應(yīng)力控制模式下瀝青混合料疲勞損傷力學(xué)性能研究

沈錢超，吳幫偉，沈 燕，范 釗

揚州大學(xué) 建筑科學(xué)與工程學(xué)院,江蘇 揚州 225127

0 引言

疲勞是瀝青路面破壞的主要方式之一,它可以降低瀝青路面的力學(xué)性能,導(dǎo)致柔性路面結(jié)構(gòu)的疲勞破壞[1].研究瀝青混合料路面在應(yīng)力控制模式下的疲勞性能,對瀝青路面在復(fù)雜的交通荷載與環(huán)境條件下延長服役壽命具有重要的意義.

目前,針對于應(yīng)力控制模式下瀝青混合料疲勞性能試驗的研究,國內(nèi)已經(jīng)取得了初步的成就,成果主要集中于采用不同應(yīng)力比進行室內(nèi)疲勞試驗,通過試驗結(jié)果建立疲勞方程和室內(nèi)疲勞壽命預(yù)測模型[2-4]；國外學(xué)者主要側(cè)重于疲勞參數(shù)與疲勞蠕變應(yīng)力比關(guān)系的研究[5-7]，而缺少在應(yīng)力控制模式下?lián)饺敫男詾r青和玄武巖纖維(Basalt fiber,英文縮寫為BF)的瀝青混合料疲勞損傷性能研究.基于此,本文選取7種不同類型的瀝青混合料,通過四點小梁彎曲疲勞試驗方法,測定應(yīng)力控制模式下瀝青混合料疲勞壽命,探究勁度模量、累計耗散能等疲勞參數(shù)在疲勞損傷過程中的變化規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上,為設(shè)計能抵抗疲勞開裂能力的路面結(jié)構(gòu)提供廣泛的室內(nèi)試驗與評價.

1 試驗設(shè)計

1.1 原材料

1.1.1 瀝青

本文選用的道路石油瀝青為中國石油化工股份有限公司金陵分公司生產(chǎn)的金陵70#瀝青,苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(Styrene-butadiene-styrene,英文縮寫為SBS)熱塑性彈性體瀝青采用成品改性瀝青,兩種不同瀝青能試驗結(jié)果見表1.

表1 兩種不同瀝青性能指標及試驗結(jié)果Table 1 Performance indicators and test results for two different kinds of asphalt

1.1.2 集料

集料選用玄武巖和石灰?guī)r,玄武巖應(yīng)用于SMA-13瀝青混合料配合比設(shè)計,石灰?guī)r應(yīng)用于Sup-20和Sup-25瀝青混合料配合比設(shè)計,兩種集料密度測定結(jié)果見表2.

表2 集料性能指標及試驗結(jié)果Table 2 Aggregate performance indicators and test results

1.2 瀝青混合料材料組成

本文考慮到試驗級配豐富性,選取SMA-13，Sup-20和Sup-25等3種級配的混合料,通過摻入SBS改性瀝青或復(fù)合劑以改善瀝青混合料的疲勞性能,具體材料組成見表3.

表3 不同面層瀝青混合料組成材料Table 3 Different surface asphalt mixture materials

1.3 試驗與評價方法

目前,研究瀝青混合料的常用方法有力學(xué)近似法、現(xiàn)象學(xué)法和耗散能法[9-10].本文從滿足試驗可操作性和研究目的的角度出發(fā),確定以四點彎曲小梁疲勞試驗為研究方法.

為保證試驗兼容性和與實際瀝青路面受力情況盡量接近[11-12],同時考慮試驗的可操作性,試驗儀器采用英國進口的UTM(Universal test machine,英文縮寫為UTM).

1.3.1 試件制備

Sample 1#:輪碾法成型瀝青混合料板塊試件,400 mm×300 mm×75 mm;Sample 2#:切割Sample 1#,制作小梁試件(380±5) mm(長)×(50±5)mm(高)×(63.5±5)mm(寬).

1.3.2 試驗條件

本文采用四點彎曲小梁試驗,具體試驗參數(shù)見表4.

表4 試驗參數(shù)匯總Table 4 Summary of test parameters

1.3.3 評價方法

2.1.10 鐵。2012年全市葉片鐵平均含量為146.16 mg/kg(表1)，說明鐵的含量在較高的水平，這與果園較低的土壤pH有關(guān)。煙臺果園土壤通常不缺鐵，土壤中的過量磷和有機質(zhì)能夠降低鐵的有效性。土壤鐵含量過高影響陽離子交換量和降低其他養(yǎng)分的有效性。

在應(yīng)力控制模式下,四點彎曲小梁試驗停止條件設(shè)置為試件的彎拉勁度模量衰減至初始值的10 %,此時,認定瀝青混合料疲勞失效[13-14].

