基于雙邊缺口拉伸試驗(yàn)的SBS改性瀝青抗疲勞性能評(píng)價(jià)

艾長(zhǎng)發(fā) 顏 薇 陶雅樂(lè) 任東亞 歐陽(yáng)鋮霏

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 610031； 2.道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610031)

現(xiàn)行研究中對(duì)瀝青的評(píng)價(jià)體系可分為3類(lèi)：針入度分級(jí)、黏度分級(jí)和基于性能的PG (performance grade)分級(jí)，但只有PG分級(jí)提出了比較明確的瀝青結(jié)合料疲勞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法，即采用疲勞因子G*·sinδ[1-2]來(lái)表征瀝青的中溫疲勞性能。但相關(guān)研究表明[3-4]，該指標(biāo)與瀝青混合料的疲勞性能相關(guān)程度很低，且不適用于SBS等改性瀝青。除G*·sinδ外，現(xiàn)行研究中，J.P.Planche[5]提出的基于動(dòng)態(tài)剪切流變儀時(shí)間掃描測(cè)試、Carl M.Johnson[6]提出的應(yīng)變控制疲勞掃描試驗(yàn)、基于膠結(jié)料屈服能的BYET疲勞測(cè)試[7]、線(xiàn)性振幅掃描試驗(yàn)(LAS)[8]等都形成了各自的瀝青疲勞性能評(píng)價(jià)方法，但上述評(píng)價(jià)手段都高度依賴(lài)動(dòng)態(tài)剪切流變儀，該試驗(yàn)流程繁瑣、儀器價(jià)格昂貴，普通的一線(xiàn)工地實(shí)驗(yàn)室尚未普及[9-10]。相較國(guó)外，我國(guó)沒(méi)有直接引入G*·sinδ作為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室配備都不支持此類(lèi)測(cè)試。因此，上述測(cè)試都很難直接引入并作為我國(guó)工程界瀝青膠結(jié)料的疲勞性能評(píng)價(jià)方法[11]。

基于此，本研究引入斷裂力學(xué)中的雙邊缺口拉伸試驗(yàn)(double-edge-notched tension testing,DENT)[12]和基于基本斷裂功的臨界裂紋尖端位移(crack tip opening displacement,CTOD)評(píng)價(jià)指標(biāo)用于瀝青膠結(jié)料的中溫下疲勞性能評(píng)價(jià)。雙邊缺口拉伸試驗(yàn)最初用于高分子材料的韌性斷裂研究[13]，通過(guò)計(jì)算預(yù)制缺口試件在拉伸條件下的測(cè)力-位移曲線(xiàn)面積，提出了基本斷裂功(essential work of fracture,We)作為瀝青疲勞性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)[14]，DENT試驗(yàn)簡(jiǎn)單，借助測(cè)力延度儀即可完成。CTOD是材料本身屬性的真實(shí)反映，不受試件幾何尺寸的影響[15]。本文基于該基本原理及試驗(yàn)操作的具體過(guò)程，測(cè)試一組不同溫拌劑摻量的SBS改性瀝青，并與疲勞因子G*·sinδ的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，同時(shí)，進(jìn)一步通過(guò)混合料四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，從瀝青混合料路用性能層面對(duì)CTOD表征的膠結(jié)料疲勞性能結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 雙邊缺口拉伸試驗(yàn)(DENT)

1.1 DENT與延度、直接拉伸試驗(yàn)的對(duì)比

圖1為3種試驗(yàn)的試模和試件示意圖(同比例繪制)，其中，直接拉伸試件尺寸最小，且需要的拉伸設(shè)備條件較為嚴(yán)苛。DENT試件的加載方式、長(zhǎng)度與延度類(lèi)似，通過(guò)測(cè)力延度儀完成加載。一組雙邊缺口拉伸試驗(yàn)需同時(shí)制作3個(gè)缺口截面處韌帶寬度l分別為5，10，15 mm的試件，見(jiàn)圖2。其他澆模、刮模，以及水浴養(yǎng)護(hù)操作與延度試件的制作基本相同，在規(guī)定溫度的水浴養(yǎng)護(hù)條件完成后，對(duì)試件進(jìn)行恒定速率條件下的拉伸加載，記錄試件拉斷前的測(cè)力-位移數(shù)據(jù)，作為計(jì)算瀝青膠結(jié)料CTOD值等參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，圖3為未添加溫拌劑的SBS改性瀝青DENT試驗(yàn)的測(cè)力-位移曲線(xiàn)圖。

