，形成的冻胀　力较大，冻胀力使材料内部产生较多的微裂纹，材料　的损伤较快，材料力学性能衰减较快；第２阶段，稳　定损伤期（４～１２次冻融循环），在冻胀力的作用下，　微裂纹进一步扩展，形成了一定数量的连通孔隙，对　冻胀力有一定的消散作用，冻融引起的损伤发展缓　第１１期　李兆生，等：沥青混合料冻融损伤特性研究　１２８１　时１日Ｊ／　图６试验结果拟合（ＯＧＦＣ）　４结论　１）基于广义Ｍａｘｗｅｌｌ黏弹性模型建立了沥青混　合料的冻融损伤本构方程，提出以劈裂强度作为损　伤变量来评价沥青混合料的损伤过程。　２）沥青混合料的低温劈裂强度随着冻融循环次数　的增加而减小，损伤变量随冻融次数的增加大致分为　快速损伤期、稳定损伤期及损伤发展期３个阶段。　３）空隙率大小对沥青混合料的冻融损伤有较大　影响。多孔沥青混合料与密级配沥青混合料有明显　的性能稳定期。多孔沥青混合料劈裂强度比稳定值　为４０　左右，密级配沥青混合料为劈裂强度比稳定　在７０　９／６左右，性能的稳定期一般出现在４～８个　循环。　［参考文献］（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）　［１］乔俊峰，马军，李宁，等．冻融作用下的沥青混合料力学　特性ＥＪ］．山西交通科技，２０１２（１）：１卜１４．　Ｑｉａｏ　Ｊｕｎｆｅｎｇ，Ｍａ　Ｊｕｎ，Ｌｉ　Ｎｉｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｕｎｄｅｒ　ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗ［Ｊ］．Ｓｈａｎｘｉ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　Ｃｏｍ—　ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，２０１２（１）：１１—１４．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［２］张峰，冯德成，凌贤长．季节冻土区车一路耦合作用下路　面动力响应数值模拟研究［Ｊ］．中国科技论文在线，　２０１０，５（１０）：７９７－７８２．　Ｚｈａｎｇ　Ｆｅｎｇ，Ｆｅｎｇ　Ｄｅｃｈｅｎｇ，Ｌｉｎｇ　Ｘｉａｎｚｈａｎｇ．Ｎｕｍｅｒｉ—　ｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｉｎｄｕｃｅｄ　ｂｙ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｖｅｈｉｃｌｅ－ｒｏａｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｓｅａｓｏｎａｌｌｙ　ｆｒｏｚｅｎ　ｒｅｇｉｏｎ　ＥＪ］．Ｓｃｉｅｎｃｅｐａｐｅｒ　Ｏｎｌｉｎｅ，２０１０，５（１０）：７９７—　７８２．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［３］谭忆秋，赵立东，蓝碧武，等．沥青混合料冻融损伤模型　及寿命预估研究［Ｊ］．公路交通科技，２０１１，２８（６）：１－７．　Ｔａｎ　Ｙｉｑｉｕ，Ｚｈａｏ　Ｌｉｄｏｎｇ，Ｌａｎ　Ｂｉｗｕ，ｅｔ　ａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｆｅｅｚｅ￣ｔｈａｗ　ｄａｍａｇｅ　ｍｏｄｅｌ　ａｎｄ　ｌｉｆｅ　ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ［Ｊ］．　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｈｉｇｈｗａｙ　ａｎｄ　Ｔｒａｎｓｐ０ｒｔａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，２０１１，２８（６）：１－７．（ｉｎ　Ｃｈｉ—　ｎｅｓｅ）　Ｅ４］　Ａｔｉｒａ　Ｍ，Ａｂｄｅｌｒａｈｍａｎ＾／Ｌ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｕｎｔｒｅａｔｅｄ　ｒｅ—　ｃｌａｉｍｅｄ　ａｓｐｈａｌｔ　ｐａｖｅｍｅｎｔ　ｔｏ　ｍｏｉｓｔｕｒｅ，ｄｅｎｓｉｔｙ，ａｎｄ　ｆｒｅｅｚｅ　ｔｈａｗ　ｌ＿Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｉｎ　Ｃｉｖｉｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒ　ｉｎｇ，２０１０，２２（１２）：１２６０—１２６９．　