基于界面力學(xué)模型的環(huán)氧瀝青混凝土蠕變行為研究

蔣夢(mèng)雅 王彬彬

（1 江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 徐州 221000；2 徐州地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司， 徐州 221000）

0 引言

環(huán)氧瀝青混凝土是一種新型熱固性材料，不同級(jí)配及材料的的環(huán)氧瀝青混凝土表現(xiàn)出的蠕變行為不同。細(xì)觀尺度下環(huán)氧瀝青砂漿與集料間的界面特性影響著混凝土的蠕變特性。為了更好的研究界面特性對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土蠕變性能的影響，本研究以細(xì)觀尺度下界面行為為切入點(diǎn)，研究環(huán)氧瀝青砂漿和礦料界面行為規(guī)律。目前環(huán)氧樹(shù)脂瀝青-礦料界面行為與細(xì)微觀結(jié)構(gòu)研究開(kāi)展較少，多集中于瀝青-礦料的研究。

1 界面力學(xué)模型

界面行為一直是復(fù)合材料領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，通過(guò)界面行為的研究，建立材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能關(guān)系，揭示復(fù)合材料的強(qiáng)度機(jī)理。目前瀝青-集料界面多采用粘彈、粘彈塑以及內(nèi)聚力等力學(xué)模型模擬界面及細(xì)觀損傷等特征。Romanoschi等[1]研究了集料與瀝青界面的模量、抗剪強(qiáng)度和摩擦系數(shù)3個(gè)參數(shù)對(duì)混合料力學(xué)性能的影響。延西利等[2]采用不同溫度和加載速率進(jìn)行界面剪切試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)值模擬建立界面一元非線性黏塑模型。綜合上述模型，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本研究參照 Qu[3]提出的弱界面線性彈性模型進(jìn)行計(jì)算。

其中：是克羅內(nèi)克函數(shù)，α、β分別表示界面切線和法線方向的系數(shù)。

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，取β=0。不難看出，α=0代表界面完全粘結(jié)，而α→ 表示界面完全剝離。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本研究分別進(jìn)行環(huán)氧瀝青砂漿和環(huán)氧瀝青混合料的配合比設(shè)計(jì)，確定油石比和油砂比，計(jì)算出不同材料的組成質(zhì)量，然后設(shè)計(jì)環(huán)氧瀝青砂漿（EAM）和環(huán)氧瀝青混合料（EAC）的蠕變?cè)囼?yàn)方案，開(kāi)展單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)研究。

本試驗(yàn)采用萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)（MTS-810）對(duì)不同材料進(jìn)行單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)，制作直徑為圓柱體試件，試驗(yàn)溫度為20℃，40℃和60℃。加載速率為50 mm/min。試驗(yàn)過(guò)程參照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》JTJ052-2011。

3 數(shù)值模擬分析

用CCD數(shù)字圖像法對(duì)環(huán)氧瀝青混合料的斷面進(jìn)行采集，并進(jìn)行圖像去噪、圖像二值化及圖像矢量化等處理，將矢量信息導(dǎo)入到有限元中，設(shè)置不同的參數(shù)等，建立其有限元模型，如圖1所示。

將建立的環(huán)氧瀝青砂漿與集料界面數(shù)值模型代入，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，并與宏觀蠕變?cè)囼?yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如圖2所示。“T”表示試驗(yàn)值，“M”表示數(shù)值模擬值。

圖1 環(huán)氧瀝青混凝土斷面圖與數(shù)值模型圖

圖2 環(huán)氧瀝青混凝土蠕變變形

由圖2不難看出：

（1）環(huán)氧瀝青混凝土的蠕變變形隨著時(shí)間的增長(zhǎng)在不斷增加，且蠕變前期蠕變變形飛躍式增長(zhǎng)，蠕變中期變形緩慢增加，到蠕變后期，變形增長(zhǎng)非常緩慢。

（2）溫度對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土的蠕變變形影響很大，溫度越高，蠕變變形越大，且加載1小時(shí)后，40℃和60℃的蠕變變形仍有增長(zhǎng)的空間，根據(jù)曲線初步判斷其未到蠕變后期。

（3）考慮界面線彈性模型所建立的數(shù)值模型的模擬結(jié)果，和試驗(yàn)值較為接近，但是仍存在一定的誤差。分析其原因是，模型未考慮溫度對(duì)界面的影響，且該模型為彈性模型，環(huán)氧瀝青砂漿和集料間可能存在粘彈性的作用行為。

4 結(jié)論

本研究進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)與數(shù)值模擬虛擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)：溫度對(duì)環(huán)氧瀝青混凝土的蠕變變形影響很大，溫度越高，蠕變變形越大；考慮界面線性彈性模型所建立的數(shù)值模擬結(jié)果，和試驗(yàn)值較為接近，但是仍存在一定的誤差。究其原因，模型未考慮溫度對(duì)界面的影響，且環(huán)氧瀝青砂漿和集料間可能存在損傷或者其他力學(xué)行為。

[1]Romanoschi S. A.,Metcalf J.B. Characterization of asphalt concrete layerinterfaces[C]. Transportation Research Record,Washington D.C.:TRB, 2001, 1778(1):132-139

[2]延西利,梁春雨,艾濤,等.基于瀝青與石料界面剪切的黏塑性流變模型研究[J].土木工程學(xué)報(bào), 2014, 47(2): 136-144

Qu J. Eshelby Tensor for an Elastic Inclusion With Slightly Weakened Interface[J].Journal of Applied Mechanics, 1993, 60(4):1048