基于耗散能方法評(píng)價(jià)硬質(zhì)瀝青混合料抗疲勞性能

楊 光， 王旭東,2， 時(shí)敬濤

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150090；2.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院， 北京 100088； 3.中石油燃料油有限責(zé)任公司研究院， 北京 100010)

高模量瀝青混凝土在歐洲尤其是法國(guó)應(yīng)用十分廣泛，其在改善路用性能方面取得了很好效果[1].實(shí)現(xiàn)混凝土的高模量通常有2種方法：摻加高模量劑或使用硬質(zhì)瀝青.相比高模量劑，硬質(zhì)瀝青的質(zhì)量更容易控制，且價(jià)格較低.通常把針入度為20～50(0.1mm)的瀝青稱(chēng)為硬質(zhì)瀝青.作為一種針入度小、黏結(jié)力強(qiáng)的基質(zhì)瀝青，硬質(zhì)瀝青與礦料拌和后生產(chǎn)出的瀝青混合料具有較高的模量，可有效提高路面的高溫穩(wěn)定性，減小路面車(chē)轍的發(fā)生[2].同時(shí)，有研究表明硬質(zhì)瀝青混合料的水穩(wěn)定性也較好[3].

盡管硬質(zhì)瀝青混合料有以上優(yōu)勢(shì)，但由于瀝青延展性的問(wèn)題，其低溫性能和疲勞性能尤其值得關(guān)注.通常認(rèn)為硬質(zhì)瀝青混合料的低溫性能不足，低溫彎曲蠕變?cè)囼?yàn)的極限彎拉應(yīng)變較低，在混合料設(shè)計(jì)時(shí)需要滿(mǎn)足規(guī)范中不同區(qū)域的要求[4].而對(duì)于硬質(zhì)瀝青混合料的疲勞特性，由于試驗(yàn)方法和分析角度的不同，結(jié)論也不完全一致.有研究認(rèn)為硬質(zhì)瀝青混合料具有很好的抗疲勞性能.孫亦純等[5]發(fā)現(xiàn)采用應(yīng)力控制模式下的硬質(zhì)瀝青混凝土疲勞壽命明顯大于普通瀝青混凝土.劉朝暉等[6]發(fā)現(xiàn)高黏度硬質(zhì)瀝青混合料疲勞壽命在相當(dāng)于應(yīng)力控制的APA(瀝青路面分析儀)試驗(yàn)中表現(xiàn)優(yōu)異，其壽命比普通重交瀝青混合料疲勞壽命平均增長(zhǎng)42%，也比一般的改性瀝青混合料平均增長(zhǎng)24%.劉宏富等[7]對(duì)4種瀝青混合料進(jìn)行了三點(diǎn)彎曲對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)A-30硬質(zhì)瀝青混合料的疲勞壽命更高.然而，也有分析認(rèn)為，高模量瀝青混合料的使用影響了路面的疲勞壽命.周慶華等[8]針對(duì)帶裂縫的半剛性基層高模量瀝青混凝土面層的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)反射裂縫的應(yīng)力強(qiáng)度因子隨高模量層的增加而提高，在疲勞斷裂參數(shù)不改變的情況下，瀝青路面的疲勞壽命將降至原壽命的74.6%.同樣，如采用應(yīng)變控制模式進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，硬質(zhì)瀝青混合料的抗疲勞性能并不理想.因此，對(duì)硬質(zhì)瀝青混合料來(lái)說(shuō)，試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)指標(biāo)均會(huì)對(duì)其抗疲勞性能結(jié)果產(chǎn)生重要影響.

鑒于此，本文結(jié)合工程中實(shí)際使用的硬質(zhì)瀝青混合料，采用室內(nèi)四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法，選取了2種荷載控制模式和不同試驗(yàn)溫度，對(duì)硬質(zhì)瀝青混合料的抗疲勞性能進(jìn)行了全面比較與評(píng)價(jià).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與設(shè)備

1.1.1原材料

瀝青選用新疆克拉瑪依生產(chǎn)的30#硬質(zhì)瀝青和山西宇通高速路面材料有限公司生產(chǎn)的SBS改性瀝青.2種瀝青的技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 30#硬質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青技術(shù)指標(biāo)

在實(shí)體工程中硬質(zhì)瀝青混合料用于下面層，改性瀝青混合料用于表面層，因此直接選取了硬質(zhì)瀝青混合料SAC25-30#和改性瀝青混合料SAC16-SBS為研究材料.對(duì)2種瀝青混合料分別進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)，最終得到生產(chǎn)級(jí)配，見(jiàn)表2.