圖1 雙邊缺口拉伸、延度、直接拉伸試件對(duì)比

圖2 雙邊缺口拉伸試驗(yàn)試件成型示意圖

圖3 SBS改性瀝青DENT試驗(yàn)的測(cè)力-位移曲線(xiàn)

1.2 基于基本斷裂功的DENT測(cè)試原理

通過(guò)測(cè)力-位移曲線(xiàn)可以進(jìn)一步計(jì)算瀝青膠結(jié)料的基本斷裂功we?；緮嗔压Φ母拍钣葿roberg[16]提出。拉伸試件時(shí)，預(yù)置的缺口截面處因應(yīng)力集中造成試件拉斷，作用在試件上的總功WT可以通過(guò)恒定速率拉伸加載的測(cè)力-位移曲線(xiàn)(見(jiàn)圖3)的包絡(luò)面積得出，實(shí)際計(jì)算時(shí)取2次拉力-位移曲線(xiàn)包括面積的平均值。Cotterell等[17]認(rèn)為試樣獲得的加載能主要包括耗散在斷裂核心區(qū)域的斷裂功和耗散在斷裂核心區(qū)外圍的塑性變形區(qū)域的塑性功Wp。即斷裂功We、塑性功Wp和總功WT，三者間的關(guān)系為

WT=We+Wp

(1)

基本斷裂功we為發(fā)生在韌帶斷面上的單位面積功，其值越大，材料的抗韌性斷裂能力越強(qiáng)，是一個(gè)材料性能常數(shù)。其可由式(2)表達(dá)。

we=We/(B·l)

(2)

式中：B為韌帶截面的實(shí)測(cè)厚度；l為韌帶寬度。

基本塑性功wp為發(fā)生在韌帶周?chē)苄宰冃螀^(qū)域的單位體積功，其值越大，材料的塑性變形能力越強(qiáng)，該指標(biāo)既受材料性質(zhì)影響，又與試件的幾何尺寸緊密相關(guān)?；舅苄怨捎墒?3)計(jì)算。

wp=Wp/(l2·B·β)

(3)

式中：β為試件的幾何特征參數(shù)。

將式(2)、式(3)代入式(1)，等式兩側(cè)同除以韌帶截面面積l×B，得到斷裂總單位功wt僅關(guān)于韌帶寬度l變化的表達(dá)式，得式(4)。

wt=we+β·wp·l

(4)

由式(4)可知，斷裂總單位功wt是關(guān)于韌帶長(zhǎng)度l的一次直線(xiàn)擬合方程，該直線(xiàn)與y坐標(biāo)軸的截距即為基本斷裂功we，斜率為βwp。

1.3 臨界裂紋尖端位移CTOD指標(biāo)下的瀝青疲勞性能表征

進(jìn)一步根據(jù)得到的基本斷裂功we計(jì)算臨界裂紋尖端位移CTOD。已有研究認(rèn)為可以通過(guò)裂紋尖端的應(yīng)變量來(lái)表征裂紋體的擴(kuò)展[18]，但由于裂紋尖端的應(yīng)變量難以測(cè)量，而裂紋尖端張開(kāi)位移不僅與應(yīng)變量直接相關(guān)且易于直接測(cè)量，故提出臨界裂紋尖端位移CTOD的定義：指帶裂紋的試件承受拉伸荷載后，裂紋尖端附近區(qū)域出現(xiàn)材料屈服，在裂紋失穩(wěn)拓展前尖端2表面的張開(kāi)位移即為CTOD，其反映的是材料本身的特性，其與之前的基本斷裂功存在以下計(jì)算關(guān)系

