基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的瀝青混合料老化特性實驗研究*

王　嵐，王　宇，弓寧寧, 賈永杰

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學 土木工程學院， 呼和浩特 010051)

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基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)的瀝青混合料老化特性實驗研究*

王嵐，王宇，弓寧寧, 賈永杰

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學 土木工程學院， 呼和浩特 010051)

摘要：基于數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)DSCM(digital speckle correlation method)，利用VIC-3D(video image correlate-3D)圖像處理系統(tǒng)，通過半圓彎拉實驗(semi-circular bending test，簡稱SCB實驗)，對溫度老化前后的SBS改性瀝青混合料和橡膠粉(CR)改性瀝青混合料半圓試件的三點彎拉實驗從加載到破壞的全過程進行圖像采集，利用VIC-3D計算軟件計算半圓試件全過程的水平應變、水平應變速率并通過荷載-位移曲線求出的斷裂能指標，研究瀝青混合料老化特性。結(jié)果表明，數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)，作為一種非接觸、非干涉、全場變形的光學計量方法，可以很好地應用于瀝青混合料的老化特性研究；在半圓試件從加載到開裂破壞的全過程中，溫度老化后的瀝青混合料的持荷能力和抵抗開裂破壞的能力與老化前相比明顯削弱；溫度老化后的CR改性瀝青混合料比溫度老化后的SBS改性瀝青混合料有更好的抗裂性能。

關(guān)鍵詞：DSCM；溫度老化；水平應變；水平應變速率；斷裂能

1引言

瀝青路面無論是否經(jīng)受車輛荷載的作用，都會隨著時間的推移而發(fā)生老化現(xiàn)象[1-2]。瀝青混合料的老化會減弱瀝青路面的抗變形能力，使路面更容易出現(xiàn)橫向、縱向以及網(wǎng)狀裂縫，縮減其使用壽命[3]。因此，只有充分研究瀝青混合料的老化，才能準確評價和預測瀝青路面的耐久性。Whiteoak 和Read等認為，瀝青混合料的老化分為短期老化和長期老化，短期老化主要發(fā)生在瀝青混合料的拌合、貯存和運輸及路面的攤鋪和壓實階段；長期老化主要發(fā)生在瀝青路面的整個使用期[4]。呂松濤等通過瀝青混合料小梁直接拉伸疲勞實驗發(fā)現(xiàn)，利用耗散能理論可以很好地分析瀝青混合料的老化特性[5]。吳文彪等通過不同老化程度和不同溫度下AC-13C型瀝青混合料的應力松弛實驗，結(jié)合時間-溫度的等效關(guān)系原理和WLF公式，得出老化后的瀝青混合料應力松弛特性可以用未老化瀝青混合料在較低溫度或較低荷載作用時間下的性能來分析[6]。王富玉等利用多功能氣動瀝青材料實驗機測定了瀝青混合料短期和長期老化前后的動態(tài)間接拉伸勁度模量實驗參數(shù)，指出空隙率、粗集料含量和瀝青膜厚度對瀝青混合料的老化性能有重要影響[7]。 Mehmet通過馬歇爾穩(wěn)定度實驗和半圓彎拉實驗對瀝青巖改性瀝青混合料的長期老化性能進行研究，發(fā)現(xiàn)加入瀝青巖的改性瀝青混合料比SBS改性瀝青混合料有更強的抵抗永久變形、抵抗水損害和抵抗開裂的能力[8]。