2 應(yīng)力控制模式下瀝青混合料疲勞試驗

瀝青混合料抗疲勞性能是表征其力學(xué)性能的指標,作為一種粘彈性材料,其損傷過程復(fù)雜,影響因素眾多.

本文根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E 20-2011)[15]對瀝青混合料進行四點彎曲小梁疲勞試驗,采用應(yīng)力控制的連續(xù)偏正弦加載模式,分別測定應(yīng)力水平0.7，1.0和1.5下7種瀝青混合料的疲勞壽命,試驗結(jié)果如表5所示.

表5 四點彎曲小梁疲勞試驗結(jié)果Table 5 Fatigue test results of four - point bending trabeculae

圖1 不同應(yīng)力水平控制模式下瀝青混合料疲勞壽命的單對數(shù)坐標曲線Fig.1 Single logarithmic curves of number of fatigue ofasphalt mixture under control mode of different stress levels

由表5可得,在應(yīng)力比0.7，1.0和1.5的試驗條件下,摻入玄武巖纖維的SMA-13瀝青混合料的疲勞壽命分別是摻加木質(zhì)素纖維的2.27，2.99和1.17倍；摻入玄武巖纖維的Sup-20瀝青混合料的疲勞壽命分別是不加纖維的0.12，0.35和1.30倍；摻入玄武巖纖維的Sup-25瀝青混合料的疲勞壽命分別是不加纖維素的1.99，2.91和1.08倍.表明在應(yīng)力控制模式下玄武巖纖維瀝青混合料的疲勞壽命隨級配不同趨勢不一致,對于Sup-20級配在應(yīng)力比較低時,玄武巖纖維瀝青混合料疲勞壽命降低.

3 混合料疲勞壽命影響因素分析

3.1 基于現(xiàn)象學(xué)法的疲勞損傷模型

根據(jù)表5中疲勞試驗結(jié)果,基于傳統(tǒng)應(yīng)力控制模式的現(xiàn)象學(xué)疲勞方程,采用冪函數(shù)形式,對疲勞壽命與應(yīng)力水平按式(1)進行回歸,并在單對數(shù)坐標下繪制疲勞壽命與應(yīng)力水平的回歸曲線,如圖1所示.

logNf=b+kσ

(1)

式中,Nf為瀝青混合料疲勞壽命,次;σ為應(yīng)力比;k為單對數(shù)疲勞方程的斜率,k值絕對值越大表明,混合料疲勞壽命在不同應(yīng)力水平下敏感程度越大即混合料抗疲勞性能越差;b為單對數(shù)疲勞方程的截距,b值越大表明,瀝青混合料疲勞壽命越長,瀝青混合料耐久性越好.

由圖1及表6可以看出,對公稱最大粒徑較小的級配SMA-13和Sup-20,摻加玄武巖纖維后k值及b值的絕對值降低,說明玄武巖纖維可改善瀝青混合料疲勞壽命對應(yīng)力水平的敏感程度,即在重載交通下,摻加玄武巖纖維可有效改善瀝青混合料的疲勞性能,但與Sup-20級配疲勞壽命得到的結(jié)果不一致.而對Sup-25級配,k值及b值升高,表明應(yīng)力控制模式下該方法無法評價玄武巖纖維瀝青混合料的疲勞性能.

表6 應(yīng)力控制模式下瀝青混合料單對數(shù)疲勞方程Table 6 Semi-logarithmic fatigue equation of asphalt mixture under stress control mode

3.2 能量耗散與疲勞壽命的關(guān)系

3.2.1 應(yīng)力控制模式下瀝青混合料耗散角試驗結(jié)果分析

瀝青混合料在疲勞破壞過程中表現(xiàn)出的耗散角大小與疲勞裂紋在瀝青混合料內(nèi)部擴展的狀態(tài)有關(guān),若瀝青混合料疲勞裂紋在瀝青或瀝青膠漿內(nèi)擴展時黏性成分表現(xiàn)的比較突出,則此時的耗散角就比較大；若瀝青混合料疲勞裂紋在集料內(nèi)部擴展時彈性成分表現(xiàn)的比較突出,則此時的耗散角就比較小.

由表5可知,瀝青混合料耗散角隨應(yīng)力水平的升高而增大,摻加玄武巖纖維對瀝青混合料的耗散角影響較小.這是因為隨應(yīng)力水平的升高,在相同加載時間下瀝青混合料的變形量增大,其黏性效應(yīng)表現(xiàn)得更突出,因此耗散角隨應(yīng)力水平的升高而增大.