表2 SAC25-30#和SAC16-SBS瀝青混合料生產(chǎn)級(jí)配

1.1.2試驗(yàn)設(shè)備

疲勞試驗(yàn)通常有3種：試驗(yàn)路、加速加載試驗(yàn)和室內(nèi)小尺寸試件試驗(yàn).前2種試驗(yàn)盡管與路面實(shí)際狀況接近，但由于設(shè)備昂貴、周期較長(zhǎng)，通常難以實(shí)現(xiàn)；室內(nèi)疲勞試驗(yàn)技術(shù)因較為成熟、操作更為簡(jiǎn)易，已成為測(cè)試瀝青混合料抗疲勞性能的主要技術(shù)，其有很多種類(lèi)，如彎曲試驗(yàn)、直接拉伸試驗(yàn)、間接拉伸試驗(yàn)、三軸試驗(yàn)、斷裂力學(xué)試驗(yàn)和輪轍試驗(yàn)等.

在綜合分析了上述各試驗(yàn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)后，本文最終選用四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)方法.試驗(yàn)采用UTM-100型材料試驗(yàn)機(jī)的獨(dú)立伺服氣動(dòng)四點(diǎn)彎曲小梁測(cè)試儀來(lái)進(jìn)行瀝青混合料小梁試件的疲勞試驗(yàn).試件采用輪碾法成型，然后用巖石切割機(jī)將車(chē)轍板切割為64mm×51mm×380mm的棱柱形小梁；再選取密度均值在1.5倍標(biāo)準(zhǔn)差范圍內(nèi)的試件備用，以減少因成型試件的不均勻性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響；通過(guò)調(diào)整應(yīng)力、應(yīng)變水平，控制疲勞壽命Nf為103～106次，使得疲勞曲線更為可靠.試驗(yàn)中可采集的主要數(shù)據(jù)有最大拉應(yīng)力/拉應(yīng)變、相位角、勁度模量、耗散能和累計(jì)耗散能等.

1.2 試驗(yàn)

1.2.1試驗(yàn)溫度

通常疲勞試驗(yàn)選取的溫度為15℃或者20℃.由于瀝青混合料是一種溫度敏感性材料，且硬質(zhì)瀝青隨溫度降低，延展性降低顯著.為了分析硬質(zhì)瀝青混合料在不同溫度下的抗疲勞特性，綜合考慮設(shè)備的技術(shù)參數(shù)(負(fù)溫目前無(wú)法實(shí)現(xiàn))，本文最終選取了20，15，5℃這3個(gè)溫度，來(lái)比較2種瀝青混合料在常溫和較低溫度下抗疲勞性能的差異.需要注意的是，試件在進(jìn)行試驗(yàn)前需在試驗(yàn)溫度下保持恒溫4h以上，以確保試件內(nèi)部達(dá)到試驗(yàn)所需溫度.

1.2.2荷載控制模式

在疲勞試驗(yàn)中，荷載控制模式分為常應(yīng)力控制模式和常應(yīng)變控制模式(簡(jiǎn)稱(chēng)應(yīng)力控制模式和應(yīng)變控制模式)，其對(duì)于不同勁度瀝青混合料的疲勞壽命會(huì)產(chǎn)生顯著影響.通常認(rèn)為，在應(yīng)力控制模式下，勁度模量大的瀝青混合料具有更好的抗疲勞性能；而應(yīng)變控制模式對(duì)于勁度模量小的瀝青混合料更有利.從能量耗散的角度來(lái)說(shuō)，它們的變化趨勢(shì)不同：應(yīng)力控制模式下應(yīng)變逐漸增大，每個(gè)周期的耗散能逐漸增加；而應(yīng)變控制模式下應(yīng)力逐漸減小，每個(gè)周期的耗散能逐漸減小，這就造成了材料疲勞損傷的歷程不同.

在實(shí)際路面中，材料受到的車(chē)輛荷載作用既不是完全的應(yīng)力控制模式，也不是完全的應(yīng)變控制模式，而是更接近應(yīng)力逐漸減小、應(yīng)變逐漸增大的過(guò)程.有研究以路面的厚度作為控制模式的分界線，認(rèn)為面層厚度大于12.6cm時(shí)，由于基層剛度相對(duì)較小，荷載重復(fù)作用使面層應(yīng)變?cè)鲩L(zhǎng)較快，以致最后迅速增大而出現(xiàn)路面破裂，這一過(guò)程比較符合應(yīng)力控制模式；當(dāng)面層厚度小于12.6cm時(shí)，因面層較薄而更符合應(yīng)變控制模式[9].這一觀點(diǎn)有一定的合理性，可操作性也很強(qiáng)，但是忽視了瀝青混合料勁度的影響.如硬質(zhì)瀝青混合料這種勁度較高的材料，可能路面厚度并未達(dá)到這一臨界值，但是單獨(dú)以應(yīng)變控制模式去評(píng)價(jià)其抗疲勞性能也是值得商榷的.

