瀝青混合料變形特性

王 嵐，陳 剛，邢永明，胡江三

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

瀝青混合料變形特性

王 嵐，陳 剛，邢永明，胡江三

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古呼和浩特010051）

采用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)對(duì)橡膠粉（CR）改性瀝青混合料和苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物（SBS）改性瀝青混合料進(jìn)行變形場(chǎng)分析，利用Vic-3D圖像處理軟件對(duì)散斑圖像進(jìn)行處理，提取試件表面隨著荷載變化的位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng).通過(guò)預(yù)切口半圓彎拉實(shí)驗(yàn)研究瀝青混合料的斷裂韌性.結(jié)果表明：水平位移變化速率和水平應(yīng)變適用于瀝青混合料裂紋性質(zhì)及斷裂特性的分析.在瀝青混合料裂紋開(kāi)裂過(guò)程中，開(kāi)裂時(shí)的荷載、最大荷載與最大水平應(yīng)變對(duì)應(yīng)荷載并非同一荷載值.與SBS改性瀝青混合料相比，長(zhǎng)期溫度老化和凍融循環(huán)前后，CR改性瀝青混合料都具有更強(qiáng)的抗開(kāi)裂能力，并且長(zhǎng)期溫度老化對(duì)2種改性瀝青混合料影響較大.通過(guò)分析斷裂韌性指標(biāo)得到與DSCM實(shí)驗(yàn)結(jié)果相吻合的開(kāi)裂特性，驗(yàn)證了DSCM對(duì)瀝青混合料裂紋研究的適用性.

瀝青混合料；數(shù)字散斑相關(guān)法；半圓彎拉實(shí)驗(yàn)；變形場(chǎng)；斷裂韌度

瀝青混合料開(kāi)裂是瀝青路面破壞的主要形式之一［1-3］.目前，各國(guó)學(xué)者對(duì)瀝青混合料開(kāi)裂行為的研究主要集中于單純的數(shù)值模擬分析和宏觀實(shí)驗(yàn)方法［4-5］.Mahmoud等［6］通過(guò)建立內(nèi)聚力模型對(duì)瀝青混合料裂紋的產(chǎn)生及裂縫擴(kuò)展規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)，并證實(shí)了內(nèi)聚力模型對(duì)瀝青混合料和瀝青路面的適用性；通過(guò)擴(kuò)展有限元對(duì)瀝青混合料半圓試件建立內(nèi)聚力模型，驗(yàn)證了模型對(duì)瀝青混合料裂縫擴(kuò)展規(guī)律預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，并得出拉應(yīng)力是裂紋擴(kuò)展主要原因的結(jié)論.由于數(shù)值模擬時(shí)存在將實(shí)驗(yàn)條件及材料參數(shù)理想化的假設(shè)，不能真實(shí)地反應(yīng)瀝青混合料破壞情況.Kim等［7］通過(guò)水煮法、水浸法等宏觀實(shí)驗(yàn)對(duì)瀝青混合料由于界面黏結(jié)性退化而產(chǎn)生的開(kāi)裂破壞進(jìn)行研究.但是，一方面，此方法包含的主觀因素多，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差較大；另一方面，實(shí)驗(yàn)結(jié)果只能對(duì)最終破壞情況作出判斷分析，不能對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行描述，因此，單純宏觀實(shí)驗(yàn)也不能對(duì)瀝青混合料開(kāi)裂進(jìn)行全面分析.

Yue等［8-10］研究發(fā)現(xiàn)，從細(xì)觀角度對(duì)瀝青混合料的變形進(jìn)行精確測(cè)試可以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)瀝青混合料的開(kāi)裂行為.數(shù)字散斑相關(guān)法（digital speckle correlation method，DSCM）作為一種全場(chǎng)、非接觸的光學(xué)測(cè)量技術(shù)非常適用于具有各向異性的復(fù)合材料變形特性分析，因此，近年來(lái)，該方法被引入并應(yīng)用于瀝青混合料變形特性實(shí)驗(yàn)研究.DSCM在20世紀(jì)80年代由Peters等［11-12］提出，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于固體力學(xué)變形研究.2002年，Kim等［13］將DSCM應(yīng)用于瀝青混合料.之后，Bjorn等［14-15］應(yīng)用DSCM對(duì)瀝青混合料應(yīng)變場(chǎng)分析計(jì)算，驗(yàn)證了DSCM的優(yōu)越性，并利用DSCM對(duì)瀝青混合料裂紋擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行應(yīng)變場(chǎng)分析，證明了DSCM對(duì)于瀝青混合料這種具有異構(gòu)性質(zhì)的黏彈性材料有較高的適用性.

