瀝青混合料損傷愈合性能的多尺度評價(jià)

崔亞楠, 李雪杉, 吳華信, 張淑艷

(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)

由于瀝青路面具有行車舒適、平穩(wěn)且噪音較小等一系列的優(yōu)點(diǎn),瀝青在高等級道路中得到了廣泛應(yīng)用.瀝青路面在長期服役過程中會(huì)受到交通荷載、溫度應(yīng)力、光照等復(fù)雜環(huán)境的影響,使其力學(xué)性能不斷下降,不可避免會(huì)產(chǎn)生損傷破壞,最終導(dǎo)致其壽命下降.

瀝青混合料愈合性能的研究始于20世紀(jì)60年代,Bazin等[1]最先發(fā)現(xiàn)瀝青混合料具有自愈合的特點(diǎn),這一發(fā)現(xiàn)迅速引起了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注.1955年Hveem[2]通過調(diào)查研究指出,瀝青路面的疲勞開裂與路面變形量及交通量有關(guān),此結(jié)果為瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ).Schapery[3]基于裂縫表面能提出了斷裂力學(xué)的基本方法,用以解釋瀝青混合料的自愈合行為,并認(rèn)為瀝青混合料自愈合動(dòng)力為裂縫表面能的降低.Zollinger[4]研究表明濕度過大不利于瀝青的黏結(jié)作用.Little等[5]通過多次室內(nèi)與室外試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)新建瀝青路面比老舊瀝青路面的自愈合能力明顯更高.1980年初,Yamaguchi[6]和Peter等[7]共同提出了數(shù)字散斑相關(guān)法(DSCM)的思想與理論.苑苗苗等[8]采用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)對瀝青混合料進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn),結(jié)果表明苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)改性瀝青混合料抗疲勞性能優(yōu)于基質(zhì)瀝青混合料.

目前,國內(nèi)外的學(xué)者對瀝青混合料自愈合的宏觀表現(xiàn)和力學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律以及愈合性能的改善措施研究較多,而對其在細(xì)觀狀態(tài)下的自愈合性能的研究還有所欠缺,需要進(jìn)一步的加強(qiáng)和完善,從而可以更加合理地解釋其自愈合機(jī)制.本文通過宏觀與細(xì)觀相結(jié)合的方法,分析了不同老化程度、損傷度、愈合時(shí)間及愈合溫度條件下瀝青混合料的損傷愈合性能,進(jìn)而研究了不同因素對瀝青混合料的損傷愈合性能的影響機(jī)制.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

采用90#基質(zhì)瀝青(BA)與SBS改性瀝青混合料(SBS-MA)進(jìn)行損傷愈合試驗(yàn),按照J(rèn)TG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對這2種瀝青混合料損傷愈合性能進(jìn)行評價(jià),其基本指標(biāo)見表1所示.礦料為玄武巖,其技術(shù)指標(biāo)見表2所示,礦粉的表觀密度為2.628g/cm3.填料為石灰石礦粉,表觀密度為2.77g/cm3.瀝青混合料級配類型采用AC-16,其級配組成見表3所示,基質(zhì)瀝青混合料與SBS瀝青混合料最佳油石比(質(zhì)量比)分別為0.047和0.05.

表1 瀝青混合料的基本指標(biāo)

表2 礦料的技術(shù)指標(biāo)

表3 瀝青混合料的級配組成

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1半圓試件的制作

采用5850型旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀分別成型基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青混合料圓柱形試件.將圓柱形試件切割成半圓試件,厚度為(25.0±0.5)mm,直徑為(99.8±0.5)mm,并在試件中下部制作預(yù)切口,切口深度為10.0mm,寬度為2.0mm.為保證數(shù)字散斑拍攝效果,用顏料在試件表面制斑.

將試件分為3組：未老化(N)、長期熱老化(L)和紫外復(fù)合老化(UV-L).長期熱老化根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》對瀝青混合料進(jìn)行加速老化.紫外復(fù)合老化是將長期熱老化后的試件放入紫外老化箱中進(jìn)行,老化燈具采用1000W的高壓汞燈,溫度為40℃并強(qiáng)制通風(fēng),照射時(shí)間為146h,紫外線輻射強(qiáng)度為22.2kJ/cm3(相當(dāng)于內(nèi)蒙古地區(qū)1a的太陽光輻射量).

