鋼渣瀝青混凝土的疲勞性能及應(yīng)變探討范文

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【摘要】本文采用等體積代換法設(shè)計(jì)鋼渣瀝青混凝土配合比，應(yīng)用間接拉伸疲勞試驗(yàn)對(duì)比了鋼渣瀝青混凝土與普通瀝青混凝土的疲勞性能，通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）方法研究了兩種瀝青混凝土在疲勞過(guò)程中的應(yīng)變變形積累。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用鋼渣代替天然集料后，顯著提高了瀝青混凝土的抗變形能力和抗疲勞性能，以細(xì)鋼渣代替天然細(xì)集料的性能提升效果最為顯著。

【關(guān)鍵詞】瀝青混凝土；疲勞性能；數(shù)字圖像相關(guān)方法；鋼渣骨料

1前言

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)［1］，2014年，我國(guó)生產(chǎn)粗鋼8．22億噸，按照上述的粗鋼與鋼渣的轉(zhuǎn)換關(guān)系計(jì)算，2014年我國(guó)生產(chǎn)鋼渣約1．1億噸，截止目前，全國(guó)鋼渣累計(jì)堆存近10億噸。不僅占用大量的土地面積，而且造成生態(tài)環(huán)境的嚴(yán)重破壞。如何提高利用率、充分有效地應(yīng)用鋼渣是目前面臨的一個(gè)難題［2］。為了有效利用鋼渣，考慮把鋼渣應(yīng)用于各個(gè)方面，如把鋼渣應(yīng)用于砌筑砂漿［3］、土壤改良劑［4］、水泥混凝土［5］、礦山處理排水的濾床［6］和建筑材料［7］，由于鋼渣的體積不穩(wěn)定性限制了其應(yīng)用［8］。但鋼渣具有良好的粘附性、棱角性和耐磨性等［9－10］，且瀝青包裹后能防止鋼渣膨脹，可把鋼渣用于瀝青路面的穩(wěn)定碎石層［11］、超薄抗滑層［12］等道路材料。合理有效地把鋼渣應(yīng)用于瀝青路面中代替部分天然集料，既節(jié)約資源又減少其對(duì)環(huán)境的污染［10］。為了能更好地把鋼渣應(yīng)用于瀝青混凝土路面建設(shè)，研究者從不同的角度研究和評(píng)價(jià)了鋼渣應(yīng)用于瀝青混凝土的性能及影響。MarcoPasetto［11］使用兩種不同類型的電爐渣代替天然骨料應(yīng)用于柔性路面組成中的基層和路面基層瀝青混凝土，試驗(yàn)結(jié)果表明鋼渣用于公路建設(shè)使機(jī)械性能有很大提高。AhmedEbrahimAbuEI－MaatyBehiry［12］用理論分析的方法來(lái)估計(jì)瀝青混凝土路面的抗疲勞性能，通過(guò)鋼渣瀝青混凝土和石灰?guī)r瀝青混凝土對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明鋼渣的摻入有助于瀝青混凝土性能的提高。吳少鵬等人［13］采用片麻巖作為粗集料，細(xì)鋼渣作為細(xì)集料進(jìn)行馬歇爾的基本試驗(yàn)，表明細(xì)鋼渣的加入對(duì)提高瀝青混凝土水穩(wěn)定性等有顯著作用；還把鋼渣作為粗集料制備SMA混合料，通過(guò)和玄武巖作為骨料的SMA混合料進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果顯示，鋼渣作為粗集料的SMA混合料滿足相關(guān)規(guī)范要求，相對(duì)于玄武巖，鋼渣作為骨料的SMA混合料的高溫性能和低溫抗開裂性能均得到改善［14］。但不同鋼鐵廠不同工藝產(chǎn)生的鋼渣性能各異，昆鋼鋼渣游離氧化鈣含量不高但其固溶在RO相中，很難消解，長(zhǎng)時(shí)間的陳化處理后體積穩(wěn)定性不良。