鑒于DSCM用于分析瀝青混合料的優(yōu)越性，本文在宏觀半圓試件彎拉實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合DSCM對(duì)不同瀝青混合料的斷裂特性進(jìn)行研究.通過(guò)預(yù)切口半圓試件彎拉實(shí)驗(yàn)對(duì)瀝青混合料斷裂韌性進(jìn)行計(jì)算，并驗(yàn)證DSCM在瀝青混合料研究中的適用性.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方案

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 瀝青 本實(shí)驗(yàn)采用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物（styrene-butadiene-styrene，SBS）改性瀝青和橡膠粉（crumb rubber，CR）改性瀝青作為膠結(jié)材料.CR改性瀝青是在90?；|(zhì)瀝青中摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的30目膠粉顆粒經(jīng)濕法加工制成，SBS改性瀝青是在90?；|(zhì)瀝青中摻入4%的SBS改性劑制成，相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)如表1所示.PN為針入度（實(shí)驗(yàn)溫度為5℃），tS為軟化點(diǎn)，D為延度，tF為閃點(diǎn).

表1 CR改性瀝青和SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Tab.1 Properties of CR modified asphalt and SBS modified asphalt

1.1.2 瀝青混合料 2種改性瀝青混合料試件均采用AC-16級(jí)配，其中粗、細(xì)集料均采用玄武巖，礦料采用石灰?guī)r礦粉.

1.1.3 半圓試件制作及實(shí)驗(yàn)過(guò)程 采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀成型瀝青混合料圓柱形試件，并將圓柱形試件切割成一定尺寸的半圓試件.對(duì)半圓試件進(jìn)行長(zhǎng)期溫度老化、水溶液以及鹽溶液凍融循環(huán)處理.將半圓試件表面噴涂啞光白漆，與瀝青混合料自身表面的黑色形成反差，從而在試件表面形成散斑（為了提高DSCM算法中圖像子區(qū)域相關(guān)搜索的精確性，要求散斑試件的灰度值隨機(jī)分布），并對(duì)試件進(jìn)行半圓彎拉實(shí)驗(yàn)，利用Vic-3D軟件對(duì)采集到的試件破壞過(guò)程圖像進(jìn)行分析計(jì)算.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法及原理

1.2.1 半圓試件彎拉實(shí)驗(yàn) 半圓彎拉實(shí)驗(yàn)（semicircular bendin，SCB）試件的加載方式如圖1所示，試件尺寸如下：直徑2R＝100 mm，厚度B＝5 mm，預(yù)切口深度a分別為1、2和3 cm，支撐距離2D＝80 mm，加載速率v＝1 mm／min，實(shí)驗(yàn)溫度為10℃.

圖1 半圓彎拉試件加載示意圖Fig.1 Schematic diagram of SCB test

1.2.2 DSCM的構(gòu)成 DSCM是一種基于光學(xué)技術(shù)的圖像處理方法，其測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，主要由光源、CCD相機(jī)、圖像采集系統(tǒng)及Vic-3D圖像處理軟件組成.同時(shí)啟動(dòng)試件加載系統(tǒng)與圖像采集系統(tǒng)，通過(guò)CCD相機(jī)對(duì)加載過(guò)程中的試件散斑圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集并儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中，將采集的散斑圖像輸入Vic-3D處理軟件，對(duì)輸入圖像進(jìn)行分析.