大量文獻(xiàn)在研究瀝青混合料的疲勞問(wèn)題時(shí)，從不同角度說(shuō)明了應(yīng)力和應(yīng)變控制模式均具有一定的合理性[10-13].文獻(xiàn)[14]表明材料在應(yīng)變控制模式下的疲勞壽命是應(yīng)力控制模式的2.4倍.對(duì)于相同材料，如采用不同的控制模式來(lái)評(píng)價(jià)其抗疲勞性能的，有可能就會(huì)得到截然相反的結(jié)果，這需要從疲勞試驗(yàn)方法和原理上進(jìn)行研究.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 疲勞壽命破壞標(biāo)準(zhǔn)的選擇

在疲勞試驗(yàn)中，隨著荷載作用次數(shù)的增加，瀝青混合料勁度模量逐漸衰減，累計(jì)耗散能逐漸增加.通常在應(yīng)力控制模式下，以試件斷裂對(duì)應(yīng)的次數(shù)作為其疲勞壽命；在應(yīng)變控制模式下，把試件勁度模量衰減到50%時(shí)對(duì)應(yīng)的作用次數(shù)作為其疲勞壽命，這一標(biāo)準(zhǔn)較為簡(jiǎn)便，但是50%這個(gè)數(shù)值具有一定隨意性，并不能完全反映材料的疲勞損傷臨界狀態(tài).

本文采用了2種控制模式，如采用不同的疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)結(jié)果將無(wú)法進(jìn)行橫向比較，也無(wú)法統(tǒng)一.試驗(yàn)中遇到以下幾種情況：(1)在較低溫度下，采用應(yīng)力控制模式時(shí)試件勁度模量未衰減到50%就發(fā)生了破壞；(2)硬質(zhì)瀝青混合料試件在 5℃ 時(shí)，采用較大的應(yīng)變水平，會(huì)直接發(fā)生斷裂；(3)小應(yīng)力/應(yīng)變情況下，很難達(dá)到勁度模量的50%.這些情況均不能采用50%勁度模量或者試件斷裂作為疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn).針對(duì)這些情況，本文借鑒了美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)ASTM 7460 “Standard test method for determining fatigue failure of compacted asphalt concrete subjected to repeated flexural bending”規(guī)范中的NM曲線(規(guī)格化模量×次數(shù)-次數(shù)曲線)峰值作為疲勞壽命的方法，其表達(dá)式見(jiàn)式(1)：

(1)

式中：NM為規(guī)格化模量×次數(shù)；S0和N0為初始勁度模量和對(duì)應(yīng)的作用次數(shù)(通常為第50周期)；Si和Ni為荷載作用i次時(shí)的勁度模量和作用次數(shù).

在疲勞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)NM曲線與勁度模量衰減曲線密切相關(guān)，而且NM曲線的峰值點(diǎn)恰好對(duì)應(yīng)了材料損傷從平穩(wěn)擴(kuò)展到加速破壞的臨界狀態(tài).無(wú)論是應(yīng)力控制模式還是應(yīng)變控制模式，NM峰值點(diǎn)均能很好地表征材料的臨界損傷狀態(tài)，同時(shí)避免了不同控制模式在損傷加速擴(kuò)展階段的差異，將2種控制模式進(jìn)行了有效的統(tǒng)一.這與采用50%初始勁度模量對(duì)應(yīng)的疲勞壽命相比，物理意義更為明確.因此本文疲勞試驗(yàn)結(jié)果均采用NM峰值所對(duì)應(yīng)的載荷作用次數(shù)作為試件的疲勞壽命.

2.2 疲勞曲線

圖1為2種瀝青混合料在不同溫度、不同控制模式下的單對(duì)數(shù)疲勞曲線.

