基于粘彈性連續(xù)損傷理論的瀝青混合料疲勞損傷性能分析

于延忠，李冬娜，高宏剛，顏魯春，張 斌

(1．甘肅恒路交通勘察設計院有限公司，甘肅 蘭州 730030； 2．蘭州交通大學 機電工程學院，甘肅 蘭州 730030)

在日益增加的交通量及行車荷載的反復作用下，瀝青路面產生車轍水損害，損傷不斷累積，路面強度不能適應日益增長的交通量，進而發(fā)生疲勞破壞，路面使用壽命縮短. 基于上述問題，諸多學者提出了利用不同改性瀝青研究對瀝青混合料疲勞壽命的影響.葉青[1]基于粘彈性的瀝青混合料疲勞性能研究提出的表征材料粘彈性的指標，明確材料固有屬性對瀝青混合料疲勞性能的作用. 敖清文等[2]通過3點彎曲疲勞試驗研究了抗車轍劑、試驗參數(shù)對改性瀝青混合料疲勞性能的影響規(guī)律.馬海濤[3]研究了不同玄武巖摻量對瀝青混合料抗疲勞性能的改善效果.顏可珍等[4]利用有限元方法建立了瀝青混合料粘彈性IFPFD本構模型，該模型可較好地表征瀝青混合料的所有動態(tài)黏彈參數(shù).馬迪[5]利用干涉判斷算法建立了瀝青混合料的隨機細觀模型.何兆益[6]建立了適用于不同級配瀝青混合料動態(tài)模量的預估模型，且該模型能夠應用于瀝青路面結構的設計和分析.然而，現(xiàn)有研究僅從單一層面對瀝青混合料的疲勞特性進行分析，并未涉及兩者的耦合情況.

本文采用1種基質瀝青、1種聚合物改性瀝青(PMB)、3種不同比例納米黏土添加劑以及1種特殊級配的碎石灰?guī)r，共同構成8種改性瀝青和8種不同的熱拌瀝青(HMA)混合物來研究瀝青的粘彈性及疲勞性能.

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

試驗采用的瀝青為針入度等級為60/70的基質瀝青(LDPE)和聚合物改性瀝青(PMB)，由德國黑蘭煉油廠提供，其技術指標如表1所示.

在以上2種瀝青中加入了不同摻量的納米黏土顆粒(其技術指標如表2所示).用超聲波攪拌器在150 ℃的溫度下攪拌20 min，納米黏土顆粒(Nanoclay)分別以2%、4%、6%的濃度加入基質瀝青和聚合物改性瀝青中，用2%、4%、6%的納米顆粒改性瀝青化合物分別命名為NB2NC、NB4NC和NB6NC，其技術指標如表3所示.含有改性聚合物瀝青的納米黏土稱為PMB2NC、PMB4NC和PMB6NC，其技術指標如表4所示.

表1 基質瀝青與PMB改性瀝青技術指標

表2 納米黏土指標

表3 納米黏土改性瀝青的技術指標

表4 聚合物-納米黏土改性瀝青技術指標

采用如表5所示骨料級配，利用輪碾法成型車轍板，采用揉輪壓實機對HMA混合料進行壓實，然后使用切割機將車轍板分為63 mm×50 mm×380 mm的棱柱狀試樣，在4點彎曲梁試驗中進行3次重復疲勞試驗.

表5 骨料級配

1.2 試驗方法

1.2.1 連續(xù)損傷力學方法

瀝青混合料是應力和時間相關的材料，在各種應力作用下表現(xiàn)出粘彈性特性，瀝青對瀝青混合料的粘彈性有很大的影響.因此，許多研究人員嘗試通過改性瀝青來改善路面的性能[7].在近幾十年來，各種改性劑和添加劑在瀝青和熱拌瀝青(HMA)混合料中得到了廣泛的應用，其目的都是用不同的方法來量化瀝青混合料的疲勞過程.在各種方法中，應變方法首先由Monismith和Energy提出，這種方法應用簡單、試驗程序明確.疲勞模型采用的是機械式經(jīng)驗模型路面(MEPDG)，是一種考慮應變方法材料特性的模型，表達式為

(1)

式中：Nf為瀝青混合料的疲勞壽命；εt為拉伸壽命瀝青底層應變；E為動力模量；其他參數(shù)通過試驗確定.