圖2 DSCM測(cè)試系統(tǒng)Fig.2 Test system of DSCM

1.2.3 DSCM基本原理 DSCM是一種從物體表面隨機(jī)分布的散斑直接提取位移場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)的測(cè)量方法.DSCM基本原理如下：給定物體變形前、后的2個(gè)散斑圖像，在變形前、后的散斑場(chǎng)中識(shí)別出對(duì)應(yīng)于變形前的散斑區(qū)域，判斷物體變形后，散斑場(chǎng)經(jīng)變換恢復(fù)到變形前對(duì)應(yīng)的散斑場(chǎng)相似程度的指標(biāo)，即散斑場(chǎng)之間的相關(guān)性，把變形測(cè)量問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)相關(guān)計(jì)算問(wèn)題，如圖3所示.圖中，V為豎向位移，U為橫向位移.將圖中窗口區(qū)域的像素中心點(diǎn)P（x0，y0）定義為亞像素區(qū)域，通過(guò)預(yù)先設(shè)定的搜索方法及計(jì)算方法在變形圖像中找到一個(gè)與參考圖形中相似度最高的子區(qū)域P′（x0′，y 0′）.

考慮到圖像采集時(shí)可能出現(xiàn)的曝光過(guò)度、光照不均等情況，采用零均值歸一化的最小平方距離相關(guān)函數(shù)：

圖3 圖像變形前后計(jì)算區(qū)域的變形示意圖Fig.3 Schematic figure of reference square subset before and after deformation

式中：Cf，g（ˉP）為一個(gè)用來(lái)描述相似度的方程，f（x，y）為圖3（a）中點(diǎn)P的灰度值，g（x′，y′）為圖3（b）中點(diǎn)P′的灰度值，fm、gm分別為參考圖像與變形圖像中窗口區(qū)域灰度值，M為變形場(chǎng)內(nèi)各個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)值.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 瀝青混合料變形與變形速率分析

圖4 半圓試件開(kāi)裂前后示意圖Fig.4 Schematic diagram of semi-circle specimen before and after crack

如圖4所示為試件開(kāi)裂前后的示意圖，其中圖4（b）右側(cè)標(biāo)尺為圖4（b）云圖中水平應(yīng)變的具體數(shù)值.圖5為SBS改性瀝青混合料半圓試件底邊各點(diǎn)（如圖4（a）所示）在開(kāi)裂時(shí)位移、位移變化速率、應(yīng)變以及應(yīng)變率的關(guān)系曲線，圖中x為位移，d x／d t為位移變化速率，dε／d t為應(yīng)變，dε／d t為應(yīng)變率，Pn為試件上所對(duì)應(yīng)點(diǎn).由圖5（a）可知，試件開(kāi)裂時(shí)底邊各點(diǎn)的水平位移（U）在點(diǎn)P1～P21為負(fù)值（分析軟件設(shè)定變形方向向右時(shí)為正方向），點(diǎn)P22～P28為正值，且點(diǎn)P22的水平位移有較大變化；豎向位移（V）由點(diǎn)P1～P21沿負(fù)方向（分析軟件設(shè)定變形方向向上時(shí)為正方向）增大，由點(diǎn)P22～P28沿負(fù)向減?。浑x面位移（W）幾乎相等.由圖4（b）可知，試件的開(kāi)裂點(diǎn)在點(diǎn)P22的位置，在豎向荷載作用下試件底部裂紋的主要型式為張開(kāi)型（Ⅰ型裂紋），Ⅰ型裂紋在試件受水平拉力時(shí)產(chǎn)生，因此，水平位移對(duì)試件開(kāi)裂影響較大.試件開(kāi)裂后開(kāi)裂處左、右位置點(diǎn)的水平位移會(huì)向不同的方向變化.豎向位移是由于試件在豎向荷載作用下產(chǎn)生豎向撓度.

圖5 試件底邊不同位置點(diǎn)開(kāi)裂時(shí)變形及變形速率曲線Fig.5 Curves of deformation and deformation rate for different position points of specimen bottom when cracking