圖1 SAC25-30#和SAC16-SBS瀝青混合料疲勞曲線Fig.1 Fatigue curves of asphalt mixture SAC25-30# and SAC16-SBS

由圖1可以看出:不同溫度和不同控制模式下，2種瀝青混合料的疲勞性能差異明顯.采用應(yīng)變控制模式時(shí)，在不同溫度情況下，SAC16-SBS的抗疲勞性能均優(yōu)于SAC25-30#,但這種差異隨著溫度的降低有減小趨勢(shì)，5℃時(shí)2種混合料的疲勞曲線非常接近.這一結(jié)果表明，SAC16-SBS的黏彈性更好，隨著溫度降低，2種瀝青混合料的黏彈性均有所減弱.采用應(yīng)力控制模式時(shí)，2種瀝青混合料20℃的疲勞性能存在交叉，在較大應(yīng)力水平情況下，硬質(zhì)瀝青混合料的疲勞性能更優(yōu)；15℃時(shí)SAC16-SBS的疲勞性能更好，5℃時(shí)SAC25-30#的疲勞性能更好.結(jié)果表明，應(yīng)力控制模式對(duì)于評(píng)價(jià)勁度模量較高的瀝青混合料十分有利.

2.3 累計(jì)耗散能-極限比

顯然，表象法只能對(duì)比同一控制模式下、某個(gè)溫度時(shí)2種瀝青混合料的疲勞性能，結(jié)果的差異性導(dǎo)致不能最終確定瀝青混合料疲勞性能的優(yōu)劣.有研究提出耗散能的概念，認(rèn)為累計(jì)耗散能Wf和疲勞壽命Nf具有很好的相關(guān)性(見(jiàn)式(2))，并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證[15-17].

(2)

式中:A和Z均為系數(shù).

累計(jì)耗散能可以將應(yīng)力控制和應(yīng)變控制2種模式有效地結(jié)合起來(lái)，統(tǒng)一評(píng)價(jià)材料的疲勞壽命.本文將2種瀝青混合料在不同溫度下的累計(jì)耗散能曲線進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖2.

圖2 不同溫度下的累計(jì)耗散能Wf曲線Fig.2 Accumulative dissipated energy curves at different temperatures

由圖2可以看出，20℃時(shí)相同疲勞壽命下SAC16-SBS的累計(jì)耗散能大于SAC25-30#，且隨著溫度的降低，2條曲線逐漸接近，在5℃時(shí)幾乎重合.然而，由于不同瀝青混合料的黏彈特性和剛度存在差異，其耗散能的特征各不相同，甚至相同材料在不同溫度下的耗散能都有很大差異，如果單獨(dú)比較瀝青混合料的累計(jì)耗散能，其結(jié)果會(huì)受到不同程度的干擾.在水泥混凝土疲勞性能分析過(guò)程中，通常使用應(yīng)力強(qiáng)度比的概念，將應(yīng)力水平與彎拉強(qiáng)度的比值作為疲勞曲線的橫坐標(biāo)，這樣不同材料的疲勞性能能夠更好地進(jìn)行比較.水泥混凝土強(qiáng)度較高，作為承重結(jié)構(gòu)，采用應(yīng)力控制模式進(jìn)行疲勞試驗(yàn)具有合理性，而瀝青混合料在路面中更接近何種受力模式并不確定.因此本文在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，首先對(duì)2種瀝青混合料進(jìn)行了四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表3.以此來(lái)分析不同瀝青混合料在黏彈特性和剛度上的差異.

表3 四點(diǎn)彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

由表3可以看出：2種瀝青混合料的極限彎拉應(yīng)力σmax和極限彎拉應(yīng)變?chǔ)舖ax差異十分明顯，常溫下，硬質(zhì)瀝青混合料SAC25-30#的極限彎拉應(yīng)力更高，而極限彎拉應(yīng)變處在一個(gè)很低的水平.如果采用應(yīng)變控制模式去評(píng)價(jià)它的抗疲勞性能，顯然低于改性瀝青混合料.同樣，隨著溫度降低，改性瀝青混合料的強(qiáng)度逐漸增加，而極限彎拉應(yīng)變卻逐漸減小，如果采用應(yīng)變控制模式，其抗疲勞性能也會(huì)逐漸減弱；而采用應(yīng)力控制模式，其抗疲勞性能會(huì)得出相反的結(jié)果.由此可見(jiàn)，瀝青混合料的黏彈性差異導(dǎo)致了單獨(dú)采用累計(jì)耗散能這一指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)材料的抗疲勞性能時(shí)，會(huì)造成評(píng)價(jià)結(jié)果不具有客觀性.而對(duì)于同種材料不同溫度或者同一溫度不同種材料來(lái)說(shuō)，其極限彎拉應(yīng)力或極限彎拉應(yīng)變這一閾值，決定了疲勞試驗(yàn)中的應(yīng)力或應(yīng)變水平對(duì)該材料疲勞損傷實(shí)際程度的大小.換言之，累計(jì)耗散能的大小不能完全反映材料抗疲勞性能的差異，該差異應(yīng)該與上述閾值相關(guān).材料的應(yīng)力應(yīng)變水平越接近這一閾值，說(shuō)明其損傷的程度越大.所以，本文引入了極限彎拉應(yīng)力×極限彎拉應(yīng)變閾值(σmax×εmax)的概念，對(duì)累計(jì)耗散能進(jìn)行修正，采用累計(jì)耗散能-極限比WfR這一指標(biāo)來(lái)客觀反映瀝青混合料的疲勞性能，見(jiàn)式(3).