1.2.2基于DSCM的半圓彎曲損傷愈合試驗(yàn)

DSCM是利用全場疲勞及微小尺寸測量儀(CCD)采集物體表面散斑圖像,以變形前的圖像作參照,與變形后的圖像及其灰度特征值進(jìn)行對照比較,通過被測試件表面散斑點(diǎn)的位移距離與方向獲取物體表面的全局變形場[9-11].本試驗(yàn)加載設(shè)備采用IPC UTM-100加載,同時(shí)用DSCM法觀測,記錄試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)的同時(shí)進(jìn)行拍照，并將拍出的照片按拍攝時(shí)間先后順序進(jìn)行編號(N=1,2,3…)，N越大，加載時(shí)間越長.通過控制瀝青混合料預(yù)切口裂紋的水平張開位移U1,并將其作為損傷指標(biāo).試驗(yàn)環(huán)境溫度為15℃,試驗(yàn)機(jī)加載速率為0.02mm/s,達(dá)到目標(biāo)U1后以0.10mm/s的速率卸載.為了更好地模擬實(shí)際路面開裂,消除試件永久變形,并在愈合階段促進(jìn)裂紋的閉合,采用改進(jìn)彈性地基梁試驗(yàn)裝置：半圓試件下部橡膠塊采用邵氏硬度為32°的軟橡膠,作為瀝青混合料半圓試件的彈性基礎(chǔ);橡膠彈性基礎(chǔ)下用硬度較高的鋼板支撐,模擬地基基礎(chǔ);半圓試件、橡膠塊與鋼板之間采用環(huán)氧樹脂型AB膠黏結(jié),避免加載時(shí)發(fā)生相對滑移.

瀝青混合料的損傷愈合性能研究試驗(yàn)方案見表4,表中D為損傷度.第1、2、3、4組試驗(yàn)分別用來研究老化程度、損傷度、愈合溫度、愈合時(shí)間對瀝青混合料損傷愈合性能的影響.

表4 試驗(yàn)方案

1.2.3瀝青混合料損傷指標(biāo)的選取

對不同老化程度下瀝青混合料半圓試件進(jìn)行半圓彎曲試驗(yàn),直到試件破壞,從而得到不同老化程度下瀝青混合料半圓試件預(yù)切口裂紋水平張開最大位移Umax.

(1)

本文選取D=30%、50%、70%時(shí)的U1作為瀝青混合料的損傷指標(biāo).

1.2.4瀝青混合料愈合指標(biāo)的選取

1.2.4.1基于峰值荷載的宏觀愈合指數(shù)HIFmax

(2)

式中：Fmax1為損傷愈合后瀝青混合料半圓試件再次破壞時(shí)的峰值荷載;Fmax0為未經(jīng)損傷的瀝青混合料半圓試件進(jìn)行半圓彎曲破壞試驗(yàn)時(shí)的峰值荷載.

1.2.4.2基于斷裂能密度的宏觀愈合指數(shù)HIFE

瀝青混合料在溫度低于30℃下發(fā)生斷裂時(shí),在其裂紋尖端會(huì)形成1個(gè)非線性的變形區(qū)域,這個(gè)區(qū)域一般受微裂紋、空隙與界面破壞所影響[13-14].內(nèi)聚力模型可以很好地表征瀝青混合料斷裂時(shí)的特性,斷裂能密度(CZM)是通過裂紋界面上內(nèi)聚力與位移(t-δ)曲線來表示(見圖1).圖1中：Tc為是材料力學(xué)強(qiáng)度(如峰值荷載等),是內(nèi)聚力所能達(dá)到的最大值;δf為是裂紋表面最大位移,即失效位移;Gc為斷裂能;陰影部分面積為斷裂能密度(FE).采用瀝青混合料半圓試件損傷愈合前后斷裂能密度的變化來評價(jià)瀝青混合料的愈合性能.

圖1 斷裂能密度Fig.1 Fracture energy density

(3)

式中：FE1為試件損傷愈合后破壞時(shí)的斷裂能密度;FE0為試件正常破壞時(shí)的斷裂能密度.

1.2.4.3基于混合料預(yù)切口裂紋水平張開位移差ΔU的細(xì)觀愈合指標(biāo)

ΔU是通過計(jì)算機(jī)采集系統(tǒng),計(jì)算出加載下瀝青混合料的預(yù)切口裂紋水平張開位移U值,U值在數(shù)字散斑相關(guān)方法計(jì)算過程中向右移動(dòng)為正,向左移動(dòng)為負(fù),選取瀝青混合料半圓試件預(yù)切口兩側(cè)對稱3個(gè)點(diǎn)的U值,布置點(diǎn)如圖2所示.

