胡 靖 钱振东

(东南大学智能运输系统研究中心, 南京210096)

环氧沥青混合料(EA)是大跨径钢桥面的主要铺装材料之一,是由集料和沥青砂浆所组成的多相混合料.水对EA的影响十分复杂,一方面,水分降低了沥青混合料的强度,使其在载荷作用下容易出现破坏;另一方面,集料的化学和热力学性质决定了集料对水的吸附性大于对沥青砂浆的吸附性,因此水分会逐渐浸入集料与沥青砂浆的黏结面,直至两者剥离.在细观结构上可以理解为沥青砂浆在水分作用下模量和黏结力的衰减.

针对水分对沥青混合料的影响,文献[1-2]主要从宏观角度进行研究,但无法在本质上揭示混合料内部各组分的影响机理.采用有限元数值技术进行沥青混合料的细观力学研究已成为分析内部组分影响的有效途径.Bandyopadhyaya等[3]通过有限元软件建立沥青混合料的细观力学模型,预测了集料为不规则形状与椭圆形颗粒时的力学行为,较好地模拟了混合料裂缝的大小及位置;Dai[4]利用细观模型分析了沥青混合料的动态模量和相位角等黏弹性质,表明细观模型是预测沥青混合料黏弹性能的有效方法;Arambula等[5]则利用沥青混合料细观模型分析了水汽扩散运动的机理及影响因素,指出混合料中水分扩散系数对水损破坏有直接关系.近年来,Liu等[6]通过内聚力模型(CZM),在沥青混合料劈裂模型中预设裂缝,模拟了裂缝萌生与扩展变化过程中试件的力学状况;Caro等[7]采用CZM模拟沥青混合料中集料与沥青砂浆的黏结界面,研究了沥青混合料中水汽对混合料力学强度、材料性质及加载情况的影响,表明采用有限元方法研究水损破坏的可行性[7].尽管已有学者进行了沥青混合料细观力学水损方面的研究,但很少涉及不同水分扩散状态下的混合料力学变化情况.因此本文使用ABAQUS有限元软件建立EA细观力学与流体渗透模型,分析干燥、部分饱和以及完全饱和情况下沥青混合料内部的应力应变以及集料与沥青砂浆黏结界面裂缝的萌生、扩展直至失效的过程.

1 沥青混合料内聚力模型

CZM是模拟黏结面逐步分离的力学计算方法,最初用于模拟脆性材料的断裂过程.CZM的本构关系由内聚力区域单元的牵引-分离定律(traction-separation law)所定义,该定律描绘了界面上的黏聚力与单元厚度方向上2个面之间相对位移的关系[8].ABAQUS中提供了线性与指数2类本构关系的内聚力单元(cohesive element),文献[9]指出线性本构模型较适合模拟沥青混合料断裂特性,如图1所示.图中,T为裂缝前段微小区域内的内聚力,即黏聚力;Tc为黏聚力极值;δ为分离界面的相对位移;δn与δf分别对应软化点及最终破坏的相对位移.

图1 内聚力模型原理与线性本构关系图

线性内聚力本构由2部分组成:在初始损伤发生前(内聚力小于Tc,且相对位移小于δn)的线性关系和单元达到初始损伤后的线性软化过程.在理论上,初始损伤处的内聚力达到Tc后材料出现开裂破坏,而线性本构关系曲线下方的面积即为材料的断裂能.采用界面黏结单元模拟裂纹的萌生与扩展,其初始损伤准则为最大名义应力判据:

(1)

(2)

模型中分别采用三角形平面应变单元(CPE3)和带孔隙水压性质的四边形平面应变单元(CPE4P)对沥青砂浆与集料划分网格,在每个集料的四周建立厚度为0.1 mm的界面黏结平面单元,用于模拟集料与周围沥青砂浆的黏结作用.在局部区域采用较细网格,以确保计算精度,细观模型及其有限元网格划分如图2所示.

图2 EA细观有限元模型建立图示(单位：mm)

为了保证沥青砂浆与界面黏结单元变形的协调性,假设两者的材料参数取值相同，随着含水率的不同产生线性变化,部分材料参数取自文献[10],列于表1.

表1 细观模型材料参数

2 荷载-水分扩散有限元细观模型

沥青混合料细观力学模型分析采用流体渗透/应力耦合分析类型.在渗流过程中,对模型施加逐渐增大的均布载荷,增幅恒定为0.05 MPa/s.由于实际车辆载荷对铺装层的作用时间远小于结构的渗流时间,因此假设沥青混合料的孔隙率不随模型的变形改变且渗流状态与所处的应力状态无关.

细观模型的水分渗透遵循Forchheimer定律,假定模型上表面受渗透水压,下表面设为排水边界,两侧则为不排水边界.由于渗透水压的作用,模型内部各点的含水率随时间不断发生变化,即出现水分扩散现象,如图3所示.

图3 沥青混合料细观模型水分扩散过程

假设随着沥青混合料中沥青砂浆与界面黏结层含水率的变化(由干燥到完全饱和),各项参数均由干燥时的初始值线性衰减至完全饱和时初始值的一半,因此本文利用场变量技术来研究沥青混合料水损坏过程中材料参数的变化.

3 荷载-水耦合作用下沥青混合料水损坏细观数值仿真

本节对界面黏结单元与混合料内部砂浆单元两者的受力特性进行分析,研究在荷载-水耦合作用下EA内部的力学响应.

3.1 细观模型黏结界面断裂状态分析

载荷作用下沥青混合料内部会产生复杂的力学响应,集料与沥青砂浆黏结界面中过大的应力应变会导致黏结状态的失效,特别是在有水分参与作用的情况下.本研究中,模型内部各单元处的含水率随时间的增加而增大,这将直接导致沥青砂浆与界面层材料性能的衰减.