本文針對(duì)昆鋼鋼渣的特點(diǎn)，對(duì)其替代普通集料后形成的瀝青混凝土的疲勞性能進(jìn)行了研究。瀝青混凝土是由集料、瀝青和空隙組成的三相復(fù)合材料，其性能取決于集料形狀及空間分布、空隙率大小［15］和瀝青的性能［16］，簡(jiǎn)言之，瀝青混凝土性能主要取決于集料特性和瀝青性能。集料是瀝青混凝土的重要組成部分，集料的組成和特性影響著瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能的優(yōu)化，一直成為研究的熱點(diǎn)。瀝青混凝土路面的疲勞指標(biāo)也是其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，疲勞性能的評(píng)價(jià)分為外部因素和內(nèi)部因素，外部因素主要為試驗(yàn)方法，試驗(yàn)溫度，加載頻率等，內(nèi)部因素有瀝青種類及用量、結(jié)構(gòu)類型和集料最大粒徑和集料類型［17］。對(duì)目前室內(nèi)瀝青混合料疲勞試驗(yàn)方法的對(duì)比和分析，由于間接拉伸疲勞試驗(yàn)以其抗壓應(yīng)力并存下的拉應(yīng)力破壞模式更適合路面的應(yīng)力狀態(tài)，而被看好用于評(píng)價(jià)瀝青混凝土疲勞力學(xué)性能，可作為本試驗(yàn)的試驗(yàn)方法。傳統(tǒng)疲勞力學(xué)性能的分析方法較多，但大多方法用于均質(zhì)材料，對(duì)非均質(zhì)材料的分析存在一定的局限性［18］。研究表明，由于DIC方法對(duì)材料的疲勞裂紋分析具有理論意義和應(yīng)用價(jià)值［19］，在材料力學(xué)性能分析上得到了很好的應(yīng)用。本文對(duì)不同形狀的集料，在相同的級(jí)配下成型試件進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)方法對(duì)試件中心區(qū)域的變形進(jìn)行分析，根據(jù)試件位移場(chǎng)應(yīng)變場(chǎng)的變化信息，得到不同類型瀝青混凝土應(yīng)變變化累積過(guò)程。通過(guò)本試驗(yàn)為鋼渣科學(xué)有效的應(yīng)用到道路建設(shè)中提供一定的參考價(jià)值。

2原材料及樣品制備

2．1原材料的選取本試驗(yàn)所用試件均采用高富牌90＃A級(jí)石油瀝青，表1為瀝青試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果。鋼渣來(lái)自昆鋼，石料來(lái)自同一石場(chǎng)。表2為粒徑9．5～13．2mm的粗集料試驗(yàn)結(jié)果，原材料選定符合《公路工程集料試驗(yàn)規(guī)》（JTGE42－2005）［20］要求。

2．2樣品的制備本試驗(yàn)選取AC－13瀝青混凝土進(jìn)行試驗(yàn)。為粗細(xì)鋼渣瀝青混凝土與普通瀝青混凝土外觀形貌圖，其外觀具有明顯的區(qū)別。圖2（a）用細(xì)鋼渣代替天然細(xì)集料制備的AC－13試件，粗骨料被含細(xì)鋼渣的瀝青膠漿充分地推擠開，細(xì)鋼渣與瀝青形成瀝青膠漿起到很好地填充作用。圖2（b）用粗鋼渣代替天然粗集料制備的試件，細(xì)集料與瀝青形成的瀝青膠漿很好地填充在骨料之間，形成很好的裹覆作用，但從該試件表面看出，粗鋼渣內(nèi)部有大量的空隙和表面呈凹凸不平狀，很少有尖銳的棱角出現(xiàn)，有利于增強(qiáng)粗骨料和瀝青、瀝青膠漿之間相互的粘結(jié)力和裹覆力。圖2（c）用普通瀝青混凝土試件粗集料形狀較為規(guī)則，表面較平整，尖銳棱角存在較多。

3試驗(yàn)

