基于界面力学模型的环氧沥青混凝土蠕变行为研究

蒋梦雅 王彬彬

（1 江苏建筑职业技术学院， 徐州 221000；2 徐州地铁运营有限公司， 徐州 221000）

0 引言

环氧沥青混凝土是一种新型热固性材料，不同级配及材料的的环氧沥青混凝土表现出的蠕变行为不同。细观尺度下环氧沥青砂浆与集料间的界面特性影响着混凝土的蠕变特性。为了更好的研究界面特性对环氧沥青混凝土蠕变性能的影响，本研究以细观尺度下界面行为为切入点，研究环氧沥青砂浆和矿料界面行为规律。目前环氧树脂沥青-矿料界面行为与细微观结构研究开展较少，多集中于沥青-矿料的研究。

1 界面力学模型

界面行为一直是复合材料领域研究热点，通过界面行为的研究，建立材料的微观结构与宏观力学性能关系，揭示复合材料的强度机理。目前沥青-集料界面多采用粘弹、粘弹塑以及内聚力等力学模型模拟界面及细观损伤等特征。Romanoschi等[1]研究了集料与沥青界面的模量、抗剪强度和摩擦系数3个参数对混合料力学性能的影响。延西利等[2]采用不同温度和加载速率进行界面剪切试验，通过数值模拟建立界面一元非线性黏塑模型。综合上述模型，为了简化计算，本研究参照 Qu[3]提出的弱界面线性弹性模型进行计算。

其中：是克罗内克函数，α、β分别表示界面切线和法线方向的系数。

为了简化计算，取β=0。不难看出，α=0代表界面完全粘结，而α→ 表示界面完全剥离。

2 试验方案设计

本研究分别进行环氧沥青砂浆和环氧沥青混合料的配合比设计，确定油石比和油砂比，计算出不同材料的组成质量，然后设计环氧沥青砂浆（EAM）和环氧沥青混合料（EAC）的蠕变试验方案，开展单轴压缩蠕变试验研究。

本试验采用万能材料试验机（MTS-810）对不同材料进行单轴压缩蠕变试验，制作直径为圆柱体试件，试验温度为20℃，40℃和60℃。加载速率为50 mm/min。试验过程参照《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》JTJ052-2011。

3 数值模拟分析

用CCD数字图像法对环氧沥青混合料的断面进行采集，并进行图像去噪、图像二值化及图像矢量化等处理，将矢量信息导入到有限元中，设置不同的参数等，建立其有限元模型，如图1所示。

将建立的环氧沥青砂浆与集料界面数值模型代入，进行虚拟实验，并与宏观蠕变试验结果进行对比分析，如图2所示。“T”表示试验值，“M”表示数值模拟值。

图1 环氧沥青混凝土断面图与数值模型图

图2 环氧沥青混凝土蠕变变形

由图2不难看出：

（1）环氧沥青混凝土的蠕变变形随着时间的增长在不断增加，且蠕变前期蠕变变形飞跃式增长，蠕变中期变形缓慢增加，到蠕变后期，变形增长非常缓慢。

（2）温度对环氧沥青混凝土的蠕变变形影响很大，温度越高，蠕变变形越大，且加载1小时后，40℃和60℃的蠕变变形仍有增长的空间，根据曲线初步判断其未到蠕变后期。

（3）考虑界面线弹性模型所建立的数值模型的模拟结果，和试验值较为接近，但是仍存在一定的误差。分析其原因是，模型未考虑温度对界面的影响，且该模型为弹性模型，环氧沥青砂浆和集料间可能存在粘弹性的作用行为。

4 结论

本研究进行室内试验与数值模拟虚拟实验，对比发现：温度对环氧沥青混凝土的蠕变变形影响很大，温度越高，蠕变变形越大；考虑界面线性弹性模型所建立的数值模拟结果，和试验值较为接近，但是仍存在一定的误差。究其原因，模型未考虑温度对界面的影响，且环氧沥青砂浆和集料间可能存在损伤或者其他力学行为。

[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,艾涛,等.基于沥青与石料界面剪切的黏塑性流变模型研究[J].土木工程学报, 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