瀝青混合料疲勞損傷過程的劈裂剩余強度研究

李沛洪， 張 彪， 駱應(yīng)就

(1.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114； 2. 廣州市市政工程機械施工有限公司， 廣東 廣州 510060)

瀝青混合料疲勞損傷過程的劈裂剩余強度研究

李沛洪1， 張 彪1， 駱應(yīng)就2

(1.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114； 2. 廣州市市政工程機械施工有限公司， 廣東 廣州 510060)

通過劈裂疲勞試驗原理，研究經(jīng)過疲勞損傷后瀝青混合料劈裂抗拉剩余強度。依據(jù)劈裂疲勞試驗方法，設(shè)定4個應(yīng)力比2個加載頻率試驗條件得出瀝青混合料S—N疲勞方程。根據(jù)疲勞方程結(jié)果與線性損傷理論，規(guī)定疲勞損傷程度分別為20%、40%、50%、60%、80%，確定各試驗條件下不同損傷程度的疲勞作用次數(shù)。經(jīng)過不同損傷程度疲勞試驗后，對各瀝青混合料試件進(jìn)行劈裂剩余強度試驗，并建立各試驗條件劈裂剩余強度 — 損傷程度變化規(guī)律。為量化計算AC — 13型瀝青混合料剩余強度隨損傷的變化規(guī)律，引入指數(shù)函數(shù)y=keax關(guān)系式擬合各試驗條件坐標(biāo)，得出劈裂剩余強度 — 損傷程度的指數(shù)表達(dá)式。

道路工程； 瀝青混合料； 劈裂試驗； 疲勞損傷； 劈裂剩余強度

瀝青混合料劈裂疲勞試驗是研究瀝青混合料疲勞性能的典型試驗之一。疲勞性能是指在規(guī)定荷載對瀝青材料進(jìn)行反復(fù)作用使瀝青混合料發(fā)生損傷直至破壞，從而研究瀝青混合料抵抗重復(fù)作用能力，疲勞過程也是材料在不斷損傷的過程[1-3]。劈裂強度試驗或劈裂疲勞試驗使圓柱體試件處于二維應(yīng)力狀態(tài)，該種受力狀態(tài)相似于車輛荷載作用瀝青面層的受力形式，同時規(guī)范規(guī)定：瀝青路面材料抗拉強度測定以劈裂強度為依據(jù)。因此使用劈裂疲勞試驗研究瀝青路面疲勞性能是合理的[4-6]。

研究瀝青混合料疲勞特性往往關(guān)注于各種條件下疲勞壽命研究并得出疲勞演化方程，卻較少關(guān)注于某一疲勞狀態(tài)即某一損傷程度時瀝青混合料試件的剩余強度或剩余壽命[7,8]。本文首先得出各試驗條件的疲勞方程，根據(jù)疲勞方程定義損傷程度，進(jìn)行各損傷狀態(tài)的劈裂剩余強度研究，該研究對于預(yù)測材料損傷規(guī)律，強度規(guī)律，疲勞壽命等具有重要意義。

1 瀝青混合料劈裂疲勞試驗

1.1 劈裂疲勞試驗過程分析

選取細(xì)粒式密級配瀝青混合料AC — 13C為研究材料，試件尺寸Φ101.6 mm×63.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)馬歇爾試件。經(jīng)配料，加熱，攪拌，成型后得出AC — 13C瀝青混合料試件。配備專門進(jìn)行劈裂疲勞試驗的液壓伺服系統(tǒng)UTM試驗機。試驗過程分為兩步進(jìn)行，其一：對AC — 13C試件進(jìn)行劈裂抗拉強度試驗，劈裂抗拉強度RT，MPa，RT=0.006287PT/h，PT表示試驗壓頭施加荷載，N，h為試件高度，mm。經(jīng)試驗得AC — 13C瀝青混合料平均劈裂抗拉強度為1.232 MPa。其二：確定劈裂疲勞試驗應(yīng)力比、加載頻率，以劈裂強度為基準(zhǔn)應(yīng)力比分別為0.3、0.4、0.5、0.6，加載頻率5 Hz、10 Hz。試驗溫度保持在15 ℃，加載波形為正弦波。

1.2 瀝青混合料劈裂疲勞壽命測定

瀝青混合料疲勞過程是在重復(fù)機械荷載下材料內(nèi)部瀝青膠結(jié)料與粗細(xì)集料粘結(jié)區(qū)域發(fā)生開裂或粗細(xì)集料被荷載復(fù)雜力學(xué)狀態(tài)破壞而發(fā)生材料損傷直至破壞的過程，這個過程能抵抗荷載作用的次數(shù)稱為疲勞壽命。按要求將試件安裝于UTM材料試驗機，已知AC — 13C劈裂抗拉強度1.232 MPa以及試驗條件4個應(yīng)力比2個加載頻率，在試驗機中設(shè)定各個試驗條件參數(shù)進(jìn)行多組試驗，得出不同應(yīng)力水平下疲勞試驗結(jié)果如表1。