由圖5（b）可知，水平位移變化速率d U／d t在開(kāi)裂點(diǎn)（點(diǎn)P22）位置產(chǎn)生最大的突變，而豎向位移變化速率（d V／d t）和離面位移變化速率（d W／d t）相對(duì)d U／d t變化較小，且在開(kāi)裂點(diǎn)位置沒(méi)有突出變化.由圖5（c）可知，水平應(yīng)變（εU）較大值出現(xiàn)在點(diǎn)P11、P22處.由圖4可知，點(diǎn)P22為試件開(kāi)裂點(diǎn)，且點(diǎn)P11、P22均處于集料與瀝青膠漿界面處.這是由于界面處的自身缺陷和較小模量而產(chǎn)生應(yīng)力集中，從而產(chǎn)生較大應(yīng)變，開(kāi)裂處由于裂點(diǎn)的應(yīng)力奇異場(chǎng)而具有更大應(yīng)變值.豎直應(yīng)變（εV）和離面應(yīng)變（εW）在不同位置點(diǎn)幾乎沒(méi)有變化.由圖5（d）可知，水平應(yīng)變率（d x／d t）在點(diǎn)P22具有最大值，這是由于在開(kāi)裂點(diǎn)位置具有最大水平應(yīng)變的原因，而豎向應(yīng)變率（dεV／d t）和離面應(yīng)變率（dεW／d t）在開(kāi)裂點(diǎn)與水平應(yīng)變率相比變化較小.因此，水平變形以及變形速率對(duì)試件開(kāi)裂最為敏感，這與試件主要受水平拉應(yīng)力作用產(chǎn)生開(kāi)裂相吻合.由于水平位移變化速率和水平應(yīng)變?cè)陂_(kāi)裂點(diǎn)變化最為明顯，本文主要研究試件的開(kāi)裂破壞，選擇水平位移變化速率和水平應(yīng)變作為瀝青混合料斷裂性能指標(biāo)進(jìn)行研究.

2.2 荷載對(duì)水平應(yīng)變的影響

如圖6所示為SBS改性瀝青混合料半圓試件底邊開(kāi)裂時(shí)全場(chǎng)水平應(yīng)變?cè)茍D.為了更好地區(qū)分瀝青膠漿、集料與界面，取點(diǎn)P′1、P′2、P′3、P′4、P′5、P′6、P′7、P′8對(duì)應(yīng)圖4（a）中的點(diǎn)P1、P6、P11、P14、P17、P22、P24、P26進(jìn)行研究.由圖6可知，P′6具有全場(chǎng)最大水平應(yīng)變，且位于P′3界面處的水平應(yīng)變值也較其他各處大，這與圖5（c）的分析結(jié)果吻合.如圖7所示為試件底邊點(diǎn)P′1～P′8處的水平應(yīng)變隨荷載的變化曲線，圖中1.000、2.000、3.000、3.632以及4.078 k N為加載階段對(duì)應(yīng)的荷載.其中，3.632 k N為微裂縫產(chǎn)生時(shí)的荷載，4.078 k N為荷載峰值.為了將卸載階段荷載與加載階段荷載加以區(qū)分，用括號(hào)內(nèi)數(shù)字表示卸載階段荷載，如用（3.758）k N、（2.000）k N、（1.000）k N表示卸載階段荷載，其中（3.758）k N為水平應(yīng)變最大值對(duì)應(yīng)的荷載.由圖7可以看出，當(dāng)荷載為1.000、2.000以及3.000 k N時(shí)，底邊最大位移位于點(diǎn)P′3和P′5處（點(diǎn)P′3與P′5為瀝青膠漿與粗集料界面）；當(dāng)荷載增加至3.632 k N（微裂縫產(chǎn)生荷載）時(shí)，最大應(yīng)變位于點(diǎn)P′6處，與圖6應(yīng)變?cè)茍D相吻合，說(shuō)明瀝青混合料開(kāi)裂時(shí)裂尖處具有全場(chǎng)最大εU.由圖6可知，點(diǎn)P′3、P′5、P′6均為瀝青膠漿與粗集料界面點(diǎn)，點(diǎn)P′3、P′5處集料尺寸大于點(diǎn)P′6，因此，點(diǎn)P′3、P′5處的集料與膠漿的接觸面積大于點(diǎn)P′6處的接觸面積.在復(fù)合材料力學(xué)理論中，受到外荷載作用時(shí)損傷總傾向于發(fā)生在界面結(jié)合部或其附近.這是由于結(jié)合材料界面附近不僅容易存在各種各樣的缺陷，導(dǎo)致結(jié)合能力的降低，而且容易引發(fā)應(yīng)力集中并產(chǎn)生殘余應(yīng)力，使界面處產(chǎn)生較高的應(yīng)力水平，從而產(chǎn)生較大應(yīng)變.點(diǎn)P′3、P′5處由于界面面積大，界面黏結(jié)力也較大，即對(duì)應(yīng)的抵抗破壞能力比小界面要大，點(diǎn)P′6處小界面先被破壞而產(chǎn)生開(kāi)裂.當(dāng)裂紋形成時(shí)，由于裂紋尖端產(chǎn)生的應(yīng)力奇異場(chǎng)，裂尖處具有最大應(yīng)變.

