试谈集料沥青混合料力学性能与集料形状联系

1.引言
沥青混合料是由粗细集料、填料和沥青按一定级配、配比拌和而成的混合料，其中沥青、填料及细集料形成的胶浆主要是提供沥青路面的抗拉应力及弯拉应力。对于抵抗因车轮荷载水平力作用而产生的剪应力及因垂直力作用而产生的压应力主要是由集料间的骨架嵌挤产生的内摩阻力来提供。随着近年沥青混合料级配向多孔隙、大粒径的间断级配发展，集料在混合料中的作用越来越突出。集料不仅形状复杂，且集料的纹理、吸附性、抗压强度等很多因素都能影响混合料的力学性能。Vallerga 曾研究了集料的尺寸、形状、表面粗糙度对沥青混合料稳定度的影响。但是集料级配及几何形态的变化不只是简单地使混合料的某项力学指标增大或减小。例如，沥青混合料内摩擦角对级配的影响不太敏感[3]。本文从沥青混合料的细观结构出发，建立集料数学模型，进一步对沥青混合料的细观力学性能进行研究。
2 计算模型与参数
建模时把沥青混合料看作由粗集料、空隙和沥青胶浆组成的三相非均质复合材料，各相符合弹脆性材料的假设，各相的应力应变关系均为线弹性。对沥青混合料试件进行二维（50mm×100mm）模拟，采用的力学参数见表1。模型底面采用固定约束，左右两侧只在X方向有约束，顶端施加竖向载荷0.7MPa。
由胶浆和集料组成的二相复合材源于：论文摘要范文www.618jyw.com
料的等效模量为：
（1）
式中： 、是集料和胶浆的体积百分比；、、分别为沥青混合料、集料、沥青胶浆的弹性模量。
根据公式（1），己知集料和沥青混合料的弹性模量计算出沥青胶浆的弹性模量。沥青混合料弹模根据单轴压缩变形试验确定，计算得沥青胶浆弹性模量在75MPa～150MPa之间，取75MPa进行计算。
3 沥青混合料力学性能与集料形状关系研究
沥青混合料集料形状受到母岩材质、破碎工艺等影响，颗粒形态各异，没有统一的形态规格，并难以充分准确地描述和定义，一般认为较为理想的粗集料颗粒形状接近于球体或正多面体。荷载作用下，沥青混合料中各集料颗粒相互作用，为了探求集料相互作用时，其形状和表面特征在混合料力学性能中的作用，建立两组形状不同数量相同的多颗粒模型，施加同样的竖向均布荷载，各应力云图分别如图1和图2所示，数据见表2与图3。
（a）圆形颗粒 （b）六边形颗粒 （a）圆形颗粒 （b）六边形颗粒
图1 200个不同形状的 图2 100个不同形状的
集料颗粒填充模型剪应力云图 集料颗粒填充模型剪应力云图
（a） 集料数量为200 （b） 集料数量为100
图3 集料数量不同的六边形与圆形集料颗粒模型的各应力柱状图
由表2与图3看出，圆形集料模型中产生的各向应力明显大于六边形集料模型中的应力。显然集料的破碎面（棱）越少，应力值越大。从细观角度可作如下解释：由于集料的相互嵌挤，在外荷载的作用下，具有多个破碎面的多边形集料间产生强大的嵌挤力和摩擦力，起到承担混合料大部分压应力和剪应力载荷的结构性作用。对于圆形集料来说缺少了这种嵌挤力，难以承担抵抗应力作用，所以应力响应相当大。从图1、图2中可以看出对于距离较近的集料，尤其当两碎石集料的尖端相对时，其附近胶浆区域的剪应力值很大，有应力集中倾向。即使模型承受较小的荷载时，其接触点处的应力值也可能相当大，因此，集料颗粒间的接触点处会产生明显的应力集中。多颗集料时，这种“应力集中”将是混合料的破坏主要因素。接触点的稳定度直接决定了骨架结构混合料的稳定性。
4 结语
本文建立集料数值模型，研究集料形态对沥青混合料力学性能的影响。结果表明，在混合料承受外界荷载时，骨架结构成为受力的主体，集料的性能对混合料抗压强度及弹性模量起决定性作用。沥青混合料的破坏主要是由颗粒间的接触点处的明显的“应力集中”产生的。在长期使用过程中，混合料内部集料间的接触点将承受较严峻的考验。集料的破碎面越少，应力值越大；混合料中剪应力分布在很大程度上取决于集料颗粒的形状，尤其是集料尖端相邻处剪应力极大。