3.2.2 應(yīng)力控制模式下瀝青混合料累積耗散能試驗結(jié)果分析

瀝青混合料在交變荷載作用下的疲勞破壞是能量不斷消耗的過程.由斷裂力學(xué)理論可知,材料的破壞是裂紋逐漸擴展的過程,把每一個加載循環(huán)中損失的能量積聚起來并轉(zhuǎn)化為裂紋擴展形成新表面的表面能.荷載作用過程中累積耗散能達到材料所能承載的限度時,材料就會發(fā)生破壞.如圖2～圖4所示,加入SBS改性劑的Sup-25瀝青混合料的疲勞壽命和累積耗散能都明顯大于摻入道路石油瀝青的Sup-25瀝青混合料.試驗結(jié)果表明：在瀝青混合料中摻入適量SBS改性劑能賦予實體路面更好的抗變形能力,提高路面抗疲勞能力,特別是在大流量、超載嚴重的公路上具有良好的應(yīng)變能力,增強路面的承載能力.

圖2 應(yīng)力比0.7下不同瀝青混合料累積耗散能的對比Fig.2 Comparison of cumulative dissipation energy ofdifferent asphalt mixtures under the stress ratio of 0.7

圖3 應(yīng)力比1.0下不同瀝青混合料累積耗散能的對比Fig.3 Comparison of cumulative dissipation energy ofdifferent asphalt mixtures under stress ratio of 1.0

摻加玄武巖纖維的SMA-13瀝青混合料與摻加木質(zhì)素纖維的瀝青混合料在相同應(yīng)力條件下的試驗結(jié)果比較得,前者的疲勞壽命和累積耗散能都遠大于后者,說明纖維在提高瀝青混合料的物理力學(xué)性能方面優(yōu)于木質(zhì)素.

圖4 應(yīng)力比1.5下不同瀝青混合料累積耗散能的對比Fig.4 Comparison of cumulative dissipation energy of different asphalt mixtures under stress ratio of 1.5

3.3 勁度模量與疲勞壽命的關(guān)系

通過對瀝青混合料試件在3個不同應(yīng)力比(分別為0.7,1.0和1.5)下勁度模量的統(tǒng)計分析,可明顯發(fā)現(xiàn),在3個應(yīng)力水平循環(huán)荷載作用下,彎拉勁度模量的變化均可分成三階段.第一階段:彎拉勁度模量急劇下降;第二階段:試驗維持時間最長,彎拉勁度模量衰減緩慢,基本上呈線性;第三階段:彎拉勁度模量彎拉勁度模量再次急劇下降,直至試件失效或破壞.3組應(yīng)力水平下彎拉勁度模量的變化規(guī)律如圖5～圖7所示.

圖5 SMA-13級配瀝青混合料勁度模量與疲勞壽命之間的關(guān)系Fig.5 Relationship between stiffness modulus andnumber of fatigue of SMA-13 grade asphalt mixture

圖6 Sup-20級配瀝青混合料勁度模量與疲勞壽命之間的關(guān)系Fig.6 Relationship between stiffness modulus andfatigue of Sup-20 grade asphalt mixture

圖7 Sup-25級配瀝青混合料勁度模量與疲勞作用次數(shù)之間的關(guān)系Fig.7 Relationship between stiffness modulus and number of fatigue of Sup-25 grade asphalt mixture

由圖5～圖7可以發(fā)現(xiàn),摻加玄武巖纖維后瀝青混合料的初始勁度模量均有提高,且除Sup-20級配勁度模量變化持續(xù)時間最長的階段勁度模量緩慢衰減階段延長,趨勢變緩.

結(jié)合瀝青混合料疲勞壽命,由曲線變化趨勢可以發(fā)現(xiàn),對同種類瀝青混合料,其試驗應(yīng)力比越大,曲線斜率越大.這表明施加的應(yīng)力水平越高,試件的勁度模量衰減值越大,導(dǎo)致剩余勁度模量越小,這與試驗過程中試件的損傷行為一致.

4 結(jié)論

(1) 在單對數(shù)坐標下,對SMA-13和Sup-20級配的瀝青混合料摻入玄武巖纖維后,其k及b的絕對值降低,說明在重載交通下,摻入玄武巖纖維可有效提高瀝青混合料的抗疲勞性能;而對Sup-25級配,k值及b值升高,表明應(yīng)力控制模式下該方法無法評價玄武巖纖維瀝青混合料的疲勞性能.

(2) 瀝青混合料的耗散角隨應(yīng)力水平的增高而增大,摻入玄武巖纖維對瀝青混合料的耗散角影響較小;對Sup-25級配的瀝青混合料,摻入SBS改性劑能明顯提高其累積耗散能;摻入玄武巖纖維的SMA-13級配的瀝青混合料與摻入木質(zhì)素纖維比較,前者累積耗散能遠大于后者.

(3) 瀝青混合料試件在特定應(yīng)力比下的勁度模量衰減可分成三個階段,其中第一階段和第三階段的勁度模量急劇變小,第二階段的持續(xù)時間最長,勁度模量緩慢下降.另外,試件的彎拉勁度模量衰減值隨應(yīng)力水平的升高而增大,導(dǎo)致剩余彎拉勁度模量越小,與試驗過程中試件的損傷行為一致.