圖2 試件預(yù)切口兩側(cè)計(jì)算點(diǎn)Fig.2 Calculating points on both sides of pre-notch for specimens

ΔU的計(jì)算式為：

(4)

式中：U0、U1、U2為瀝青混合料半圓試件預(yù)切口右側(cè)測點(diǎn)0、1、2的預(yù)切口裂紋水平張開位移；U3、U4、U5為瀝青混合料半圓試件預(yù)切口左側(cè)測點(diǎn)3、4、5的預(yù)切口裂紋水平張開位移.

2 結(jié)果與分析

2.1 基于HIFmax和HIFE瀝青混合料損傷愈合性能分析

2.1.1老化程度對瀝青混合料損傷愈合性能的影響

圖3為老化程度對瀝青混合料損傷愈合性能的影響.由圖3可見：對于愈合指數(shù)HIFmax,隨著老化程度的加深,基質(zhì)瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料的損傷愈合性能越好,其中不同老化程度下基質(zhì)瀝青混合料的損傷愈合性能均優(yōu)于SBS改性瀝青混合料;對于愈合指數(shù)HIFE,隨著老化程度的加深,基質(zhì)瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料的損傷愈合性能越差,未老化的基質(zhì)瀝青混合料損傷愈合性能較好.

圖3 老化程度對瀝青混合料損傷愈合性能的影響Fig.3 Effect of aging degree on damage healing performance of asphalt mixtures

2.1.2損傷度對瀝青混合料損傷愈合性能的影響

圖4為損傷度對瀝青混合料損傷愈合性能的影響.由圖4可見：對于愈合指數(shù)HIFmax,隨著損傷度的加深,基質(zhì)瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料的損傷愈合性能逐漸變差,但其區(qū)分效果并不明顯;對于愈合指標(biāo)HIFE,可以明顯看出隨著損傷度的加深,2種瀝青混合料的損傷愈合性能均明顯降低,其中SBS改性瀝青混合料的損傷愈合性能受損傷度的影響較大,損傷度為70%時(shí)瀝青混合料的損傷愈合性能明顯降低.

圖4 損傷度對瀝青混合料損傷愈合性能的影響Fig.4 Effect of damage degree on damage healing performance of asphalt mixtures

2.1.3愈合溫度對瀝青混合料損傷愈合性能的影響

圖5為愈合溫度對瀝青混合料損傷愈合性能的影響.由圖5可見：2種愈合指標(biāo)下隨著愈合溫度的升高,基質(zhì)瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料的愈合性能越好；基質(zhì)瀝青混合料與SBS改性瀝青混合料在55℃下瀝青混合料愈合性能最好,15℃時(shí)愈合性能最差.

圖5 愈合溫度對瀝青混合料損傷愈合性能的影響Fig.5 Effect of healing temperature on damage healing performance of asphalt mixtures

2.1.4愈合時(shí)間對瀝青混合料損傷愈合性能的影響

圖6為愈合時(shí)間對瀝青混合料損傷愈合性能的影響.由圖6可見：隨著愈合時(shí)間的延長,瀝青混合料的愈合指數(shù)逐漸增大；斷裂能與峰值荷載作為評價(jià)指標(biāo)都能體現(xiàn)出基質(zhì)瀝青混合料的損傷愈合性能優(yōu)于SBS改性瀝青混合料,并且愈合時(shí)間越長其損傷愈合性能越好.

圖6 愈合時(shí)間對瀝青混合料損傷愈合性能的影響Fig.6 Effect of healing time on damage healing performance of asphalt mixtures

綜上所述,利用瀝青混合料損傷愈合前后斷裂能密度的變化來評價(jià)其損傷愈合性能較好,這是由于損傷愈合前后,瀝青混合料的峰值荷載變化受老化影響較大,且隨著老化程度的加深,瀝青的勁度模量會(huì)增大,峰值荷載也隨之增大,會(huì)出現(xiàn)愈合指標(biāo)超過100%的現(xiàn)象.

