濕度對瀝青混合料疲勞性能的影響

汪 彪 侯 強 詹 斌 王 棟 譚秀娟 黃 玲

(武漢理工大學交通與物流工程學院1) 武漢 430063) (湖北省公路工程技術研究中心2) 武漢 430063)(湖北省路橋集團有限公司3) 武漢 430056)

0 引 言

瀝青路面受到車輛荷載和自然環(huán)境(溫度和濕度)共同作用，其使用性能不斷下降，其中，疲勞開裂是瀝青路面的主要病害形式之一[1-2].

外部影響因素對瀝青混合料疲勞性能的研究主要是包括荷載、溫度和水三個方面.汪福松等[3-5]從荷載作用類型、加載方式以及荷載級別三個角度對瀝青混合料疲勞性能進行研究.溫度對瀝青混合料的疲勞性能的影響主要體現(xiàn)在低溫條件下，瀝青混合料更容易發(fā)生疲勞開裂[6-7].然而，目前有關濕度對瀝青混合料疲勞性能的影響相關研究仍較少，且僅僅局限于經(jīng)過液態(tài)水處理與未經(jīng)水處理后疲勞性能的對比分析.

文中在20 ℃條件下，對兩種瀝青混合料試件進行不同相對濕度條件(分別為2%，50%，80%及100%)下的單軸重復直接拉伸試驗.基于修正帕里斯公式，通過對耗散虛擬應變能(DPSE)和損傷密度(φ)的求解，確定修正帕里斯公式參數(shù)，并提出基于修正帕里斯公式參數(shù)的疲勞性能評價指標對不同濕度條件下的瀝青混合料疲勞性能進行評價.

1 理論基礎

1.1 修正帕里斯公式

目前普遍認為最適合描述瀝青混合料疲勞開裂特性的疲勞性能表征方程是帕里斯公式[8]，其基本形式為

(1)

該公式描述了瀝青混合料中裂縫擴展長度隨加載周期的變化規(guī)律，能夠將裂縫擴展速率與應力強度聯(lián)系起來.但該公式研究對象是單一裂縫，與實際路面裂縫擴展的多條裂縫現(xiàn)象不符，具有一定的局限性.因此，引入損傷密度對其進行修正，為

(2)

在修正帕里斯公式中，模型參數(shù)A和n為與材料特性有關的固有參數(shù)，表征損傷發(fā)展的速率，參數(shù)nJR與損傷密度具有正相關關系，修正帕里斯公式作為瀝青混合料開裂性能評價具有較好的代表性.

1.2 公式參數(shù)求解方法

假設加載過程中試樣沿高度方向的拉伸長度和橫截面積的收縮長度忽略不計,JR為

(3)

DPSE=πσ0ε0sin(φ-φLVE)

(4)

式中：φLVE為線性黏彈性階段的相位角;σ0、ε0、φ為損傷階段的應力振幅、應變振幅及相位角.

(5)

將式(3)代入式(2)中，可將修正Paris公式變換為以下形式

(6)

式(6)直接描述了損傷發(fā)展率與能量變化率間的關系.其中，周期次數(shù)N的關系通常通過建立冪函數(shù)模型DPSE=aNb進行擬合得到.對式(6)進行變換得到損傷密度，為

(7)

(8)

定義作用于試樣完整橫截面的應力為實際應力，作用于除空隙外真實材料的應力為表觀應力，則損傷密度的求解過程為

(9)

式中：上、下標A為表觀參數(shù)，上、下標T為實際參數(shù).