(5)

式中：σnet為試件拉伸過(guò)程中充分屈服的韌帶截面的最大凈截面應(yīng)力。

通過(guò)DENT試驗(yàn)可以得到的表征瀝青樣品內(nèi)部裂紋極限拉應(yīng)變的CTOD值，當(dāng)選用材料的相對(duì)CTOD值越大，意味著形成瀝青混凝土后，其在中溫條件(0～30 ℃)黏結(jié)集料間的瀝青膜則可以承受更大的應(yīng)變。只要反復(fù)拉荷載的最大應(yīng)變值不超過(guò)CTOD所表征的極限應(yīng)變量，集料間瀝青中存在的先天裂紋缺陷不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)性拓展，當(dāng)反復(fù)荷載的能量無(wú)法在塑性變形區(qū)內(nèi)被消耗時(shí)，就只能在核心斷裂區(qū)進(jìn)行釋放，其中包含的先天裂紋就會(huì)在過(guò)剩的高應(yīng)變荷載下逐漸張開(kāi)。因此，若某種瀝青的測(cè)試CTOD值越大，可認(rèn)為該種瀝青對(duì)于高應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞裂縫產(chǎn)生的抗力也越大。不同于傳統(tǒng)疲勞試驗(yàn)的反復(fù)加載，只需要通過(guò)一次DENT破壞拉伸試驗(yàn)使韌帶截面處的核心斷裂區(qū)拉至失穩(wěn)直至破壞，就可以將瀝青材料的CTOD值測(cè)出。通過(guò)對(duì)比不同瀝青試樣在同一測(cè)試條件下的CTOD值，即可對(duì)其抗疲勞性能的優(yōu)劣做出評(píng)價(jià)。

在裂紋發(fā)生失穩(wěn)拓展前，試件的韌帶寬度l越小，韌帶截面凈應(yīng)力就越大(見(jiàn)圖4)，整個(gè)韌帶截面的屈服程度也就越全面，CTOD測(cè)試值受到試件尺寸等外部因素的影響也越小，越接近該材料的CTOD常數(shù)值。故后續(xù)計(jì)算中σnet使用5 mm韌帶寬度下的最大凈截面應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算。

圖4 韌帶截面凈應(yīng)力大小與韌帶寬度的關(guān)系

2 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)共分為3個(gè)階段。①選取研究所依托的某高速公路項(xiàng)目采用的SBS改性瀝青，添加Evotherm?型的溫拌劑M1，溫拌劑M1采用0.2%，0.5%，0.8% 3個(gè)摻量級(jí)別，并進(jìn)行RTFOT+PAV老化；②分別在路面代表溫度15，25 ℃的水浴條件下進(jìn)行DENT試驗(yàn)，目前的試驗(yàn)尚未考慮拉伸速率對(duì)于測(cè)試CTOD的影響，為了能夠適配于我國(guó)的測(cè)力延度設(shè)備，采用的拉伸速率和試件長(zhǎng)度(安裝孔中心距)和延度試驗(yàn)相同，后期的試驗(yàn)將對(duì)比拉伸速率對(duì)于測(cè)試結(jié)果的影響，故此次試驗(yàn)的加載速率均選定為50 mm/min；③在15 ℃條件下，使用溫拌劑含量不同的瀝青膠結(jié)料分別制作油石比為5.8%的SMA-13混合料小梁試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞性能驗(yàn)證。四點(diǎn)彎曲疲勞測(cè)試儀器采用UTM-100試驗(yàn)機(jī)，其位移和力控制精度高，并帶有溫控箱。試件采用ASTM D7460標(biāo)準(zhǔn)，380 mm(長(zhǎng))×63.5 mm(寬)×50 mm(厚)的混合料小梁試件，采用我國(guó)路面當(dāng)量疲勞溫度15 ℃，標(biāo)準(zhǔn)加載頻率10 Hz，通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)后采用800×10-6應(yīng)變控制的連續(xù)偏正弦加載模式，每組平行試件4個(gè)。

