橡胶颗粒沥青混合料的受力及变形微观分析

袁 涛

(湖南常德路桥建设集团有限公司，湖南 常德 415100)

0 引言

橡胶颗粒沥青混合料是以废旧轮胎破碎而成的颗粒作为骨料，用来替代部分集料的一种新型路面材料［1，2］。该混合料中橡胶颗粒的弹性能力较好，降低路面与冰雪的粘结状态，可有效抑制路面冰雪和解决废旧轮胎污染等问题［3］。目前，橡胶颗粒沥青混合料应用于路面建设时主要存在早期病害频繁、使用寿命短等问题，究其原因是设计沥青混合料时大多从宏观角度出发，研究方向偏重于混合料的孔隙率、高低温、抗水损害等指标，并未从微观角度分析混合料的结构构成及其性能，故本质上无法准确得出不同宏观力学性能的差异［4］。因此，本文通过以R－SMA－16、R－AC－16 两种级配类型的橡胶颗粒沥青混合料作为研究对象，建立离散元微观模型，分析了荷载作用下橡胶颗粒沥青混合料的受力以及变形。

1 试验方案及建模

1.1 试验建模方法

试验基于随机抽样原理，分别采用细观建模法、蒙特卡罗法建立橡胶颗粒沥青混合料的离散元模型和随机模型［5，6］。该方法的原理是以沥青混合料的空隙率和级配比例方案为基础，根据模型计算区域内沥青混合料的孔隙率随机得出各种类型集料的相应坐标位置，用来模拟沥青混合料的内部微观构成，并利用离散元软件PFC2D 随机生成各集料的颗粒。在计算过程中，本次试验采用二维模型进行计算，降低了运算工作量，便于分析橡胶颗粒沥青混合料受轮载产生的作用力及变形。

1.2 模型的建立

在计算沥青混合料中各集料的颗粒数量时，本次试验以离散元理论为依据，在一定的计算面积、孔隙率以及设计级配方案前提条件下，根据以下公式分别对各种集料进行计算。

假设各集料颗粒集合体分布于计算区域的总面积为A，则其空隙率n 可表示为:

式中:R 表示颗粒半径;AP为区域内全部颗粒的面积之和。

将公式(1)、(2)、(3)进行推导，可得:

式中:Rmin为最小的颗粒半径;Rmax为最大的颗粒半径。

根据《公路沥青路面设计规范(JTGD50－2006)》的要求［7］，本次试验以BZZ－100 作为行车的标准轴载，轮胎压力和轴重分别设定为0.7 MPa、100 kN，前后车轮的间距为0.32 m，轮胎接触路面的区域简化为面积等于3.61 cm2的正方形。选择研究对象时，本次试验采取对称原则，将前后轮的中心设定为对称面，并取其长为360 mm，深为40 mm的区域作为二维计算模型，在计算过程中，混合料深度方向以路面上面层为参考依据。

本次试验选用R－SMA－16 间断级配和R－AC－16 连续级配的橡胶颗粒沥青混合料作为研究对象，设计的级配方案如表1 所示。

表1 R－SMA－16 与R－AC－16 的级配方案

由式(4)、(5)计算得出，连续级配R－AC－16与间断级配R－SMA－16 生成的各集料颗粒单元个数分别约为6 349、8 118。通过PFC2D 离散元软件随机生成的试验模型分别如图1、图2 所示。

图1 间断级配R－SMA－16 试验模型

图2 连续级配R－AC－16 试验模型

在试验模型图1 和图2 中，深蓝色颗粒代表各类粗细集料，浅蓝色小颗粒代表沥青胶结料与粒径更小的细集料，黄色颗粒代表橡胶颗粒。从两种级配类型混合料的模型图可以看出:间断级配RSMA－16 的结构内部含有较多的粗集料，故骨架结构具有良好的密实度;连续级配R－AC－16 的结构内部中细集料明显多于粗集料，相应骨架结构的密实度较差，故结构形式呈悬浮状。在荷载方面上，路面承载的轮胎作用压力由绿色圆形颗粒表示，且轮胎压力与颗粒输入路面表层的压力大小相等。

通过结合裴建中、张肖宁等学者的研究成果［8］，本次试验设定离散元模型中各颗粒的微观参数如表2 所示。

表2 离散元模型的微观参数

2 沥青混合料的受力变形分析

为了确保初始状态下离散元模型的平衡，消除不平衡力，试验前对模型施加一定循环步，并将轮胎竖向承载力输入模型内的计算区域。在模拟试验中，采用FISH 语言将粒径较大的颗粒位移进行约束，以避免个别颗粒发生较大的位移，影响试验的准确性。由于大量不同粒径的颗粒呈无规则形式分散于模型中，无法事先判断出离散元模型处于平衡状态时所需的循环步数。因此，本次试验使用SOLVE命令来衡量离散元模型是否处于稳定状态，并以自身荷载的大小来调整时间步长程序，待循环步数与程序设定相同时，达到稳定状态，离散元模型处于平衡，分析结束。