國內(nèi)外的許多學者對瀝青混合料的老化特性的研究做出了矚目的貢獻，但是，對于瀝青混合料老化特性的研究方法，還需進一步拓展。近年來，隨著DSCM(數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù))的興起[9-10]，眾多學者嘗試著將這項新技術(shù)引入瀝青混合料的研究中，并取得了顯著的成果[11，14]。譚憶秋等將數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)用于瀝青混合料的間接拉伸實驗，并與應變片法、計算法進行對比，證明了DSCM的有效性[12]；譚憶秋教授在進一步的研究中發(fā)現(xiàn)，DSCM可以很好地模擬瀝青混合料開裂時的開裂路徑和應變場情況，這是一些傳統(tǒng)的測試方法(譬如LVDT法、應變片法)做不到的[13]。B.Pan等將數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)引入對瀝青混合料破壞實驗的研究中，使研究人員可通過非接觸的方法得到試件真實的應力、應變值[14]。L.L.Chen等利用DSCM與有限元軟件兩種方式模擬了瀝青混合料試件的破壞過程，兩種方法所得結(jié)果吻合良好，同時證明了所建模型的可靠性[15]。X.N.Zhang和M.M.Yuan 通過瀝青混合料小梁四點彎疲勞實驗，并結(jié)合數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)瀝青混合料的裂紋發(fā)生于集料與瀝青膠漿的界面處[16]。Birgisson和Montepara等應用DSCM對瀝青混合料試件開裂時的變形場進行觀測，并分析了DSCM的優(yōu)缺點[17]。

本文利用數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)研究瀝青混合料的老化特性，試圖從瀝青混合料破壞全過程中，水平應變場、水平應變速率的變化情況，以及通過破壞全過程中的荷載-位移曲線求出斷裂能，提出評價瀝青混合料老化特性的新方法。

2實驗

2.1實驗材料

2.1.1瀝青

實驗所用的瀝青為SBS改性瀝青和CR改性瀝青，其中基質(zhì)瀝青均為90#石油瀝青。SBS型號為4303-星型，摻量為4%；橡膠粉采用60目顆粒，摻量為20%。具體技術(shù)指標如表1所示。

2.1.2瀝青混合料

SBS改性瀝青混合料和CR改性瀝青混合料均為密級配AC-16型，集料為玄武巖，礦粉為石灰?guī)r礦粉，油石比均采用4.6%。瀝青混合料級配組成如表2所示。

表1SBS改性瀝青、CR改性瀝青技術(shù)指標

Table 1 Properties of SBS modified asphalt and CR modified asphalt

瀝青類型技術(shù)指標 SBS改性瀝青CR改性瀝青針入度(25℃,100g,5s)(0.1mm)6260軟化點/℃7073.9延度/cm38.5/(5℃)32.2/(5℃)閃點/℃269277

表2　瀝青混合料級配組成

2.2實驗方法

2.2.1試件成型

瀝青混合料半圓試件的制作過程主要分為混合料短期老化、旋轉(zhuǎn)壓實、切割、長期老化4個過程。根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料實驗規(guī)程》(JTG E20-2011)，首先將瀝青混合料進行短期老化，將拌合好的混合料按規(guī)定松鋪厚度均勻攤鋪在搪瓷盤中，置于(135±3) ℃的強制通風烘箱內(nèi)加熱4 h±5 min，每小時用鏟將混合料翻拌一遍，加熱4 h后取出瀝青混合料；考慮到與路面實際壓實狀況的符合程度，采用SGC(Superpave gyratory compacter)旋轉(zhuǎn)壓實儀，將短期老化后的瀝青混合料進行旋轉(zhuǎn)壓實，成型直徑100 mm，高160 mm的試件；采用高精度瀝青混合料專用切割設(shè)備(IPC-global)切割成型半圓試件，厚度為(25±0.5) mm，齊邊長度為(99.8±0.05) mm。最后進行瀝青混合料的長期溫度老化：將半圓試件放入(85±3) ℃的強制通風烘箱內(nèi)連續(xù)加熱5 d(120±0.5) h，5 d后關(guān)閉烘箱，打開烘箱門，經(jīng)自然冷卻不少于16 h至室溫，取出試樣。

2.2.2制斑

為了提高DSCM變形計算的精確度，對切割好的試件進行人工制斑處理。具體做法是使用啞光白漆在試件表面噴涂隨機分布的白色光斑，然后再少量噴涂啞光黑漆，從而實現(xiàn)在試件表面形成散斑。

2.2.3半圓彎拉實驗

實驗設(shè)備采用美國MTS 810系列伺服液壓材料實驗系統(tǒng)，夾具為三點彎曲夾具，支點和壓條均為圓柱形壓條，試件底面兩支點的間距為直徑的0.8倍，即80 mm。采用控制加載位移的方式進行實驗，加載速率為1 mm/min，實驗溫度為10 ℃。加載設(shè)備裝置圖如圖1所示。