結合式(4)和式(9)發(fā)現(xiàn):DPSE和損傷密度φ均與應力振幅相關.為了建立能量DPSE與損傷密度φ間的聯(lián)系，在此認為瀝青混合料在疲勞過程中消耗的能量(表觀耗散虛擬應變能，簡稱DPSEA)與瀝青混合料除空隙、裂縫外真實材料在疲勞過程中消耗的能量(實際耗散虛擬應變能，簡稱DPSET)相等[9]，建立能量平衡方程為

(10)

應力振幅、應變振幅、相位角等參數(shù)均可通過試驗獲得，并計算得到DPSEA.基于式(10)，可得實際應力振幅表達式為

(11)

實際動態(tài)模量及相位角均為材料的力學特性，隨加載周期不發(fā)生變化，可認為是隨周期不變量.結合式(10)，將DPSE和φ的擬合模型代入，得到表觀應力振幅的擬合模型為

(12)

2 試驗設計

2.1 試件制作

試驗采用石灰?guī)rSBS改性瀝青混合料和輝綠巖SBS改性瀝青混合料，參數(shù)見表1，合成級配圖見圖1.

表1 室內成型兩種瀝青混合料試件材料參數(shù)

圖1 試件合成級配曲線圖

2.2 試件養(yǎng)生

由于文中研究的是濕度對疲勞性能的影響，不考慮溫度因素，因此，制備的標準試樣養(yǎng)生溫度為20 ℃，設備為恒溫恒濕箱和真空干燥箱.養(yǎng)生過程中發(fā)現(xiàn)試件內部并不能達到0%濕度，最終濕度保持在2%左右，因此將以2%作為真空干燥箱實際養(yǎng)生的濕度.在此基礎上，共選取2%、50%、80%以及100%四種濕度水平對瀝青混合料試樣養(yǎng)生，每個濕度水平下養(yǎng)生數(shù)量各五個，養(yǎng)生6個月以上，以保證試樣內部水氣濃度與箱內的水氣濃度達到平衡，養(yǎng)生方案見表2.

表2 濕度養(yǎng)生方案

2.3 單軸重復直接拉伸疲勞試驗

試驗儀器為多功能材料伺服系統(tǒng)(MTS)，試驗溫度20 ℃，加載頻率1 Hz，試驗控制應變水平為10×10-6和100×10-6.進行應變振幅為10×10-6的疲勞試驗，間歇15 min，再進行振幅為100×10-6的疲勞試驗，加載方案見圖2.

圖2 加載方案示意圖

此外，為了保證試驗結果的準確性，試驗期間需保證試件位置不作改變.以類型2混合料為例，試樣外圍包裹聚乙烯薄膜以減少水氣的散失，2%相對濕度下試驗過程見圖3.

圖3 石灰?guī)r試件2%相對濕度實驗過程圖

3 試驗結果與分析

3.1 修正帕里斯公式參數(shù)統(tǒng)計

在單軸重復直接拉伸試驗結果的基礎上，由式(8)確定修正帕里斯公式參數(shù)，所需模型參數(shù)DPSE可由冪函數(shù)模型DPSE=aNb擬合得到，表觀應力振幅可由式(12)擬合確定.以第一個周期結束后的損傷密度作為初始損傷密度，而后每個周期計算的損傷密度均減去初始損傷密度，計算不同濕度條件下瀝青混合料600個周期內的損傷密度增量，見表3.其中，為了保證試驗數(shù)據(jù)的準確性，判定系數(shù)低于0.75的試驗數(shù)據(jù)將被舍棄，這些數(shù)據(jù)將不再用于計算損傷密度增量.

表3 不同濕度條件下的損傷密度增量

3.2 濕度對損傷密度的影響分析

不同濕度條件下與損傷密度增量的關系，見圖4.

圖4 損傷密度增量隨濕度變化柱狀圖

由圖4可知：損傷密度增量隨濕度增加呈現(xiàn)出明顯上升趨勢，同時相比于類型1石灰?guī)r混合料，類型2輝綠巖混合料的損傷密度增量均較大.在相同的加載條件下，濕度越高，瀝青混合料疲勞過程中損傷密度的累計程度也會越高，反映為瀝青混合料產(chǎn)生更高的損傷度，抵抗疲勞開裂能力則表現(xiàn)更差.