表1 不同應(yīng)力比不同頻率下疲勞壽命應(yīng)力疲勞壽命/次5Hz10Hz0.3595089300.4181049400.5139028600.65501280

1.3 建立瀝青混合料疲勞方程

疲勞方程是量化材料疲勞性能的工具，不同試驗條件下有不同疲勞方程，疲勞方程反映整個疲勞試驗疲勞壽命變化過程。應(yīng)力控制模式下的劈裂疲勞試驗選用常用典型的疲勞方程S—N方程表示：

Nf=k×(1/S)n

(1)

式中：Nf為試件破壞時的加載次數(shù)；S為對試件施加的應(yīng)力比，即每次施加的常量應(yīng)力最大幅值與相同條件下劈裂破壞強度的比值，簡稱為應(yīng)力比；n，k為取決于瀝青混合料組成和特性的常數(shù)。

根據(jù)表1的試驗結(jié)果，瀝青混合料劈裂疲勞過程變化如圖1。

圖1 疲勞過程變化

由圖1得出5 Hz和10 Hz頻率下疲勞壽命隨應(yīng)力比的變化規(guī)律，結(jié)合S—N疲勞方程擬合回歸方程結(jié)果如表2。

表2 疲勞壽命擬合結(jié)果頻率/Hzkn回歸方程相關(guān)系數(shù)R2/%51173.21Nf=117×(1/S)3.2196103712.72Nf=371×(1/S)2.7295

2 確定瀝青混合料疲勞損傷程度

2.1 瀝青混合料疲勞損傷數(shù)學(xué)模型

Miner損傷模型是瀝青混合料疲勞損傷常用模型，認(rèn)為在相同的荷載條件下?lián)p傷呈線性變化，而且每個周期荷載作用產(chǎn)生的損傷相等，即認(rèn)為損傷是線性演化的[9,10]，表達(dá)式如下：

D(N)=N/Nf

(2)

dD(N)/dN=1/Nf=常數(shù)

(3)

D=D1+D2+D3+…+DN

(4)

式中：Nf為疲勞壽命；N為荷載循環(huán)作用次數(shù)；D(N)為荷載每一次作用的損傷值；D為總的損傷值。

2.2 確定疲勞損傷程度

瀝青混合料在各試驗條件下的疲勞壽命由表1得出，表明在整個疲勞過程中所能承受的荷載作用次數(shù)即損傷達(dá)到100%時的作用次數(shù)，此時試件完全破壞不能再承受荷載[11]。為便于損傷程度的確定根據(jù)線性疲勞損傷數(shù)學(xué)模型，劃分5個損傷程度分別為20%、40%、50%、60%、80%，得各損傷程度的循環(huán)作用次數(shù)如表3。

表3 不同損傷程度的疲勞次數(shù)試驗條件不同損傷程度的疲勞次數(shù)/次應(yīng)力比頻率/Hz20%40%50%60%80%0.351190238029753570476010178635724465535871440.45362724905108614481098819762470296439520.5527855669583411121057211441430171622880.65110220275330440102565126407681024

3 各損傷程度剩余強度分析

3.1 剩余強度的概念

本文選取一定疲勞損傷狀態(tài)時對瀝青混合料測定劈裂抗拉強度，確定在某一損傷時瀝青混合料還能抵抗多大的劈裂強度。瀝青混合料經(jīng)過疲勞損傷后的剩余強度對于研究荷載作用在某一狀態(tài)時瀝青混合料所具有的力學(xué)特性具有重要意義。公路交通中經(jīng)過行車荷載多年后瀝青面層必然存在或多或少可用肉眼觀察到或不能觀察到的損傷和裂縫，如何評價該種狀態(tài)下瀝青混合料所具有的強度是研究的關(guān)鍵。

3.2 不同損傷程度的剩余強度

確定剩余強度時，設(shè)定每個試驗條件(應(yīng)力比及加載頻率)，按照各損傷程度循環(huán)作用次數(shù)對試件進(jìn)行疲勞試驗，當(dāng)達(dá)到需要的循環(huán)次數(shù)后，對損傷后的試驗進(jìn)行一次性劈裂抗拉強度試驗測定劈裂強度。各損傷程度剩余強度試驗結(jié)果如表4。

表4 劈裂剩余強度試驗條件不同損傷程度的劈裂剩余強度/MPa應(yīng)力比頻率/Hz20%40%50%60%80%0.351.180.670.540.430.26101.130.610.460.310.240.451.080.610.430.320.25101.030.550.370.310.240.551.010.520.430.340.24100.980.490.420.290.230.650.970.470.370.310.21100.950.430.310.290.21