［５］李东庆，孟庆洲，房建宏，等．沥青混合料抗冻融循环性　能的试验研究［Ｊ］．公路，２００７（１２）：１４５—１４７．　Ｌｉ　Ｄｏｎｇｑｉｎｇ，Ｍｅｎｇ　Ｑｉｎｇｚｈｏｕ，Ｆａｎｇ　Ｊｉａｎｈｏｎｇ，ｅｔ　ａ１．　Ｔｅｓｔ　ａｎｄ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｆｒｏｓｔ　ｔｈａｗｉｎｇ　ｒｅ—　ｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｈｉｇｈｗａｙ，２００７（１２）：　１４５—１４７．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［６］　Ｋｅｓｔｌｅｒ　Ｍａｕｒｅｅｎ　Ａ，Ｂｅｒｇ　Ｒｉｃｈａｒｄ　Ｌ，Ｂｉｇｌ　Ｓｕｓａｎ　Ｒ．　Ｓｔａｔｉｓｔｉｃａｌ　ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ　ｏｆ　ｆｒｅｅｚｅ－ｔｈａｗ　ｒｅｌａｔｅｄ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｏｎ　ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ　ｄａｍａｇｅ　ｔｏ　ｆｌｅｘｉｂｌｅ　ｐａｖｅｍｅｎｔｓ　Ｉ－Ｊ］．Ｔｒａｎｓ—　ｐｏｒｔａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｒｅｃｏｒｄ，２０１１，２２３２：５５—６７．　［７２徐向锋，杨为民，张峰．冻融损伤后引气混凝土三轴强　度准则研究［Ｊ］．中国科技论文，２０１３，８（１１）：　１１４９—１１５２．　Ｘｕ　Ｘｉａｎｇｆｅｎｇ，Ｙａｎｇ　Ｗｅｉｍｉｎ，Ｚｈａｎｇ　Ｆｅｎｇ．Ｔｒｉａｘｉａｌ　ｓｔｒｅｎｇｔｈ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ　ｏｆ　ａｉｒ　ｅｎｔｒａｉｎｉｎｇ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｕｎｄｅｒ　ｆｒｅｅｚｅ－　ｔｈａｗ　ＦＪ］．Ｃｈｉｎａ　Ｓｃｉｅｎｃｅｐａｐｅｒ，２０１３，８（１１）：１１４９—　１１５２．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［８］郑健龙，张洪刚，钱国平，等．水温冻融循环条件下沥青　混合料性能衰变的规律ｒ－ｊ］．长沙理工大学学报：自然　科学版，２０１０，７（１）：７－１１．　Ｚｈｅｎｇ　Ｊｉａｎｌｏｎｇ，Ｚｈａｎｇ　Ｈｏｎｇｇａｎｇ，Ｑｉａｎ　Ｇｕｏｐｉｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ａｓｐｈａｌｔ　ｍｉｘｔｕｒｅ　ｕｎｄｅｒ　ｆｒｅｅｚ－ｅｔｈａｗ　ｃｙｃｌｅ　ｗｉｔｈ　ｗａｔｅｒ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒ—　ｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈａｎｇｓｈａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：　Ｎａｔｕｒａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１０，７（１）：７－１１．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）　［９］余寿文，冯西桥．损伤力学［Ｍ］．北京：清华大学出版　社，１９９７．　Ｙｕ　Ｓｈｏｕｗｅｎ，Ｆｅｎｇ　Ｘｉｑｉａｏ．Ｄａｍａｇｅ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ［Ｍ］．　Ｂｅｉｊｉｎｇ：Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　Ｐｒｅｓｓ，１９９７．（ｉｎ　Ｃｈｉｎｅｓｅ）