圖1　加載設(shè)備裝置圖

2.2.4DSCM(數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù))

DSCM是一種基于光學技術(shù)的圖像處理方法，其測量系統(tǒng)主要由光源、CCD相機、圖像采集系統(tǒng)及Vic-3D圖像處理軟件組成，如圖2所示，將制斑后的半圓試件置于加載設(shè)備上，實驗開始時，加載系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)和Vic-3D圖像處理軟件同時開啟，測量試件表面全場位移、位移速率、應變和應變速率，直到試件完全開裂破壞為止。

圖2　DSCM測量系統(tǒng)示意圖

采用CCD相機記錄被測物體加載前后的散斑圖像，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換得到散斑圖像的灰度場，根據(jù)不同斑點的灰度值進行位置搜索并以像素為單元(每個散斑約為3～5個像素)進行計算，具體識別過程如圖3所示。

圖3　散斑圖像搜索原理

以散斑圖像中某一點為中心，取如圖3區(qū)域進行搜索計算，當變形前區(qū)域及像素點與變形后的區(qū)域及像素點完全相關(guān)時相關(guān)系數(shù)取1，如像素點發(fā)生變形則相關(guān)性下降，物體的位移可以通過搜索最大相關(guān)性點來得到。計算公式如下

(1)

式中，C為相關(guān)系數(shù)；x,y為像素點位置坐標；u,v分別為像素在x,y方向位移；n為子集的大小或所含像素個數(shù)；I為移動前圖像函數(shù)；I*為移動后圖像函數(shù)。

以上為二維像素點搜索及相關(guān)系數(shù)計算方法，針對三維計算，空間點相當于兩條二維空間上的直線的交叉點，因此利用立體三角測量的方法即可識別空間點。利用兩臺CCD可準確判斷某點在X、Y、Z軸的變化，對任意兩軸利用式(1)進行計算可得此點在這兩軸所組成平面內(nèi)的變化，分別計算某點在XOY、YOZ、ZOX平面內(nèi)的變化情況，根據(jù)立體三角測量的原理進行計算，可得出空間中相關(guān)系數(shù)C。立體三角測量的前提是兩條直線在同一個坐標系中，因此在測量之前需要先識別空間準確位置，為兩臺相機建立同一坐標系，VIC-3D系統(tǒng)根據(jù)不同的視場大小配備不同尺寸的自動標定板，實驗前首先進行標定，保證空間點位置識別的準確性。

3結(jié)果與討論

本文主要利用DSCM測試方法，觀察試件從加載開始到完全破壞全過程中，起裂點、裂中和裂尖位置Exx(水平應變)和dExx/dt(水平應變速率)的變化規(guī)律，利用DSCM采集破壞全過程中的荷載和水平位移并計算出瀝青混合料的斷裂能，從而研究瀝青混合料的老化特性,具體取點示意如圖4所示。

圖4　取點示意圖

3.1起裂點的水平應變

圖5為瀝青混合料老化前后起裂點位置處左右兩個點(圖4中點1位置)水平應變隨時間變化的曲線，其中，橫坐標t代表時間，縱坐標Exx代表水平應變，L為裂縫左側(cè)點，R為裂縫右側(cè)點，SBSM代表SBS改性瀝青混合料，CRM代表橡膠粉改性瀝青混合料,SBSM’代表溫度老化后的SBS改性瀝青混合料，CRM’代表溫度老化后的CR改性瀝青混合料。