2.2 基于ΔU瀝青混合料的損傷愈合性能分析

2.2.1老化程度對瀝青混合料愈合性能的影響

圖7為老化程度對瀝青混合料ΔU的影響.由圖7(a)可見：隨著老化程度的加深,SBS改性瀝青混合料ΔU的最大值逐漸減小;未老化的SBS改性瀝青混合料的ΔU最大,在相同的損傷度下,未老化的SBS改性瀝青混合料ΔU比長期熱老化下要大,這是由于SBS改性瀝青混合料試件在長期熱老化后其硬度和勁度模量增大,試件的變形能力下降,而未老化的SBS改性瀝青混合料試件的抗裂能力較好,要達(dá)到相同的損傷度需要更大的損傷位移,使得試件的整體變形也就越大.由圖7(b)可見,基質(zhì)瀝青混合料ΔU隨老化程度的變化規(guī)律與SBS改性瀝青混合料相反.這是由于在較低老化程度下,基質(zhì)瀝青具有較好的黏性,混合料試件在重力作用下容易發(fā)生變形,其界面損傷較低,且基質(zhì)瀝青的愈合溫度為55℃,超過基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)47℃,隨著愈合時(shí)間的延長,預(yù)切口兩側(cè)瀝青更易發(fā)生流動(dòng),導(dǎo)致其散斑點(diǎn)發(fā)生位移.

圖7 老化程度對瀝青混合料ΔU的影響Fig.7 Effect of aging degree on ΔU of asphalt mixtures

由圖7還可見：長期熱老化和紫外復(fù)合老化瀝青混合料的ΔU接近;但紫外復(fù)合老化后的瀝青混合料損傷愈合能力略低于長期熱老化后的瀝青混合料,這是由于紫外線照射的深度只有幾毫米,對骨料的影響較小;ΔU隨加載時(shí)間的增加逐漸增大,卸載后ΔU迅速降低,這是由于彈性地基梁的恢復(fù)作用;相同損傷度下,基質(zhì)瀝青混合料加載階段的ΔU要遠(yuǎn)小于SBS改性瀝青混合料,卸載階段后ΔU恢復(fù)值比SBS改性瀝青混合料高,這是由于在55℃的愈合溫度下,基質(zhì)瀝青混合料的黏性較大,具有更好的變形與變形恢復(fù)能力.

2.2.2損傷度對瀝青混合料損傷愈合性能的影響

圖8為損傷度對瀝青混合料愈合4h時(shí)ΔU的影響.由圖8可見：隨著損傷度的增大,SBS改性瀝青混合料的ΔU急劇下降；當(dāng)損傷度達(dá)到70%時(shí),其內(nèi)部出現(xiàn)宏觀損傷(裂紋),難以愈合;當(dāng)損傷度為30%時(shí),基質(zhì)瀝青混合料的ΔU出現(xiàn)了負(fù)值,此時(shí)其內(nèi)部并沒有產(chǎn)生明顯裂紋,而是由于彈性地基梁的作用,基質(zhì)瀝青混合料在愈合初期發(fā)生彈性恢復(fù),同時(shí)由于瀝青黏性比較大,界面損傷較低,且基質(zhì)瀝青的軟化點(diǎn)為47℃,在55℃的愈合溫度下,隨著愈合時(shí)間的增加,受混合料試件自重的影響,預(yù)切口兩側(cè)基質(zhì)瀝青發(fā)生流動(dòng),導(dǎo)致散斑點(diǎn)發(fā)生位移,產(chǎn)生負(fù)值;當(dāng)損傷度達(dá)到50%時(shí),界面出現(xiàn)了微裂紋,瀝青流動(dòng)促使微裂紋閉合,發(fā)生了愈合,這說明在較低損傷度下瀝青混合料本身各項(xiàng)性能并沒有太大的影響;在較大的損傷度下(50%、70%),基質(zhì)瀝青混合料的ΔU均高于SBS改性瀝青混合料,這是由于SBS相互交聯(lián)形成三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),并且該結(jié)構(gòu)具有溶脹和吸附作用,瀝青中的輕組分被吸收,瀝青質(zhì)等極性組分含量增加,使瀝青變硬,流動(dòng)性變差.

圖8 損傷度對瀝青混合料愈合4h時(shí)ΔU的影響Fig.8 Effect of damage degree on ΔU of asphalt mixtures healing at 4h

2.2.3愈合時(shí)間對瀝青混合料損傷愈合性能的影響

為了研究不同時(shí)間段2種瀝青混合料ΔU的變化情況,本文取損傷度70%、愈合溫度55℃下ΔU在愈合0～24h內(nèi)的變化來分析瀝青混合料的損傷愈合性能,結(jié)果如圖9所示.