表2和图4分别反应了不同含水率情况下集料与沥青砂浆由于载荷作用,导致黏结界面随作用时间而出现破坏的发展情况.

表2 不同含水率下黏结界面失效时间 s

不同含水率对黏结界面失效点位置与失效时间都有较大的影响.完全干燥情况下,集料与沥青砂浆的黏结界面在载荷作用下出现第1个失效点的时间是133 s,相对于部分饱和与完全饱和情况下的92 s和71 s,分别高出30.8%和46.6%,表明沥青混合料在干燥时出现初始破坏所需的载荷要大得多.此外,不同含水率下集料与砂浆的初始失效点位置相同,但后续失效点出现的顺序有所改变.也可看出,随着含水率的上升,沥青混合料的破坏程度与速率均朝着不利的方向发展,表现为在载荷相同的情况下,发生剥落的集料颗数随着含水率的上升而增加.由图4还可发现,最容易发生剥落的是体积较大且形状较为不规则的集料.

图4 不同含水率集料剥落情况

在不同含水率下,集料与沥青砂浆黏结界面失效长度与加载时间的拟合关系曲线如图5所示.式(2)中设破坏水平D处于0.95～1范围内,计算所有集料周围界面黏结单元失效长度总和作为黏结界面失效总长度.

图5 失效界面总长度随荷载作用时间的变化

从图5可看出,失效总长度在发生时间与增长速率方面与含水率有很大的关系.完全饱和时集料与沥青砂浆黏结界面在加载71 s后萌生裂缝,比部分饱和与干燥状况下裂缝萌生时间分别早21 s和62 s.曲线也显示了黏结界面剥离的变化趋势,即出现初始裂缝后,在载荷的逐渐作用下新裂缝出现的速率逐渐增大,出现一段明显的快速增长期,最后裂缝增长速率逐渐减小并趋于稳定.材料处于干燥状态的沥青混合料,产生相同长度的黏结界面裂缝需要更大的载荷,说明了保证沥青混合料的干燥状态或相对较低的含水量对抵抗裂缝、剥落等病害是有利的.

图6为沥青混合料最不利受力点处界面黏结单元的最大主应力随载荷作用时间的变化曲线图.分析结果表明,在不同含水率情况下,集料与沥青砂浆的剥落破坏出现时间存在较大的差异.在出现初始破坏前,其最大主应力与加载时间呈现线性变化关系且不同含水率下的应力大小相似,但是界面黏结单元在发生初始破坏、损伤累积直至完全失效的过程中,其最大主应力的变化并没有遵循线性规则,而是呈抛物线衰减,这主要是由于含水率的变化改变了材料性质以及黏结单元的失效并非由于纯拉或纯剪,而是复合破坏所致.

当沥青混合料处于干燥状态时,材料性能并不受到水分的影响,界面黏聚力较大,只有在加载时间足够长(载荷足够大)的情况下才能发生破坏,其发生初始损伤时的最大主应力超过了4 MPa;随着材料含水率的增加,部分饱和时和完全饱和时发生初始损伤时的最大主应力分别为3.1 MPa和2.1 MPa,分别比干燥时的最大主应力减少27%和50%.

3.2 沥青混合料细观尺度受力状态分析

沥青混合料在竖向载荷作用下,由于横向拉应力的作用,容易出现裂缝病害.为了分析沥青混合料在荷载-水耦合作用下细观结构的力学响应情况,选取图7(a)中所示的细观混合料模型竖向中线处应力应变作为研究对象,研究载荷作用下横向应力、应变在竖向中线处的变化趋势,如图7所示.

图7 沥青混合料竖向中线处应力和应变曲线

由图7(a)可知，曲线变化趋势总体上是相似的,并没有因为水分的影响而出现较大的差异.图中数据表明,沥青混合料中的集料主要承受水平压应力,而沥青砂浆沿竖向中线的横向应力分布要复杂得多,在靠近集料的部位表现为拉应力,而远离集料的部位则表现为压应力,说明在集料与沥青砂浆的黏结界面以及在集料附近的沥青砂浆区域都是处于横向受拉状态,容易产生开裂破坏.因此,不同含水率条件下,集料附近的沥青砂浆受力最不利,且由于集料与砂浆黏结界面的分离,极易产生裂缝破坏.

图7(b)曲线中除贯穿集料部分的应变接近于0外,其他部分大多呈现拉应变状态.相对于应力变化,应变曲线受不同材料含水率的影响较大,基本上表现为含水率越高,混合料所受的拉应变越大,这主要是由于材料性能受含水率的增加而出现衰减所致.

4 结论

1) 水分的存在对EA中集料与沥青砂浆的黏结极为不利,随着混合料含水率上升,集料与沥青砂浆剥离的程度趋于严重,且水损病害首先发生在体积较大、形状不规则的集料四周.

2) 在不同含水率下,界面发生剥离的时间与长度不同.处于干燥状况的沥青混合料出现相同界面裂缝需要更大的外部载荷以及更长的作用时间.

3) 黏结界面失效点处的最大主应力在不同含水率下的变化趋势相同,但干燥时最大主应力为4.2 MPa,分别是部分饱和以及饱和状态下的1.4倍和2倍.

4) 沥青砂浆在靠近集料的部分主要表现出较大的拉应力,而远离集料的部分则为压应力.说明集料与沥青砂浆的黏结界面及其附近区域都处于不利的受力状态.

本文尚未考虑不同温度下沥青砂浆的黏弹塑性材料参数,将在下一步进行研究.

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