2.1 受力分析

通过采用离散元软件对橡胶颗粒沥青混合料进行模拟，分别得到间断级配R－SMA－16 与连续级配R－AC－16 内部系统处于平衡状态时的接触力图、力链网络图以及接触力局部放大图如图3 和图4 所示。其中采用线条的粗细程度来表示接触力的大小，线条越粗表示接触力越大。此外，压力和拉力分别采用黑色、红色来表示，橡胶颗粒由图中黄色颗粒来表示。

图3 间断级配R－SMA－16 混合料接触力

图4 连续级配R－AC－16 混合料接触力

根据间断级配R－SMA－16 沥青混合料的接触力(图3)可知，不同粒径的粗细集料组成其内部不同强弱程度的力链;橡胶颗粒由于自身的刚度较小，弹性变形较大，故无法形成受力骨架，不能将其作为沥青混合料内部的传力路径。从接触力局部放大图(图3c)可以看出，沥青混合料内部的强、弱力链与橡胶颗粒无关，而是分别由粒径较大的粗集料与粒径较小的细集料形成。因此，可以判定间断级配R－SMA－16 沥青混合料的受力状态稳定性较差。在连续级配R－AC－16 沥青混合料中，粒径较小的细集料在数量上远多于粒径较大的粗集料，故混合料内部的强力链较少，且大多集中分布于粒径较大的粗集料附近，即表明沥青混合料内部的骨架结构分布情况并不均衡。从图4c 可知，随着沥青混合料中细集料的增多，其内部弱力链分布于整个受力范围内的程度越密。此外，橡胶颗粒也对沥青混合料内部形成弱力链起到辅助作用。

综合以上分析可知，间断级配R－SMA－16 橡胶颗粒沥青混合料中粗集料的含量远多于连续级配R－AC－16，能够形成骨架的嵌挤结构，而级配类型中的橡胶颗粒基本上无法形成力链，这表明粗集料是构成颗粒间传力路径的主要因素，故此类型混合料具有较好的承载能力与路面强度。连续级配RAC－16 橡胶颗粒沥青混合料主要组成部分为不同大小粒径的粗细集料，且由粗细集料构成其内部的传力路径，同时橡胶颗粒也参与了力链的构成，但由于此类型级配混合料中粗集料的含有量较少，导致其强度相对较差，大大降低了路面的承载能力。

2.2 变形位移分析

在离散元法计算过程中，可采用位移重叠来表示颗粒之间的变形程度。根据图3c、图4c 接触力局部放大图可知，在两种级配类型橡胶颗粒沥青混合料中黄色(橡胶)颗粒均出现大量的重叠，但由于橡胶颗粒的强度较低，弹性变形较大，对其施加荷载时，产生的变形程度较大。由接触力局部放大图可知，间断级配R－SMA－16 橡胶沥青混合料内部出现的重叠区域明显大于连续级配R－AC－16 橡胶颗粒沥青混合料，故变形能力前者较大。

3 结论

通过对两种级配类型橡胶颗粒沥青混合料的承载能力和变形能力进行离散元计算分析，得出橡胶颗粒沥青混合料的变形能力较大，承载力较低，在工程运用中应结合实际情况合理选择。

1)橡胶颗粒沥青混合料内部的骨架与强力链主要由粗集料构成。而混合料内部的弱力链由细集料构成，由于橡胶颗粒与周围其他颗粒并未形成粘结，不考虑其形成力链。连续级配橡胶颗粒沥青混合料的承载能力小于间断级配。

2)两种级配类型的橡胶颗粒沥青混合料内部存在重叠区域，故弹性变形程度均较大。但连续级配橡胶颗粒沥青混合料内部出现的重叠区域比间断级配少，表明连续级配橡胶颗粒沥青混合料的变形能力小于间断级配。

［1］李东彪，王国忠，于 敏.橡胶颗粒沥青混合料低温性能影响因素研究［J］.科学技术与工程，2013，13(22):6502－6504.

［2］徐鸥明，韩 森，张洪伟，等.橡胶颗粒沥青混合料抑制结冰试验研究［J］.公路，2010(1):153－156.

［3］满金宝.掺加橡胶颗粒抗冻路面的性能评价研究［J］.中外公路，2011，31(5):225－227.

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［5］孟会林.橡胶颗粒改性沥青混合料室内试验研究［J］.石家庄铁道大学学报(自然科学版)，2011，24(3):106－110.

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［7］张洪伟，陈伦坤，张宝龙，等.抗冻结沥青混凝土路面国内外研究现状与进展［J］.公路，2011(1):135－139.

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