1、第4 1卷 第3期V o l.4 1 N o.3材 料 科 学 与 工 程 学 报J o u r n a l o fM a t e r i a l sS c i e n c e&E n g i n e e r i n g总第2 0 3期J u n.2 0 2 3文章编号:1 6 7 3-2 8 1 2(2 0 2 3)0 3-0 5 1 4-0 8基于多种路用环境下对布敦岩沥青混凝土低温开裂特性的分析闫景晨1,陈秀楠1,马炎沛2(1.内蒙古工业大学 土木工程学院,内蒙古 呼和浩特0 1 0 0 5 1;2.中国第七工程局有限公司西南分公司工程部,重庆4 0 0 0 0 0)【摘 要】本研究通过
2、冻断试验和三点弯试验分别对五种路用环境下的布敦岩沥青混凝土、基质沥青混凝土和S B S改性沥青混凝土进行低温抗裂对比分析,并通过数值模拟试验从试件损伤和能量耗散两方面进行布敦岩沥青混凝土低温开裂机理研究。结果表明:布敦岩沥青混凝土具有比其他两种沥青混凝土更高的转化点温度,但在冻结时的断裂强度和冻断温度略低于S B S改性沥青混凝土,而优于基质沥青混凝土。在低温下,布敦岩沥青混凝土的应变能密度大于基质沥青混凝土,略低于S B S改性沥青混凝土,这表明在基质沥青中掺加适量的布敦岩沥青可以提高其抗温缩开裂性能。另外,布敦岩沥青混凝土在低温条件下弯曲破坏过程中只有少部分塑性变形,应变能以塑性变形的方式
3、耗散较少,主要是通过脆性破坏产生的裂隙耗散。【关键词】布敦岩沥青混凝土;低温开裂;应变能密度;损伤变量;离散元中图分类号:U 4 1 4 文献标志码:AD O I:1 0.1 4 1 3 6/j.c n k i.i s s n 1 6 7 3-2 8 1 2.2 0 2 3.0 3.0 2 8收稿日期:2 0 2 1-0 8-2 9;修订日期:2 0 2 1-1 2-1 4作者简介:闫景晨,副教授,研究方向:沥青混凝土抗裂性能。E-m a i l:y j c i m u t.e d u.c n通信作者:陈秀楠,硕士,研究方向:沥青混凝土低温抗裂性能。E-m a i l:1 1 0 7 3 1
4、3 4 2 7q q.c o m。A n a l y s i so nL o wT e m p e r a t u r eC r a c k i n gC h a r a c t e r i s t i c so fB u t o nR o c kA s p h a l tC o n c r e t eu n d e rV a r i o u sR o a dC o n d i t i o n sY A NJ i n g c h e n1,C H E NX i u n a n1,MAY a n p e i2(1.S c h o o l o fC i v i lE n g i n e e r i
5、 n g,I n n e rM o n g o l i aU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,H o h h o t 0 1 0 0 5 1,C h i n a;2.S o u t h w e s tB r a n c ho fC h i n aC o n s t r u c t i o n7 t hE n g i n e e r i n gB u r e a uC o.,L t d,C h o n g q i n g4 0 0 0 0 0,C h i n a)【A b s t r a c t】T h i sp a p e r c o n d u
6、 c t s c o m p a r a t i v e a n a l y s i so n t h e l o wt e m p e r a t u r e f r a c t u r e r e s i s t a n c eo fB u t o nr o c ka s p h a l tc o n c r e t e,m a t r i xa s p h a l tc o n c r e t ea n dS B S m o d i f i e da s p h a l tc o n c r e t eu n d e rf i v ed i f f e r e n tr o a dc o
7、 n d i t i o n su s i n gT S R S Tt e s ta n dt h et h r e e-p o i n tb e n d i n gt e s t.T h el o wt e m p e r a t u r ec r a c k i n g m e c h a n i s mo fB u t o nr o c ka s p h a l t c o n c r e t ew a ss t u d i e df r o mt w oa s p e c t su s i n gt h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n,t
8、h ed a m a g eo f t h es p e c i m e na n dt h ee n e r g y i td i s s i p a t e d.T h er e s u l t ss h o wt h a t t h et e m p e r a t u r ea t t h ec o n v e r s i o np o i n to fB u t o nr o c ka s p h a l t c o n c r e t ei sh i g h e rt h a nt h o s eo ft h eo t h e rt w ok i n d so fa s p h a