采用時間掃描法(TS)對瀝青結合料疲勞性能進行了測試，但是這種測試過程很耗時，線性振幅掃描(LAS)測試是近年來引入的一種純聚合物改性瀝青疲勞性能的評估方法.

通過結合粘彈性連續(xù)損傷力學(VECD)瀝青結合料的概念，根據(jù)這個理論，時間是瀝青材料粘彈性變?yōu)榫€性彈性的主要因素.根據(jù)Schapery的工作理論，功損關系為

(2)

式中：W為做功；D為損傷強度；a為材料常數(shù).

基于VECD理論，瀝青中的損害積累受到疲勞載荷的計算式為

(3)

式中：D(t)為時間t處的損傷累積；ID為初始值未損壞的|G*|評價指標；|G*|為復數(shù)模量；δ為相位角；γ0為剪切應變；α為材料常數(shù).

使用VECD分析瀝青的疲勞性能，類似于傳統(tǒng)的瀝青混合物疲勞關系，即

Nf=A(γmax)-B，

(4)

式中：γmax為對于給定的路面結構測試的瀝青應變最大值；A、B為從LAS測試得到的參數(shù)，LAS試驗中瀝青的疲勞特性為由參數(shù)“A35”表示，累積損傷在該測試中的疲勞標準是減少G*sinδ初始值的35% ，“B”參數(shù)代表所測瀝青的損傷率隨應變水平的變化而變化.

1.2.2 LAS試驗

本研究采用線性振幅掃描(LAS)以表征不同瀝青的疲勞性能.在AASHTO標準中，該測試方法包含了瀝青疲勞性能粘彈性系數(shù)測試，應用動態(tài)剪切流變儀(DSR)進行試驗試件的測試.結合VECD概念，在剪切振幅之前加載掃描，進行頻率掃描試驗，以確定在測試初級階段對樣品施加0.1%的恒定應變和0.1～30 Hz頻率范圍內的無損傷材料參數(shù).然后，對試樣施加增量加載在10 Hz頻率下0.1%～30%的剪切應變.所有瀝青及改性瀝青試樣均為條件性的短期時效模擬.

1.2.3 4點彎曲梁疲勞試驗

4點彎曲梁疲勞試驗AASHTO-T321-07標準采用4種方法研究了熱拌瀝青混合料抗疲勞性能.每次試驗前，將試驗樣本HMA在試驗室內靜置4 h，所有樣本均以400、600、800、1000微應變及4種不同的加載速率加載，試驗是在頻率為10 Hz恒應變加載模式下進行的，溫度為20 ℃.

2 試驗結果及分析

2.1 線性幅度掃描測試(LAS)

第1組為添加納米黏土的納米黏土改性瀝青，根據(jù)納米黏土摻量的不同相應地命名為NB、NB2NC、NB4NC和NB6NC；第2組是將PMB和納米黏土加入基質瀝青，根據(jù)納米黏土摻量的不同相應地命名為PMB2NC、PMB4NC和PMB6NC.參數(shù)A35表示材料抗累積損壞的完整性，參數(shù)B代表所測改性瀝青的損傷率隨應變水平的變化.LAS測試結果見表6.

表6 線性幅度掃描測試結果

此外，進行LAS測試的時間相對較短，這種測試方法的主要優(yōu)點是考慮不同加載量和加載方式的影響.如前所述，由參數(shù)“A35”可得瀝青粘結劑在剪切作用下的疲勞壽命應變?yōu)?%，參數(shù)B為得到的斜率直線，表示疲勞壽命的變化率.