2.2 PG分級(jí)測(cè)試結(jié)果分析

經(jīng)RTFOT+PAV老化后的瀝青試樣的主要性能指標(biāo)見(jiàn)表1。通過(guò)25 ℃的G*·sinδ測(cè)試值可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫拌劑摻量的變化，疲勞因子G*·sinδ的測(cè)試值從小到大排序?yàn)椋篠BS+0.8%M1

表1 試驗(yàn)用瀝青主要技術(shù)性能(試樣個(gè)數(shù)n=3)

2.3 DENT測(cè)試結(jié)果分析

基于基本斷裂功的DENT測(cè)試原理、臨界裂紋尖端位移CTOD指標(biāo)下的瀝青疲勞性能表征，利用式(1)～式(5)，分別得到15 ℃和25 ℃下4種瀝青試樣總單位功wt、韌帶寬度l、βwp、臨界裂紋尖端位移CTOD等參數(shù)的變化關(guān)系，其對(duì)應(yīng)的主要數(shù)據(jù)值見(jiàn)表2。

表2 雙邊切口拉伸試驗(yàn)結(jié)果(試樣個(gè)數(shù)n=3)

根據(jù)式(4)，繪制圖5所示的2種溫度下總單位功wt關(guān)于韌帶長(zhǎng)度l的線(xiàn)性關(guān)系。圖中各直線(xiàn)的截距值即基本斷裂功we與溫拌劑摻量并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的線(xiàn)性關(guān)系。無(wú)論是15 ℃還是25 ℃下，隨溫拌劑摻量的提升，基本斷裂功we的數(shù)值從小到大排序?yàn)椋篠BS+0.2%M1

圖5 基本斷裂功隨韌帶長(zhǎng)度的變化關(guān)系

添加溫拌劑M1后，擬合直線(xiàn)斜率有明顯提高，即βwp增大。其對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。

圖6 2個(gè)溫度下βwp值隨M1摻量的變化關(guān)系

由圖6可見(jiàn)，15 ℃條件下瀝青試樣的βwp值均較25 ℃時(shí)大；無(wú)論是15 ℃還是25 ℃條件下，添加了溫拌劑瀝青試樣的βwp值比純凈瀝青的大，但加了溫拌劑摻量的瀝青試樣之間βwp值差距很小，沒(méi)有明顯的區(qū)分度；15 ℃條件下，βwp的數(shù)值從小到大排序?yàn)椋篠BS< SBS+0.2%M1

對(duì)比最為核心的CTOD值，見(jiàn)圖7，無(wú)論是15 ℃還是25 ℃，隨摻量的提升，CTOD持續(xù)增大，且CTOD隨摻量的增大趨勢(shì)也呈線(xiàn)性。

圖7 2個(gè)溫度下CTOD值隨M1摻量的變化關(guān)系

由表2中CTOD值的計(jì)算對(duì)比可知：25 ℃條件下，0.8%M1、0.5%M1、0.2%M1摻量的溫拌SBS瀝青的CTOD分別為純凈SBS瀝青的4.3倍、3.3倍、2.1倍，15 ℃條件下分別為1.8倍、1.5倍和1.2倍。說(shuō)明摻添溫拌劑后的瀝青膠結(jié)料能承受更大的應(yīng)變，而只要其服役期間承受的最大應(yīng)變不超過(guò)該值，其本身存在的裂紋缺陷就不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)性的拓展，這種提升隨溫拌劑摻量的增加更為顯著，表明瀝青的抗疲勞性能得到了增強(qiáng)。此變化趨勢(shì)與25 ℃疲勞因子G*·sinδ表征的趨勢(shì)相同。除此之外，4種試樣的CTOD值變化區(qū)間從15 ℃時(shí)的18～32 mm變化范圍擴(kuò)大至25 ℃時(shí)的58～252 mm，對(duì)于該系列溫拌瀝青的抗疲勞性能相對(duì)優(yōu)劣的區(qū)分度擴(kuò)大約8倍，說(shuō)明采用CTOD值在進(jìn)行路面中溫疲勞性能測(cè)試時(shí)，適當(dāng)?shù)靥嵘郎囟葘?duì)瀝青的抗疲勞性能區(qū)分度更高。