圖6 開(kāi)裂時(shí)試件底邊位置點(diǎn)及開(kāi)裂云圖Fig.6 Bottorn location points and cracking nephogram when cracking

圖7 試件底邊各點(diǎn)水平應(yīng)變隨荷載的變化曲線Fig.7 Changing curves of horizontal strain of specimen bottom’s points with loading

開(kāi)裂點(diǎn)處水平應(yīng)變的最大值并未出現(xiàn)在荷載峰值（4.078 k N）處，而其對(duì)應(yīng)卸載階段的荷載為（3.758）k N.因此，在瀝青混合料開(kāi)裂過(guò)程中，最大荷載與最大應(yīng)變均未出現(xiàn)在開(kāi)裂時(shí)刻，最大荷載出現(xiàn)在開(kāi)裂后，而最大應(yīng)變出現(xiàn)在最大荷載之后.這是由于瀝青混合料開(kāi)裂是特指微裂縫在底邊形成時(shí)，而瀝青混合料開(kāi)裂過(guò)程分為微裂縫形成階段、微裂縫匯集階段與形成宏觀裂縫階段.在微裂縫形成時(shí)宏觀裂縫并未產(chǎn)生，還需要繼續(xù)施加荷載使微裂縫匯集貫通；當(dāng)微裂縫貫通形成長(zhǎng)裂縫時(shí)，試件達(dá)到破壞，此時(shí)對(duì)應(yīng)的破壞荷載降低；宏觀裂紋未形成時(shí)所有微裂紋尖端都處于應(yīng)力集中狀態(tài)，由于微裂縫多，應(yīng)力較分散，應(yīng)變也較分散，從而導(dǎo)致微裂縫形成時(shí)對(duì)應(yīng)應(yīng)變并非應(yīng)變最大值；當(dāng)宏觀裂紋形成后，全場(chǎng)水平拉應(yīng)力集中于裂紋尖端，此時(shí)裂尖處具有最大應(yīng)力，因此具有最大拉應(yīng)變.綜上所述，微裂縫形成時(shí)對(duì)應(yīng)荷載在荷載峰值之前，荷載峰值（4.078 k N）對(duì)應(yīng)微裂縫匯集成長(zhǎng)裂縫，最大水平應(yīng)變對(duì)應(yīng)宏觀裂紋形成.

如圖8所示為SBS改性瀝青混合料半圓試件豎向裂縫形成時(shí)全場(chǎng)應(yīng)變?cè)茍D.為了研究試件豎向裂縫的性質(zhì)，圖8另取一裂縫方向接近豎直的試件為研究對(duì)象，沿裂縫取7個(gè)點(diǎn)對(duì)豎向裂縫進(jìn)行研究.

圖8 豎向裂縫位置點(diǎn)及應(yīng)變?cè)茍DFig.8 Points and cloud picture of specimen for vertical crack

如圖9所示為豎直方向7個(gè)點(diǎn)水平應(yīng)變（εU）隨荷載（L）變化關(guān)系曲線.由圖9可知，開(kāi)裂時(shí)點(diǎn)P″1（開(kāi)裂點(diǎn)）的水平應(yīng)變最大，這與圖5分析結(jié)果一致，證明水平應(yīng)變對(duì)研究試件裂縫形成適用性.圖9中，1.000～6.000 k N為加載階段荷載，（0.500）～（5.000）k N為卸載階段荷載.由圖9可知，εU值在5.000 k N時(shí)開(kāi)始增長(zhǎng)，最大應(yīng)變對(duì)應(yīng)荷載并非荷載峰值6.000 k N，而是點(diǎn)P″1、P″2、P″3、P″4在卸載階段（5.000）k N時(shí)，εU達(dá)到峰值，點(diǎn)P″5、P″6、P″7在卸載階段（4.000）k N時(shí)，εU達(dá)到峰值.εU值在荷載為5.000 k N時(shí)開(kāi)始增長(zhǎng)，此荷載為微裂縫產(chǎn)生荷載，這是由于微裂縫產(chǎn)生時(shí)的應(yīng)力集中使應(yīng)變開(kāi)始增長(zhǎng)；6.000 k N是微裂縫匯集為長(zhǎng)裂紋荷載即加載峰值；（5.000）k N為點(diǎn)P″1、P″2、P″3、P″4處宏觀裂縫形成荷載，（4.000）k N為點(diǎn)P″5、P″6、P″7處宏觀裂縫形成荷載，這是由于點(diǎn)P″1、P″2、P″3、P″4處的微觀裂縫先在同一荷載形成宏觀裂縫，隨裂紋擴(kuò)展而使點(diǎn)P″5、P″6、P″7在另一荷載形成宏觀裂縫，由此也可證明宏觀裂紋是由于微觀裂紋同時(shí)匯集而形成.以上分析與圖7分析結(jié)果相吻合，可知在裂紋開(kāi)裂過(guò)程中開(kāi)裂時(shí)荷載、最大荷載與最大水平應(yīng)變對(duì)應(yīng)荷載并非同一荷載值，開(kāi)裂時(shí)荷載在最大荷載之前，即試件微裂縫在最大荷載之前形成，最大水平應(yīng)變對(duì)應(yīng)荷載在最大荷載之后，即宏觀裂縫在最大荷載之后形成.