WfR=Wf/(σmax×εmax)

(3)

σmax×εmax數(shù)值越大表示瀝青混合料抵抗荷載和變形的能力越強(qiáng).WfR相當(dāng)于把累計(jì)耗散能指標(biāo)進(jìn)行了歸一化，便于不同材料之間的疲勞性能比較，同時(shí)把不同控制模式下材料的疲勞性能進(jìn)行了統(tǒng)一.由此，重新建立WfR和疲勞壽命的關(guān)系，見(jiàn)圖3.

圖3 不同溫度下的WfR曲線Fig.3 WfR curves at different temperatures

由圖3可以看出，WfR曲線更為直觀地反映了2種混合料在不同溫度下的抗疲勞性能.在20℃時(shí)，隨著疲勞壽命的增長(zhǎng)，SAC25-30#的WfR逐漸小于SAC16-SBS，說(shuō)明在20℃時(shí)SAC25-30#的抗疲勞性能更優(yōu)；15℃時(shí)2條曲線十分接近，在 5℃ 時(shí)SAC25-30#的WfR明顯超過(guò)了SAC16-SBS，說(shuō)明隨著溫度降低，SAC25-30#的抗疲勞性能有減弱的趨勢(shì).這一結(jié)果表明硬質(zhì)瀝青混合料在常溫情況下，隨著服役壽命增加，抗疲勞性能更優(yōu)，更具耐久性；隨著溫度的降低，瀝青延展性下降對(duì)硬質(zhì)瀝青混合料抗疲勞性能產(chǎn)生了不利影響.

3 結(jié)語(yǔ)

(1)采用表象法分析時(shí)，硬質(zhì)瀝青混合料和改性瀝青混合料在不同控制模式和溫度下的抗疲勞性能各有優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明控制模式對(duì)瀝青混合料抗疲勞性能的評(píng)價(jià)有很大影響.

(2)基于耗散能理論，采用累計(jì)耗散能這一指標(biāo)進(jìn)行瀝青混合料抗疲勞性能評(píng)價(jià)時(shí)，可以將應(yīng)力和應(yīng)變2種控制模式統(tǒng)一起來(lái)，分析材料在不同溫度下抗疲勞性能的差異.結(jié)果表明，在20℃時(shí)相同疲勞壽命下，硬質(zhì)瀝青混合料的累計(jì)耗散能更小，說(shuō)明其抗疲勞性能更好；隨著溫度的降低，硬質(zhì)瀝青混合料與改性瀝青混合料的累計(jì)耗散能曲線逐漸接近，5℃ 時(shí)趨于重合，兩者抗疲勞性能并無(wú)明顯差別.

(3)由于受材料黏彈特性和剛度差異的影響，采用耗散能指標(biāo)評(píng)價(jià)瀝青混合料抗疲勞性能存在一定的局限性，因此引入了極限彎拉應(yīng)力和極限彎拉應(yīng)變這2個(gè)參數(shù)，提出了累計(jì)耗散能-極限比WfR這一指標(biāo)對(duì)累計(jì)耗散能Wf進(jìn)行了修正.硬質(zhì)瀝青混合料在20℃時(shí)的WfR更小，具有更好的抗疲勞性能；在較低溫度下，WfR明顯增大，說(shuō)明其抗疲勞性能有明顯衰減的趨勢(shì).這一指標(biāo)為評(píng)價(jià)硬質(zhì)瀝青混合料的抗疲勞性能提供了參考.

(4)本文只分析了如何通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)來(lái)客觀評(píng)價(jià)硬質(zhì)瀝青混合料的抗疲勞性能.材料在路面結(jié)構(gòu)中實(shí)際的抗疲勞性能還需要采用其他手段進(jìn)行進(jìn)一步研究，同時(shí)WfR指標(biāo)的適用性及可靠性還需加以完善.