通過(guò)以上綜合對(duì)比，基于基本斷裂功的DENT測(cè)試原理、臨界裂紋尖端位移(CTOD)指標(biāo)下的瀝青疲勞性能表征相關(guān)的測(cè)試參數(shù)基本斷裂功we、瀝青試樣的βwp值、CTOD值可以發(fā)現(xiàn)：一方面，25 ℃條件下CTOD值與G*·sinδ表征疲勞性能的結(jié)果具有一致性；另一方面，25 ℃下CTOD指標(biāo)對(duì)于選用溫拌瀝青疲勞性能的區(qū)分度是15 ℃時(shí)的8倍，即適當(dāng)?shù)靥嵘郎囟葘?duì)瀝青的抗疲勞性能區(qū)分度更高。故CTOD指標(biāo)在瀝青的抗疲勞性能評(píng)價(jià)方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

2.4 混合料四點(diǎn)彎曲疲勞壽命測(cè)試結(jié)果

四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可見(jiàn)，添加0.2%，0.5%和0.8%的溫拌劑M1后，疲勞循環(huán)壽命Nfnm分別增加20.6%，34.3%和39.4%，說(shuō)明在考慮測(cè)試變異系數(shù)的影響下，隨溫拌劑摻量增大，瀝青混合料的抗疲勞性能增長(zhǎng)效果較明顯，見(jiàn)圖8?；旌狭掀谘h(huán)壽命和對(duì)應(yīng)膠結(jié)料的CTOD值隨溫拌劑摻量的增長(zhǎng)趨勢(shì)基本相近，可見(jiàn)由CTOD所表征的該系列溫拌瀝青膠結(jié)料的抗疲勞性能在對(duì)應(yīng)的混合料層面也有很好的體現(xiàn)。

表3 不同溫拌劑摻量的溫拌瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果(試樣個(gè)數(shù)n=7)

圖8 15 ℃下的CTOD和瀝青混合料疲勞循環(huán)壽命Nfnm的關(guān)系

3 結(jié)論

1) 本研究采用雙邊缺口拉伸試件并采用測(cè)力延度儀進(jìn)行加載，基于臨界裂紋尖端位移對(duì)中溫下的SBS改性瀝青抗疲勞性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。通過(guò)DENT試驗(yàn)一次性加載拉伸3個(gè)預(yù)制韌帶寬度不同的雙邊缺口瀝青試件，測(cè)試得到其拉力-位移曲線(xiàn)，基于斷裂理論計(jì)算得到基本斷裂功和韌帶截面應(yīng)力，并進(jìn)一步計(jì)算CTOD值作為瀝青膠結(jié)料的疲勞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。DENT試驗(yàn)所需設(shè)備簡(jiǎn)單，具有較好的現(xiàn)場(chǎng)工程推廣應(yīng)用價(jià)值。

2) 對(duì)比不同溫拌劑摻量的SBS改性瀝青試驗(yàn)數(shù)據(jù)，CTOD與25 ℃下G*·sinδ表征疲勞性能的結(jié)果具有一致性；此外試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，25 ℃下CTOD指標(biāo)對(duì)于選用溫拌瀝青疲勞性能的區(qū)分度是15 ℃時(shí)的8倍，該測(cè)試方法中溫度因素對(duì)瀝青疲勞性能的區(qū)分影響極大，故在進(jìn)行路面中溫疲勞性能測(cè)試時(shí)，適當(dāng)?shù)靥嵘郎囟葘?duì)瀝青的抗疲勞性能區(qū)分度更高。

3) 混合料四點(diǎn)彎曲小梁疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：基于CTOD膠結(jié)料疲勞性能變化趨勢(shì)與對(duì)應(yīng)混合料的疲勞壽命Nfnm的變化趨勢(shì)相近，進(jìn)一步驗(yàn)證了基于CTOD在SBS改性瀝青膠結(jié)料階段的抗疲勞性能區(qū)分評(píng)價(jià)的有效性。