圖9 豎向裂縫各點(diǎn)水平應(yīng)變隨荷載的變化曲線Fig.9 Curves of horizontal strain at different points for vertical crack with loading

2.3 瀝青混合料斷裂性能分析

2.3.1 水平位移變化速率 如圖10所示為在不同實(shí)驗(yàn)條件下CR與SBS改性瀝青混合料對(duì)應(yīng)的水平位移變化率d U／d t隨加載時(shí)間變化曲線.由圖5可知，d U／d t發(fā)生突變時(shí)間點(diǎn)為試件裂縫產(chǎn)生時(shí)刻.由圖10可知，CR改性瀝青混合料的裂縫產(chǎn)生d U／d t發(fā)生突變）時(shí)間點(diǎn)大約為280 s，經(jīng)水溶液和鹽溶液凍融循環(huán)的裂縫產(chǎn)生時(shí)間點(diǎn)大約都是210 s，經(jīng)長(zhǎng)期溫度老化的裂縫產(chǎn)生的時(shí)間點(diǎn)大約為120 s，說(shuō)明CR改性瀝青混合料的開(kāi)裂性能受長(zhǎng)期溫度老化的影響較受水溶液與鹽溶液凍融循環(huán)的影響嚴(yán)重.由圖10（b）可知，SBS改性瀝青混合料的裂縫產(chǎn)生時(shí)間點(diǎn)大約為120 s，經(jīng)水溶液凍融循環(huán)的裂縫產(chǎn)生時(shí)間點(diǎn)大約都是85 s，經(jīng)鹽溶液凍融循環(huán)的裂縫產(chǎn)生時(shí)間點(diǎn)大約都是75 s，經(jīng)長(zhǎng)期溫度老化的裂縫產(chǎn)生時(shí)間點(diǎn)大約為65 s.由此可知，水溶液、鹽溶液凍融循環(huán)以及溫度老化都對(duì)SBS改性瀝青混合料有較大影響，其中長(zhǎng)期溫度老化產(chǎn)生的影響最大.

對(duì)比分析圖10（a）、（b）可知，CR改性瀝青混合料及經(jīng)凍融和溫度老化的瀝青混合料開(kāi)裂時(shí)間均較對(duì)應(yīng)的SBS改性瀝青混合料晚，說(shuō)明CR改性瀝青混合料具有較好的抗開(kāi)裂能力.由圖10還可以看出，CR改性瀝青混合料及經(jīng)凍融和溫度老化的瀝青混合料開(kāi)裂時(shí)d U／d t呈緩慢下降趨勢(shì)，而SBS改性瀝青混合料則呈迅速下降趨勢(shì)，說(shuō)明CR改性瀝青混合料及經(jīng)凍融和溫度老化的瀝青混合料在開(kāi)裂時(shí)裂縫形成及擴(kuò)展速率慢，基本呈塑性破壞，SBS改性瀝青混合料及經(jīng)凍融和溫度老化的瀝青混合料在開(kāi)裂時(shí)裂縫形成及擴(kuò)展速率快，基本呈脆性破壞.