3.3 基于評價指標lg A+n的疲勞性能評價

參數(shù)A的對數(shù)和n之間存在線性關系，且兩者呈現(xiàn)負相關關系.由修正帕里斯公式可知，參數(shù)A和n作為評價指標的前提是確定JR的數(shù)量級大小.通過JR以及DPSE和表觀應力振幅擬合的結果，計算得到JR的值介于10～100，且JR隨濕度增大而減小.因此應該滿足

(13)

從安全角度考慮，應取較大的值作為評價指標.即當n>0時，評價指標取lgA+2n；當n<0時，評價指標取lgA+n.為了驗證評價指標的合理性，以評價指標(本文n<0取lgA+2n)作為橫軸，以損傷密度增量作為縱軸，繪制曲線圖5.

圖5 lg A+n與損傷密度增量關系圖

由圖5可知：通過指數(shù)函數(shù)將lgA+n與損傷密度增量關系進行擬合，評價指標與損傷密度增量具有正相關關系.因此說明lgA+n作為損傷密度發(fā)展程度的表征具有一定的合理性.

取瀝青混合料不同濕度條件下的評價指標lgA+n，結果見表4.統(tǒng)計不同濕度條件下瀝青混合料疲勞加載周期內的損傷密度增量，見表5.以表4～5中結果繪制關系圖，見圖6.

表4 不同濕度條件下的評價指標lg A+n

表5 不同濕度條件下的損傷密度增量 單位：%

由圖6可知，評價指標lgA+n及損傷密度增量與試件養(yǎng)生濕度具有較好的正相關關系.濕度對瀝青混合料的疲勞性能具有較大的影響，并且，水氣從無到有以及從水氣到液態(tài)水(100%濕度即液態(tài)水環(huán)境)兩個過程對瀝青混合料的疲勞性能的影響較為顯著.

圖6 不同濕度條件下疲勞性能

綜上所述，在荷載水平及加載時間相同的條件下，瀝青混合料的疲勞性能隨濕度的增加愈發(fā)降低.同時，有無水氣及是否含有液態(tài)水的環(huán)境對瀝青混合料疲勞性能最為顯著.因此，可從這兩個角度出發(fā)，遏制水氣在瀝青路面內部的積聚以及避免液態(tài)水侵入瀝青路面內部，降低瀝青路面中水的含量，可以使瀝青混合料的疲勞性能得到改善，從而提高瀝青路面的服役壽命.因此，在工程實際中通過選擇水穩(wěn)定性更優(yōu)的瀝青混合料類型、及時排出路表的液態(tài)水、及時性路面養(yǎng)護等措施以提高路面的服役壽命.

4 結 論

1)通過耗散虛擬應變能擬合及表觀應力振幅擬合確定了求解修正帕里斯公式參數(shù)所需的參數(shù)，通過表觀應力振幅擬合進一步確定了損傷密度的發(fā)展，并以第一個周期后的損傷密度為初始損傷密度，計算了加載600個周期后損傷密度的增加程度.結果發(fā)現(xiàn)，濕度增加引起了損傷密度增加程度的增大，導致?lián)p傷積累增多，產(chǎn)生了更多損傷.

2)提出采用lgA+n作為評價指標，并驗證了評價指標與損傷密度增量的正相關關系，表明評價指標lgA+n可以量化表征瀝青混合料的損傷發(fā)展率，可作為瀝青混合料疲勞性能的評價指標.

3)采用評價指標lgA+n對不同濕度條件下瀝青混合料的疲勞開裂性能進行評價，結果發(fā)現(xiàn)：濕度的增加引起了評價指標及損傷密度增量的增加.從評價指標看，總體呈現(xiàn)增加趨勢，但相對濕度由2%增加至50%時增幅最大.從損傷密度增量看，相對濕度由2%增加至50%及由80%增加至100%時增幅較大.因此，表明了水氣的產(chǎn)生和液態(tài)水的產(chǎn)生兩個過程均對瀝青混合料的疲勞性能影響顯著.