3.3 損傷程度擬合分析

由于已得出各損傷程度的劈裂剩余強度，通過圖像對比分析各試驗條件剩余強度的變化狀態(tài)。

通過圖2各損傷程度剩余強度變化規(guī)律，隨著損傷程度增加，劈裂剩余強度在遞減，原因在于瀝青混合料疲勞損傷過程中重復(fù)荷載作用使瀝青混合料內(nèi)部集料越來越松散。重復(fù)荷載作用造成的疲勞破壞不同于一次性作用的強度試驗，一次性作用強度試驗作用時間短且協(xié)調(diào)變形慢，主要傾向內(nèi)部集料所能抵抗的強度破壞，所以劈裂試驗后試件破壞較多是集料斷裂出現(xiàn)破壞斷面，而重復(fù)荷載疲勞試驗作用時間長，荷載作用力小，材料通過協(xié)調(diào)變形使荷載更均勻傳遞。集料強度和剛度高長時間小荷載作用難以使其破壞，但瀝青混合料是由瀝青與骨料組成的非均勻材料，薄弱區(qū)域在瀝青砂(瀝青與小于2.36 mm以下細(xì)集料組成的瀝青膠結(jié)料)與粗集料(大于2.36 mm的集料)相互連接的界面位置。

圖2 各損傷程度剩余強度

劈裂疲勞試驗在小荷載長時間的作用下使薄弱區(qū)域的瀝青砂逐漸松散。當(dāng)損傷程度在20%時，瀝青混合料整體表現(xiàn)出來的損傷不大，各試驗條件下劈裂剩余強度約在1 MPa附近，此時瀝青混合料內(nèi)部薄弱區(qū)域發(fā)生小范圍松散，但對整體剩余強度還保持較高水平。隨著疲勞作用達(dá)到40%～60%損傷程度時，瀝青混合料內(nèi)部損傷表現(xiàn)較為明顯，松散的瀝青混合料薄弱區(qū)域進(jìn)一步擴散并發(fā)生相互連通，此時剩余強度迅速降低，并可用肉眼觀察到試件外部曲折發(fā)展的裂縫，剩余強度在0.3～0.6 MPa間。

由剩余強度表4與圖2可得，當(dāng)應(yīng)力比越小即荷載越小，加載頻率越小即時間越長，瀝青混合料表現(xiàn)的剩余強度越大，所以更小的荷載更長的作用時間更能使材料免于過快地松散和免于產(chǎn)生過大的損傷，使得薄弱區(qū)域的瀝青砂強度衰減變得平緩。

當(dāng)損傷程度達(dá)到80%時，可通過肉眼觀察到明顯的瀝青混合料曲折開裂，無論此時試驗條件如何材料表現(xiàn)的剩余強度非常接近，在80%損傷程度測得的各試驗條件下剩余強度集中在0.21～0.26 MPa之間。

通過上述定性分析劈裂剩余強度隨損傷程度的變化過程，為更好地研究剩余強度變化規(guī)律提供參考，使用數(shù)學(xué)方法將損傷程度與剩余強度建立指數(shù)關(guān)系。由于各試驗條件變化規(guī)律表現(xiàn)在圖2中，取各試驗條件剩余強度線中部，使用指數(shù)函數(shù)表達(dá)式y(tǒng)=k×eax擬合變化趨勢方程：

y=1.36×e-2.66 x

式中，y表示劈裂剩余強度，MPa；x表示為損傷程度，%，相關(guān)系數(shù)96%滿足要求。擬合方程適用于量化計算AC — 13型瀝青混合料各疲勞損傷程度的劈裂剩余強度，該方法值得推薦。

4 結(jié)論

1) 通過瀝青混合料劈裂疲勞試驗控制疲勞試驗條件應(yīng)力比與加載頻率，得出不同應(yīng)力比不同加載頻率的疲勞壽命。建立疲勞壽命 — 應(yīng)力比的疲勞壽命曲線，得出加載頻率為5 Hz的疲勞方程Nf=117×(1/S)3.21和10 Hz的疲勞方程Nf=371×(1/S)2.72。

2) 疲勞損傷以線性演化為模型，得出各試驗條件20%、40%、50%、60%、80%疲勞損傷程度的作用次數(shù)。對各個試驗條件下對應(yīng)的損傷程度進(jìn)行劈裂抗拉強度試驗，得出劈裂剩余強度 — 損傷程度變化規(guī)律：隨著損傷程度增加劈裂剩余強度在降低。

3) 為量化各試驗條件下劈裂剩余強度 — 損傷程度的變化規(guī)律，通過指數(shù)關(guān)系式擬合各損傷程度的剩余強度值，得出相關(guān)程度達(dá)96%的劈裂剩余強度與損傷程度的指數(shù)表達(dá)式y(tǒng)=1.36×e-2.66 x。

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2016-10-11

交通部道路與交通行業(yè)重點實驗室開放基金項目(長沙)(kfj08023)

李沛洪(1993-)，男，碩士研究生，從事道路結(jié)構(gòu)與材料研究。

1008-844X(2017)01-0048-03

U 414

A