圖9 愈合時(shí)間對瀝青混合料ΔU的影響Fig.9 Effect of healing time on ΔU of asphalt mixtures

由圖9可見,2種瀝青混合料ΔU呈現(xiàn)明顯的階段性：(1)愈合第1階段(0～2h),2種瀝青混合料的ΔU最大,此時(shí)瀝青向裂縫中黏性流動(dòng)以及裂縫界面處瀝青分子的相互潤濕和擴(kuò)散促使宏觀裂紋閉合,隨著愈合時(shí)間的增加,2種瀝青混合料的愈合速率迅速降低;(2)愈合第2階段(2～8h),此時(shí)是由于瀝青混合料界面微裂紋的表面能作用;(3)愈合第3階段(8～24h),此時(shí)2種瀝青混合料的ΔU達(dá)到最小.這說明瀝青混合料損傷恢復(fù)主要發(fā)生在愈合初期,后期由損傷引起的裂縫寬度逐漸減小但非常緩慢.由圖9還可見：基質(zhì)瀝青混合料的ΔU明顯大于SBS改性瀝青混合料;隨著愈合時(shí)間的增加,SBS改性瀝青的ΔU逐漸減小,說明愈合時(shí)間超過一定范圍,增加愈合時(shí)間并不能有效地改善瀝青混合料各項(xiàng)性能指標(biāo)的恢復(fù)能力.

2.2.4愈合溫度對瀝青混合料損傷愈合性能的影響

圖10為愈合溫度對瀝青混合料愈合4h時(shí)ΔU的影響.由圖10可見：隨著愈合溫度的升高,SBS改性瀝青混合料的損傷愈合性能逐漸提高;2種瀝青混合料在愈合溫度為15℃下,ΔU不但沒有恢復(fù),而且還有所增加,這是由于瀝青在較低溫度下黏性較小,彈性較大甚至出現(xiàn)了脆性的特點(diǎn),使其分子間運(yùn)動(dòng)受到的摩擦力變大,導(dǎo)致在較低溫度下其內(nèi)部出現(xiàn)的損傷不能恢復(fù),同時(shí)受到自重的影響,因此瀝青混合料的ΔU有所增大;愈合溫度為35℃時(shí),基質(zhì)瀝青混合料的損傷愈合性能明顯高于SBS改性瀝青混合料,這是由于在35℃下,基質(zhì)瀝青混合料主要體現(xiàn)為黏彈性,并具有分子擴(kuò)散浸潤的特性,有利于其內(nèi)部產(chǎn)生的微裂紋閉合;愈合溫度為55℃時(shí),基質(zhì)瀝青混合料預(yù)切口兩側(cè)損傷不但沒有恢復(fù),而且還在增加,這是由于此溫度下預(yù)切口兩側(cè)的基質(zhì)瀝青發(fā)生流動(dòng),導(dǎo)致散斑點(diǎn)發(fā)生位移.

圖10 愈合溫度對瀝青混合料愈合4h時(shí)ΔU的影響Fig.10 Effect of healing temperature on ΔU of asphalt mixtures healing at 4h

綜上,基于瀝青混合料預(yù)切口裂紋水平張開位移差ΔU為指標(biāo)得出的結(jié)論和基于斷裂能密度的HIFE為指標(biāo)得出的結(jié)論相符.

3 結(jié)論

(1)在不同因素的影響下,瀝青混合料宏觀與細(xì)觀指標(biāo)的變化規(guī)律表現(xiàn)出相似特征.

(2)當(dāng)采用預(yù)切口裂紋水平張開位移差ΔU分析不同老化程度的瀝青混合料損傷愈合性能時(shí)發(fā)現(xiàn),老化程度的加深使基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青混合料的損傷愈合性能逐漸變差.

(3)損傷度對于瀝青混合料的損傷愈合效果起著重要的作用.隨著損傷度的加深,基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青混合料的損傷愈合性能明顯降低.

(4)愈合溫度越高,愈合時(shí)間越長,瀝青混合料的損傷愈合性能越好.

(5)在實(shí)際工況中,可以從以下3個(gè)方面來提高瀝青混合料的損傷愈合性能:①選擇合適的改性劑來提升瀝青混合料的損傷愈合性能;②通過實(shí)行交通管制,降低高溫期間車輛的通行量,使路面荷載間歇期延長,以達(dá)到恢復(fù)路面材料性能的目的;③嚴(yán)格控制載重貨車和車輛載重,降低瀝青路面損傷度.