基于宏細(xì)觀力學(xué)相結(jié)合的溫拌瀝青混和料設(shè)計

霍軼珍 王俊 王志華 張霄

摘要：本文針對傳統(tǒng)溫拌瀝青混和料設(shè)計方法存在的問題，提出基于宏細(xì)觀力學(xué)方法相結(jié)合的溫拌瀝青混和料設(shè)計方法，對溫拌瀝青混和料的力學(xué)性能和破壞過程開展研究。這種方法綜合應(yīng)用數(shù)字圖像處理技術(shù)、計算機(jī)模擬實驗與傳統(tǒng)室內(nèi)實驗相結(jié)合的手段，重點分析細(xì)觀結(jié)構(gòu)與溫拌瀝青混合料的宏細(xì)觀力學(xué)性能及路用性能之間的關(guān)系，創(chuàng)新溫拌瀝青混和料設(shè)計方法，探索有效提高溫拌瀝青混和料路用性能的措施。

關(guān)鍵詞：瀝青混和料；再生技術(shù)；細(xì)觀力學(xué)；CT技術(shù)

1.溫拌再生瀝青混合料傳統(tǒng)設(shè)計方法

1.1傳統(tǒng)的瀝青混合料設(shè)計方法存在的問題

我國現(xiàn)行的瀝青混合料設(shè)計方法主要包括Marshall設(shè)計法和Superpave設(shè)計體系。Superpave設(shè)計體系是基于體積法來進(jìn)行瀝青混合料設(shè)計，較傳統(tǒng)的 Marshall設(shè)計法有較大進(jìn)步，但仍缺乏有效的驗證手段。目前，采用這兩種方法設(shè)計的瀝青路面都存在較多工程病害。原因是 Marshall設(shè)計法與Superpave設(shè)計體系都局限于研究瀝青混合料宏觀品質(zhì)與路用性能的相關(guān)性，基本上是按照宏觀的體積指標(biāo)和路用性能指標(biāo)作為設(shè)計的主要指標(biāo)。但在路面使用過程中，出現(xiàn)了瀝青混和料宏觀體積指標(biāo)相近，但路用性能相差較大的矛盾現(xiàn)象，究其原因，就是這兩種設(shè)計方法均忽略了瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)組成（集料形狀、空隙特征、尺寸、瀝青薄膜厚度和瀝青砂漿的空間分布等）對瀝青混合料性能的影響。而瀝青混合料的力學(xué)性能相當(dāng)復(fù)雜，其細(xì)觀結(jié)構(gòu)是決定其宏觀性質(zhì)的關(guān)鍵因素，因此，單純從宏觀角度無法清晰地分析清楚其復(fù)雜的力學(xué)行為及路用性能。

1.2溫拌再生瀝青混合料設(shè)計方法

溫拌瀝青混合料（WMA）技術(shù)是一種能夠?qū)崿F(xiàn)在相對較低的溫度下拌和與成型，有效解決熱拌瀝青技術(shù)中出現(xiàn)的廢氣排放、燃油消耗、且減少材料性能損傷的新技術(shù)，它產(chǎn)生于90年代的歐洲，由英國的Shell和Kolo-veidekkew公司研制出來，并在國外逐步開始應(yīng)用。但溫拌再生瀝青混和料技術(shù)的研究與應(yīng)用在我國還處于初步階段，我國大部分采用Evotherm方法，也有用Sasobit法生產(chǎn)溫拌瀝青混合料，但是Sasobit法側(cè)重于對瀝青及瀝青混合料改性效果的評價，多以直接應(yīng)用為目的，如溫拌瀝青混合料的制備過程、配合比設(shè)計、拌合方法、路用性能評價等，少有人結(jié)合宏觀路用性能對溫拌再生瀝青混凝土的細(xì)觀力學(xué)性能開展研究。

2.基于CT技術(shù)的細(xì)觀力學(xué)研究方法

細(xì)觀力學(xué)的研究從材料內(nèi)部細(xì)觀結(jié)構(gòu)層次上對材料進(jìn)行損傷識別，從而預(yù)測其宏觀力學(xué)特征，而CT技術(shù)（Computerized Tomograph）的發(fā)展為細(xì)觀力學(xué)研究提供了技術(shù)支持，利用CT檢測可以識別材料每一層面的信息并以高分辨率的數(shù)字圖像顯示出來，還可確定檢測材料損傷缺陷的具體位置并進(jìn)行定量分析，這樣不僅有助于對材料開裂破壞過程有一個本質(zhì)認(rèn)識，也為數(shù)字圖像和數(shù)值模擬的結(jié)合提供了一個平臺，克服了傳統(tǒng)意義上瀝青混合料設(shè)計方法的局限性，并可減少大量的試驗工作。

美國SIMAP研究計劃的重要成員Masad堅持基于數(shù)字圖像技術(shù)研究瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)的技術(shù)路線，采用CT技術(shù)取得了大量研究成果。國內(nèi)道路行業(yè)目前己經(jīng)有多家科研機(jī)構(gòu)配置工業(yè)CT設(shè)備對瀝青混合料開展基于細(xì)觀力學(xué)方法的研究。

3.宏細(xì)觀力學(xué)相結(jié)合的設(shè)計方法

大量研究表明，瀝青混合料作為一種具有非均質(zhì)、不等向的多相混合材料，宏觀結(jié)構(gòu)的破壞是細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化累積的外在表現(xiàn)。基于此，本文提出采用宏細(xì)觀力學(xué)方法相結(jié)合的方法，對溫拌瀝青混凝土材料的力學(xué)性能和破壞過程進(jìn)行研究，創(chuàng)新溫拌瀝青混凝土設(shè)計的研究方法。該研究方法在進(jìn)行溫拌再生瀝青混合料宏觀路用性能研究時仍然采用瀝青混和料傳統(tǒng)的室內(nèi)試驗設(shè)備和方法；而進(jìn)行細(xì)觀結(jié)構(gòu)研究時，則重在將試驗觀測、數(shù)值模擬和計算分析綜合應(yīng)用。

4.結(jié)束語

本文在分析傳統(tǒng)再生瀝青混合料設(shè)計方法存在的問題的基礎(chǔ)上，提出采用宏細(xì)觀力學(xué)相結(jié)合的方法進(jìn)行溫拌瀝青再生混合料設(shè)計。該方法將宏細(xì)觀力學(xué)方法及圖像處理技術(shù)綜合應(yīng)用，深入探討溫拌瀝青混合料細(xì)觀結(jié)構(gòu)與宏細(xì)觀力學(xué)性能及路用性能之間的關(guān)系，以優(yōu)化溫拌瀝青混合料設(shè)計方法，促進(jìn)溫拌再生瀝青混合料這種綠色環(huán)保材料的研究、應(yīng)用與推廣。

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基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)教育廳自然科學(xué)基金項目（編號：NJZY260）。內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)校創(chuàng)新團(tuán)隊發(fā)展計劃（編號：NMGIRT-B1611）。