3．1疲勞性能試驗(yàn)本試驗(yàn)選用應(yīng)力控制模式進(jìn)行間接拉伸疲勞試驗(yàn)，采用UTM－30試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)前，試件置于環(huán)境箱中（設(shè)置目標(biāo)溫度20℃）保溫4h［21］。在20℃下進(jìn)行試驗(yàn)，控制前10次循環(huán)初始微應(yīng)變?cè)?00～400με之間［21］，初估瀝青混凝土的泊松比為0．35［22］。為了保持試件與加載條之間的良好接觸，施加豎向接觸力，根據(jù)SHRP對(duì)間接拉伸試驗(yàn)接觸力大小的推薦，在20℃時(shí)，10％的接觸力對(duì)試件造成較為明顯的蠕變變形，未加載時(shí)，位移傳感器很難達(dá)到穩(wěn)定，會(huì)有明顯的漂動(dòng)［23］。采用最大荷載的4％，但不能小于22．2N，不能超過(guò)89N［24］。所以本試驗(yàn)設(shè)置接觸力為50N。根據(jù)規(guī)范［21］經(jīng)多次調(diào)試，選用拉伸應(yīng)力為600KPa。波形為非連續(xù)半正弦波，加載100ms，間歇400ms。

3．2DIC測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建試驗(yàn)中數(shù)字圖像測(cè)試系統(tǒng)組成有高速攝像機(jī)、Vic－2D分析軟件、冷光源和計(jì)算機(jī)。制作試件表面散斑，安置冷光源，調(diào)試DIC測(cè)試系統(tǒng)，最后對(duì)試件的加載變化過(guò)程進(jìn)行圖像采集。

4試驗(yàn)結(jié)果及分析

4．1體積指標(biāo)測(cè)定應(yīng)用水中重法測(cè)定試件的體積參數(shù)，部分試件體積參數(shù)如表4所示。表中數(shù)據(jù)為測(cè)定最終配合比成型試樣所得，鋼渣取代粗細(xì)集料采用等體積代換，表中列出相同配合比下部分瀝青混凝土的體積參數(shù)。

4．2間接拉伸回彈應(yīng)變及回彈模量分析

4．3變形及應(yīng)變?cè)茍D分析數(shù)字圖像相關(guān)方法是一種基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)原理、數(shù)字圖像處理和數(shù)值計(jì)算的、非接觸、非干涉、全場(chǎng)變形光學(xué)計(jì)量方法，是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)力學(xué)領(lǐng)域最活躍、最受關(guān)注、應(yīng)用最廣泛的光測(cè)力學(xué)方法之一。本文通過(guò)數(shù)字圖像相關(guān)方法對(duì)瀝青混凝土試件進(jìn)行局部（中心區(qū)域）應(yīng)變分析，其變形與應(yīng)變?nèi)缦滤觥D6為粗鋼渣瀝青混凝土試件X方向應(yīng)變Exx變化云圖。間接拉伸的拉伸應(yīng)力理論上從試件中心區(qū)域向兩邊遞減，中心區(qū)域存在較大的拉伸應(yīng)力，產(chǎn)生較大的變形。圖中可見，試件中部存在較大的應(yīng)變，說(shuō)明此處試件變形較大，并且變形主要集中在瀝青膠漿及骨料和瀝青的界面處，因骨料的形狀不規(guī)則，在骨料之間的膠漿區(qū)域或骨料與膠漿的界面處存在應(yīng)變集中現(xiàn)象，且在該區(qū)域有較大的應(yīng)力作用，故在疲勞應(yīng)力荷載交替循環(huán)下極易產(chǎn)生裂紋。從圖中還可看出，試件疲勞應(yīng)變?cè)诩虞d過(guò)程中逐漸累積，試件中部變形最大，形成接近帶狀的應(yīng)變集中區(qū)，并沿兩側(cè)逐漸減弱，與試件理論上所受間接拉伸應(yīng)力分布相一致，帶狀區(qū)形狀與試件疲勞裂紋的形成及擴(kuò)展路徑一致。

