瀝青混合料破壞模式的研究

老國(guó)健

(大廣高速公路有限公司，廣州 510055)

瀝青混合料破壞模式的研究

老國(guó)健

(大廣高速公路有限公司，廣州 510055)

為了探究瀝青混合料的破壞模式，研究從粘彈性材料的破壞理論為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)Maxwell元件分析瀝青混合料與能量之間的平衡關(guān)系，得出了瀝青混合料破壞模式取決于加載時(shí)間t和材料固有時(shí)間之間的比例關(guān)系的結(jié)論。

瀝青混合料；力學(xué)損傷、破壞模式

0引言

瀝青路面在使用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣的破壞以及損傷，對(duì)于傳統(tǒng)材料的破壞研究大都基于水泥混凝土的脆性破壞以及軟鋼的延性破壞兩大代表性破壞模式。然而瀝青混合料屬于粘彈性材料，其強(qiáng)度特性在不同溫度、不同加載速度的條件下表現(xiàn)的較為復(fù)雜所以，對(duì)于該類粘彈性材料不能硬性的套用脆性破壞及延性破壞的模式。本文以現(xiàn)有的粘彈性材料的破壞損傷理論為出發(fā)點(diǎn)，研究瀝青混合料的破壞模式。

1粘彈性材料破壞理論

在眾多的粘彈性材料破壞理論中，以相同的加載速度，不同的溫度范圍的條件下產(chǎn)生的不同破壞模式作為分類的理論適合類似于瀝青混合料等無(wú)定型聚合物的工程特性及力學(xué)特點(diǎn)。破壞模式示意圖如下圖1所示

粘彈性材料在不同的溫度下，破壞階段與類型大體可以分為硬玻璃態(tài)、軟玻璃態(tài)、皮革態(tài)、橡膠態(tài)和半固態(tài)等。具體特點(diǎn)如下所示：

硬玻璃態(tài)階段：材料在拉伸時(shí)應(yīng)力迅速增加到最大值，斷裂隨即發(fā)生，所以斷裂應(yīng)變很小，拉伸破壞斷面一般與軸線垂直。

軟玻璃態(tài)階段：材料表現(xiàn)為高彈變形，其斷裂應(yīng)變略大于硬玻璃態(tài)，但破壞以脆性為主。

皮革態(tài)階段：該破壞模式發(fā)生了鏈段運(yùn)動(dòng)，材料分子在應(yīng)力作用下發(fā)生取向、伸長(zhǎng)、或者是流動(dòng)，其破壞具有明顯的塑性。

橡膠態(tài)階段：材料鏈段能夠自由的運(yùn)動(dòng)，破壞應(yīng)變達(dá)1000%。

半固態(tài)階段：當(dāng)材料溫度達(dá)到一定水平時(shí)，材料破壞表現(xiàn)為半固態(tài)，如上圖1中曲線e所示。

2瀝青混合料的破壞模式分析

根據(jù)上述粘彈性材料的破壞理論，結(jié)合瀝青混合料的工作溫度范圍，不難得出瀝青混合料是一個(gè)能量平衡的過(guò)程。在整個(gè)破壞過(guò)程中，外力做功的一部分作為了彈性應(yīng)變儲(chǔ)存，另外一部分則伴隨著流動(dòng)變形的熱能被消耗。其中當(dāng)材料表面發(fā)生微笑裂縫時(shí)，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為表面能。如此一來(lái)，當(dāng)彈性應(yīng)變能累積并超過(guò)材料的容許極限，材料則會(huì)發(fā)生斷裂，形成新的表面能。

這里可以采用Maxwell元件分析瀝青混合料與能量之間的平衡關(guān)系。假定Maxwell元件被以應(yīng)變速度∈拉伸，從時(shí)刻t=t0開(kāi)始，固定應(yīng)變?yōu)槌?shù)，則當(dāng)∈=∈0時(shí)，Maxwell元件內(nèi)的應(yīng)力為：

Maxwell元件的總能量可以表示為：

元件損耗能量只與粘度有關(guān)，且可以按照下式進(jìn)行計(jì)算：

將Maxwell元件內(nèi)的應(yīng)力帶入上式：

能量損耗隨時(shí)間的增加而增加。假設(shè)材料在t=t0時(shí)刻破壞，能量損耗僅與的比例相關(guān)。當(dāng)ffffd5時(shí)，輸入的能量全部消耗與流動(dòng)變形，材料基本上呈流動(dòng)性破壞。

瀝青混合料破壞模式取決于加載時(shí)間t和材料固有時(shí)間之間的比例關(guān)系。假定瀝青混凝土在一定的應(yīng)變水平破壞，高水平的應(yīng)變速率代表的加載時(shí)間較短，瀝青混合料發(fā)生脆性破壞，低水平的應(yīng)變速率對(duì)應(yīng)的加載時(shí)間長(zhǎng)，瀝青混合料呈流動(dòng)性破壞。所以加載速度是瀝青混合料破壞模式

3 瀝青混合料破壞模式

根據(jù)上面的分析與總結(jié)，現(xiàn)得出瀝青混合料的破壞模式，如下圖2所示。

圖2 瀝青混合料的破壞模式

[1] 李娜, 韓森, 王海峰. 瀝青混合料抗剪強(qiáng)度參數(shù)影響因素分析研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 32(2)∶ 41-45.

[2] 呂文江, 韓君良, 郭平等. 瀝青混合料抗剪強(qiáng)度的影響因素分析[J].公路, 2010, 11∶ 81-85.

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1007-6344（2015）06-0046-02