2.3.2 不同實(shí)驗(yàn)條件下瀝青混合料的斷裂韌性分析 由于瀝青混合料具有明顯的彈塑性能，線彈性力學(xué)行為不適合描述瀝青混合料的破壞行為，此時(shí)的力學(xué)行為應(yīng)采用彈塑性斷裂力學(xué)進(jìn)行研究.彈塑性斷裂力學(xué)的J積分是一個(gè)與線路無(wú)關(guān)的能量積分，是裂縫尖端附近彈塑性場(chǎng)強(qiáng)弱的一個(gè)平均值，無(wú)論是線彈性還是非線性的荷載-位移關(guān)系，都可采用J積分對(duì)瀝青及改性瀝青混合料的斷裂性能進(jìn)行描述.Little等［16］采用半圓彎拉實(shí)驗(yàn)研究瀝青混合料的斷裂性能，認(rèn)為用斷裂韌性JC作為瀝青混合料的斷裂參數(shù)是合適的，且斷裂韌性越大其抗裂性能越好.

圖10 不同瀝青混合料水平位移變化速率隨加載時(shí)間的變化曲線Fig.10 Curves of horizontal displacement rate with loading time for different asphalt mixtures

圖11 不同實(shí)驗(yàn)條件下瀝青混合料斷裂韌性Fig.11 Fracture toughness of different asphalt mixtures in different experimental conditions

為了確定J積分值，采用不同預(yù)切口深度的半圓試件進(jìn)行半圓彎拉（semi-circular bending，SCB）實(shí)驗(yàn).SCB實(shí)驗(yàn)中斷裂韌性的取得基于下式：

式中：E1、E2為2種不同鋸縫深度試件的斷裂應(yīng)變能；a1、a2為2種鋸縫深度；B1、B2為2種不同鋸縫深度的試件厚度.

如圖11所示為不同瀝青混合料的斷裂韌性關(guān)系圖.由圖可知，CR改性瀝青混合料及經(jīng)長(zhǎng)期溫度老化和凍融循環(huán)的改性瀝青混合料的斷裂韌性均較對(duì)應(yīng)的SBS改性瀝青混合料大，說(shuō)明CR改性瀝青混合料的抗裂性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料；并且，2種改性瀝青混合料經(jīng)長(zhǎng)期溫度老化后的斷裂韌性值均為最小，由此可知長(zhǎng)期溫度老化對(duì)瀝青混合料的抗裂性能的影響較水溶液與鹽溶液凍融循環(huán)破壞的影響大.這與圖10結(jié)果均吻合，也可驗(yàn)證DSCM在瀝青混合料變形場(chǎng)研究中的適用性.

3 結(jié) 論

（1）通過(guò)水平變形及變形速率分析可知，采用水平位移變化速率和水平應(yīng)變對(duì)瀝青混合料裂紋性質(zhì)及斷裂特性進(jìn)行分析研究.

（2）瀝青混合料裂紋開(kāi)裂過(guò)程中開(kāi)裂時(shí)荷載、荷載峰值與最大水平應(yīng)變對(duì)應(yīng)荷載并非同一荷載值.

（3）CR改性瀝青混合料及經(jīng)長(zhǎng)期溫度老化和凍融循環(huán)的改性瀝青混合料與其對(duì)應(yīng)條件的SBS改性瀝青混合料相比，具有較強(qiáng)的抗開(kāi)裂能力.

（References）：

［1］DAS P K，JELIGEN D，BIRGISSON B.Evaluation of the low temperature cracking performance of asphalt mixtures utilizing HMA fracture mechanics［J］.Construction and Building Materials，2013，47：594- 600.

［2］MUNIANDY R，AKHIRN A B C M，HASSIM S，et al.Laboratory fatigue evaluation of modified and unmodified asphalt binders in stone mastic asphalt mixtures using a newly developed crack meander technique［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2014，59（3）：1- 8.

［3］ARAGO F T S，KIM Y R，LEE J，et al.Micromechanical model for heterogeneousasphalt concrete mixtures subjected to fracture failure［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2010，23（1）：30- 38.

［4］KIM Y R，BAEK C，UNDERWOOD B S，et al.Application of viscoelastic continuum damage model based finite element analysis to predict the fatigue performance of asphalt pavements［J］.KSCE Journal of Civil Engineering，2008，12（2）：109- 120.