9、 l tc o n c r e t e,w i t hal e s sd e g r e eo ff r a c t u r ea tas l i g h t l yl o w e rt e m p e r a t u r et h a nt h a to fS B S m o d i f i e da s p h a l tc o n c r e t e,a n ds h o w sb e t t e rp e r f o r m a n c e s t h a nt h a to fm a t r i xa s p h a l t c o n c r e t e.T h es t r a
10、i ne n e r g yd e n s i t yo fB u t o nr o c ka s p h a l tc o n c r e t e i sl a r g e r t h a nt h a to fb a s ea s p h a l t c o n c r e t ea n ds l i g h t l ys m a l l e r t h a nt h a to fS B Sm o d i f i e da s p h a l tc o n c r e t ew h e nc r a c k i n ga t l o wt e m p e r a t u r e st i
11、l l t h es p e c i m e ni sd e s t r o y e d,w h i c hi n d i c a t e st h a ta d d i n gap r o p e ra m o u n to fB u t u nr o c ka s p h a l tt ob a s ea s p h a l tc a ni m p r o v ei t sr e s i s t a n c et ot e m p e r a t u r es h r i n k a g ea n dc r a c k i n g.I na d d i t i o n,t h e r ei
12、 so n l yas m a l lp a r to fp l a s t i cd e f o r m a t i o ni nt h eb e n d i n ga n dc o l l a p s i n gp r o c e s s e sa tl o wt e m p e r a t u r e s,a n dt h es t r a i ne n e r g yi sl e s sd i s s i p a t e di nt h ew a yo fp l a s t i cd e f o r m a t i o n,w h i c hi s m a i n l yd i s s
13、 i p a t e dt h r o u g hc r a c k sc a u s e db yb r i t t l e f a i l u r e.【K e yw o r d s】B u t o nr o c ka s p h a l tc o n c r e t e;L o wt e m p e r a t u r ec r a c k i n g;S t r a i ne n e r g yd e n s i t y;D a m a g ev a r i a b l e;D i s c r e t ee l e m e n t1 前 言 道路使用环境中的光线、氧气、热量和低温等因素
14、会导致沥青混合料经历热氧化、紫外老化、冻融循环和盐冻融循环的作用,严重削弱沥青的黏附性能1-2。布敦岩沥青(简称B R A)是一种石油长时间沉积和变异后在自然环境中经过热、氧、压力等综合作用转化而成的沥青类物质。作为基质沥青的改性剂,在路面工程中具有出色的高温性能、耐久性和水稳定性3-8,但布敦岩沥青混凝土在低温环境中的抗开裂性能一直是研究难点。特别是在寒冷、夏季炎热、紫外线辐射强且日温差大的高原低温区,经受路用环境因素作用下的布敦岩沥青混凝土低温开裂特性更是值得关注的问题。刘杰等9通过冻断试验得到的冻断温度和冻断应力指标分析了沥青混凝土低温抗裂的性能。王兴昌等1 0通过小梁三点弯试验分析S
15、MA沥青混凝土在不同温度下应变能密度对试件开裂的影响。李辉等1 1将沥青砂浆试件在破坏过程中的能量耗散视为塑性变形和裂纹扩展两个进程,以便分析胶浆损伤过程中能量耗散规律,但缺乏损伤随时间变化的定量分析。钱振东等1 2-1 3通过离散元模拟三点弯曲试验,引入裂尖张开位移参数理解裂纹扩展所耗散的能量,但并没有将能量耗散进行全阶段分析。本研究主要通过冻断试验所得到的冻断温度、断裂强度、转化点温度对路用环境影响后的布敦岩沥青混凝土进行低温开裂特性分析,并通过三点弯曲试验得到的应变能密度指标,结合P F C数值模拟得到的损伤指标,从能量耗散角度进行沥青混凝土低温开裂全过程分析及开裂机理研究。2 原材料及
16、路用环境施加2.1 原材料 试验选用盘锦A级9 0#基质沥青和聚合物掺量为4.5%的S B S改性沥青作为对照组,基本性能指标见表1。布敦岩沥青采用某公司的B R A干粉,其技术参数见表2,整体呈黑褐色。试验中干拌掺量选用基质沥青混凝土质量分数的3.6%进行添加1 4。另外,集料与矿粉的岩性均为石灰岩。通过筛分试验和马歇尔稳定度等相关性试验进行A C-1 3 C型沥青混凝土级配设计和最佳油石比确定,布敦岩沥青混凝土、基质沥青混凝土、S B S改性沥青混凝土的最佳油石比分别为:5.2%、5.0%、5.6%。沥青混凝土小梁试件参照规范T 0 7 0 3-2 0 1 1方法制备尺寸为3 0 0mm3 0 0mm5 0mm的板型试块,再通过切 表1 沥青基本性能指标T a b l e1 B a s i cp e r f o r m a n c e i n d i c a t o r so fa s p h a l tP r o p e r t yM a t r i xa s p h a l tS B Sm o d i f i e da s p h a l tE x p e r i m e n