普通瀝青混凝土試件在加載過(guò)程中，垂直方向中部應(yīng)變明顯，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，其最大應(yīng)變發(fā)生在瀝青與細(xì)集料形成的瀝青膠漿區(qū)域，其次出現(xiàn)在膠漿與骨料的交界面上。由于天然集料大多為機(jī)制而成，棱角尖銳，導(dǎo)致應(yīng)力作用增大，在相同的應(yīng)力水平，疲勞應(yīng)變累積速率增大，導(dǎo)致裂紋的形成較早，擴(kuò)展較劇烈，疲勞壽命縮減。從圖8中可以看出，細(xì)鋼渣瀝青混凝土疲勞應(yīng)變出現(xiàn)區(qū)域及應(yīng)力集中區(qū)域與圖6和圖7存在很大的差異，應(yīng)變?cè)跒r青膠漿和骨料交界面處較大，疲勞過(guò)程中應(yīng)力較大區(qū)域首次出現(xiàn)并不在試件中心區(qū)域，隨著加載的進(jìn)行，應(yīng)力最大區(qū)域出現(xiàn)在試件中心部位，并不斷的累積，與圖6和圖7應(yīng)變?cè)茍D對(duì)比，相同循環(huán)荷載作用下，應(yīng)變分布存在很大的差異，即最大應(yīng)變并未出現(xiàn)在瀝青膠漿區(qū)域。圖8應(yīng)力集中區(qū)域較為分散，應(yīng)力作用下形成分散的裂紋，然后分散裂紋繼續(xù)擴(kuò)展形成貫穿裂紋。數(shù)字散斑相關(guān)方法得到的應(yīng)變場(chǎng)的最大路徑與實(shí)際裂縫發(fā)生的位置基本一致，表明數(shù)字散斑相關(guān)方法是獲取瀝青混凝土試件表面真實(shí)應(yīng)變分布狀態(tài)的有效方法。由DIC方法清晰地看出試件表面應(yīng)力應(yīng)變的積累變化過(guò)程，鋼渣瀝青混凝土和普通瀝青混凝土最大的應(yīng)變都在瀝青膠漿區(qū)域，其次為瀝青膠漿和集料的界面處，在相同的循環(huán)次數(shù)下，細(xì)鋼渣瀝青混凝土的應(yīng)變集中區(qū)分散，未形成明顯的擴(kuò)展路徑。

5結(jié)論

1．裂紋穩(wěn)定擴(kuò)展階段對(duì)試件的疲勞壽命長(zhǎng)短起著關(guān)鍵性作用，試件抗變形能力：細(xì)鋼渣瀝青混凝土＞粗鋼渣瀝青混凝土＞普通瀝青混凝土。2．試件破壞發(fā)生在應(yīng)變較大的中心區(qū)域，破壞路徑與DIC方法所得的較大應(yīng)變集中分布帶基本一致。裂紋大多先出現(xiàn)在膠漿與骨料的交界面應(yīng)力集中較大處，產(chǎn)生較大應(yīng)變，應(yīng)變隨即向膠漿中心區(qū)域擴(kuò)散，導(dǎo)致最終的破壞路徑出現(xiàn)在試件中心區(qū)域，并在膠漿區(qū)域或膠漿與骨料的交界面形成破壞路徑。3．鋼渣取代部分天然粗集料和細(xì)集料，在相同的試驗(yàn)條件下，鋼渣瀝青混凝土的疲勞壽命得到了大幅的提高，其中以細(xì)鋼渣取代細(xì)集料所制試件效果最為顯著。將昆鋼鋼渣運(yùn)用于瀝青路面中在其力學(xué)性能上與天然集料瀝青路面相比有著很好的應(yīng)用前景。

作者：劉興姚1，2;顏峰1，2;郭榮鑫1，2;聶秀孜1;余德品3;王川1，2;林志偉1，2;師成潔1，2 單位：1．昆明理工大學(xué)，2．云南省土木工程防災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，3.云南昆鋼工業(yè)廢渣利用開發(fā)有限公司