2.2 改性瀝青的VECD疲勞模型

聚合物改性瀝青配合納米黏土添加劑的疲勞壽命與剪切應變如圖1～2所示.

圖1 LDPE和納米黏土改性瀝青VECD疲勞模型

圖2 PMB與PMB納米黏土改性瀝青VECD疲勞模型

由圖1～2可知：添加納米黏土可以提高瀝青的疲勞壽命；納米黏土改性瀝青疲勞壽命的降低超過基質瀝青；在較高剪切速率下基質瀝青和納米黏土改性瀝青的疲勞壽命之間的差異不太明顯；基質瀝青和聚合物納米黏土復合改性瀝青在改性聚合物的B值上沒有顯著差異.

2.3 瀝青混合料疲勞測試

HMA樣品在4種不同加載速率下進行測試瀝青混合料疲勞壽命模型應變幅度的影響，如圖3～4所示.

圖3 LDPE和納米黏土改性瀝青混合料疲勞壽命

圖4 PMB和納米黏土改性瀝青混合料疲勞壽命

由圖3可以看出：添加6%納米黏土改性瀝青混合料在400微應變下的疲勞壽命比未添加納米黏土的疲勞壽命增加了1.56倍，中納米黏土含量的增加在一定程度上也提高了混合料的疲勞壽命.

由圖4可以看出：聚合物+納米黏土改性瀝青混合料的疲勞壽命比改性聚合物混合料具有更高的疲勞壽命.

3 HMA混合料疲勞模型

3.1 HMA混合物疲勞壽命的完整性

由參數(shù)“A35”可得改性瀝青在剪切作用下的疲勞壽命應變?yōu)?%，瀝青混合料疲勞壽命模型可評估改性瀝青對不同加載速率下HMA混合物疲勞壽命的完整性，如圖圖5所示.

圖5 HMA混合物的A35值與的疲勞壽命

3.2 HMA混合物相對于A35的累積耗散能

HMA混合料與改性瀝青的累計耗散能量(CDE)值在不同加載速率下的完整性示如圖6所示.根據(jù)AASHTO的4點梁疲勞試驗得出隨后累計耗散能量(CDE)直至失效(即初始剛度降低50%).由圖6可以看出，HMA混合料與改性瀝青的CDE值在不同加載速率下的完整性有較高的相關性.

圖6 HMA混合料相對于A35的累積耗散能

基于4點梁疲勞試驗的結果，利用VECD特性開發(fā)瀝青疲勞模型，提出以下方程式，相關性系數(shù)為(R2值)97.15%，即

(5)

式中：ε為施加的應變水平；A、B為VECD瀝青混合料的參數(shù).

VECD瀝青混合料的參數(shù)可用于估算在任何給定的應變水平條件下HMA混合料的疲勞壽命. 此外，由于在中等溫度下，HMA中的疲勞損傷是通過瀝青再到混合料的階段，可用式(4)～(5)估算瀝青的應變值(即γmax).該方法的優(yōu)點是改性瀝青的LAS測試可估計疲勞用于路面的相關HMA混合物的壽命且耗時較短.

4 結論

1) 瀝青的粘彈性連續(xù)體損傷特性與瀝青混合料的疲勞壽命有很好的相關性.

2) 從瀝青的VECD分析獲得的參數(shù)(A35)和HMA混合物的抗疲勞性可以看出，瀝青的完整性之間存在線性關系.因此可通過相關HMA混合物的壽命，利用本文中提出的公式對特定改性瀝青進行LAS測試并對疲勞進行良好估計.

3) LDPE和Nanoclay可以提高瀝青混合料的疲勞壽命.

4) 本研究建議的疲勞模型涵蓋未改性的聚合物改性和納米黏土改性瀝青混合物可以取代耗時梁疲勞試驗.

5) 瀝青的LAS測試結果可與本研究中提出的疲勞模型結合使用估測 HMA混合物的疲勞壽命.