［5］ZHU X，CHEN L.Numerical prediction of elastic modulus of asphalt concrete with imperfect bonding［J］.Construction and Building Materials，2012，35：45- 51.

［6］MAHMOUD E，SAADEH S，HAKIMELAHI H，et al.Extended finite-element modelling of asphalt mixtures fracture properties using the semi-circular bending test［J］.Road Materials and Pavement Design，2014，15（1）：153- 166.

［7］KIM Y R，PINTO I，PARK S W.Experimental evaluation of anti-stripping additives in bituminous mixtures through multiple scale laboratory test results［J］.Construction and Building Materials，2011，29（4）：386-393.

［8］YUE Z Q，CHEN S，THAM L G.Finite-element modeling of geomaterials using digital image processing［J］.Computers and Geotechnics，2003，30（5）：375- 397.

［9］SUTTON M A，WOLTERS W J，PETERS W H，et al.Determination of displacements using an improved digital correlation method［J］.Image and Vision Computing，1983，1（83）：133- 139.

［10］ZHANG X N，YUAN M M.Study on fatigue deformation of asphalt mixtures in digital speckle correlation method［J］.I nternational Journal of Digital Content Technology and its Applications，2012，6（17）：162- 170.

［11］PETERS W H，RANSON W F.Digital imaging techniques in experimental stress analysis［J］.Optical Engineering，1982，21（3）：427- 431.

［12］SUTTON M A，MCNEILL S R，JANG J.Effects of subpixel image restoration on digitalcorrelation error［J］.Journal of Optical Engineering，1988，27（10）：870- 877.

［13］KIM Y R，WEN H.Fracture energy from indirect tension test［J］.Journal of the Association of Asphalt Paving Technologists，2002，71：779- 793.

［14］BJORN B，ANTONIO M，ELENA R，et al.Characterisation of asphalt mixture cracking behaviour using the threepoint bending beam test［J］.International Journal of Pavement Engineering，2011，6（12）：569- 578.

［15］TAN Y Q，HOU M H，ZHANG L，et al.Studying the strain field distribution of asphalt mixture with the digitalspeckle correlation method［J］.Road Materials and Pavement Design，2014，15（1）：90- 101.

［16］LITTLE D N，MAHMOUB K.Engineering properties of first generation plasticized sulfur binders and low temperature fracture evaluation of plasticized sulfur paving mixtures［J］.Transportation Research Board，1985（1034）：103- 111.

Deformation characteristics of asphalt mixture

WANG Lan，CHEN Gang，XING Yong-ming，HU Jiang-san
（College of Civil Engineering，Inner Mongolia University of Technology，Hohhot 010051，China）

The deformation fields of crumb rubber（CR）modified asphalt mixture and styrene-butadienestyrene（SBS）modified asphalt mixture were analyzed and compared by using digital speckle correlation method（DSCM）.Vic-3D image manipulation software was applied to analyze speckle images.Deformation field and strain field of the samples’surface that changed along with load were extracted.Fracture toughness of the asphalt mixture was studied through pre-cut semi-circle flexural tensile test.Results show that the change rates of horizontal displacement and the horizontal strain are suitable for the analysis of the crack properties and fracture characteristics of asphalt mixture.The micro-crack initiation load，the maximum load and the maximum horizontal strain are not the same load value.Compared with the SBS modified asphalt mixture，the CR modified asphalt mixture has stronger ability to resist cracking before and after long-term aging and freeze-thaw cycle.The long-term temperature aging of asphalt mixture has greater impact on the two kinds of modified asphalt mixture.The cracking characteristics from analysis of fracture toughness index agree with the experimental results of DSCM，indicating that DSCM is suitable for research on crack in asphalt mixture.

asphalt mixture；digital speckle correlation method（DSCM）；semi-circular bending test；deformation field；fracture toughness

10.3785／j.issn.1008-973X.2015.09.026

U 443.33

A

1008- 973X（2015）09- 1805- 07

2014- 06- 05. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）網(wǎng)址：www.journals.zju.edu.cn／eng

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（11162012）.

王嵐（1966－），女，教授，博導(dǎo)，從事道路工程材料研究.ORCID：0000-0002-8130-3702.E-mail：wanglan661018＠163.com

邢永明，男，教授，博導(dǎo).ORCID：0000-0001-6726-4041.E-mail：xym＠imut.edu.cn