圖5起裂點Exx-t曲線

Fig 5Exx-tcurves at the beginning of the crack

圖5(a)為SBSM溫度老化前、后的Exx-t曲線，由圖可知，SBSM不論是溫度老化前還是老化后，Exx曲線都隨時間經(jīng)歷3個階段：(1)Exx穩(wěn)定上升期，在施加荷載的初期，由于起裂點沒有達到混合料所能承受的極限拉應變，Exx處于緩慢增長狀態(tài)，此階段可體現(xiàn)瀝青混合料的持荷能力；(2)Exx突變期，由于Exx達到瀝青混合料的極限拉應變而產(chǎn)生突變，起裂點位置迅速開裂破壞，該點水平應力釋放，應變產(chǎn)生突降；(3)Exx釋放期，隨著裂紋的完全開裂，水平應力釋放后伴隨著Exx釋放，迅速下降為零。此外，SBSM溫度老化前、后的突變峰值均為0.03左右，但是溫度老化后的Exx突變時間比老化前縮短了約80 s，時間縮短幅度為45%左右。圖5(b)為CRM溫度老化前、后的Exx-t曲線，CRM老化前、后的Exx突變值分別為0.09和0.06，但是溫度老化后的Exx突變時間比老化前縮短了近70 s，縮短幅度為38%左右。由圖5(c)可知,老化后的CRM的Exx突變值是SBSM的2倍，且Exx突變時間比SBSM多了15 s左右。

綜上所述，瀝青混合料是一種各向異性、非均勻多相的粘彈性材料，從結(jié)構(gòu)上來說，可以看作是由粗集料、瀝青膠漿和兩者組成的界面構(gòu)成的三相材料。三者在混合料中所起的作用不同：粗集料彼此嵌擠形成骨架，主要承擔外界的車輛荷載；瀝青膠漿將粗集料粘結(jié)在一起，并傳遞應力至粗集料；界面區(qū)作為集料與瀝青膠漿的橋梁，是集料能夠充分發(fā)揮其承載作用的紐帶，而且由于該區(qū)域組成及形貌特殊，其結(jié)構(gòu)不同于瀝青膠漿和粗集料，且強度較低，在外界因素的作用下，該區(qū)域易出現(xiàn)裂紋[18]。溫度老化對集料的影響較小，而對瀝青膠漿的影響非常大，瀝青膠漿經(jīng)溫度老化后，變得硬脆，自身的抗裂性下降，且瀝青膠漿與集料的粘結(jié)力下降，導致界面區(qū)抵抗開裂破壞的能力進一步下降。因此，瀝青混合料經(jīng)溫度老化后，開裂破壞可能發(fā)生在界面區(qū)，也可能發(fā)生于瀝青膠漿處。SBSM和CRM老化后的Exx突變時間縮短幅度分別為45%和38%，開裂時間變短，Exx穩(wěn)定上升期的持荷時間大幅度縮短，說明瀝青混合料發(fā)生老化后,持荷能力和抵抗開裂破壞的能力下降；CRM老化后的Exx突變峰值和老化前相比降低了35%，說明老化后的CRM的變形能力和柔韌性逐漸喪失，極限拉應變變小，材料變得硬脆；老化前后CRM比SBSM的Exx突變時間縮短幅度多7%，老化后CRM比SBSM的Exx突變時間多15 s左右，且突變值是SBSM的2倍，說明經(jīng)過溫度老化后CRM的柔韌性和變形能力均好于SBSM，CRM有更優(yōu)良的抵抗老化的性能。由此可知，溫度老化后，瀝青混合料的柔韌性和變形能力大幅度降低，導致抗裂性降低，使得瀝青混合料特別容易產(chǎn)生微裂紋，在循環(huán)荷載的作用下，微裂紋逐漸擴展為宏觀裂紋，加速了瀝青混合料路面的疲勞破壞，嚴重影響了道路的使用壽命，而CRM混合料可以有效地延緩老化現(xiàn)象，延緩老化后微裂紋的產(chǎn)生時間，提高了瀝青路面的使用壽命，DSCM的Exx指標可以很好地表征瀝青混合料的抗老化性。

3.2起裂點的水平應變速率

圖6為瀝青混合料老化前后起裂點位置處左右兩個點(圖4中點1位置)水平應變速率隨時間變化的曲線，橫坐標t代表時間，縱坐標dExx/dt代表水平應變速率。由圖6(a)、(b)可知，老化前后SBSM和CRM的dExx/dt突變時間的縮短幅度與Exx相一致，分別為38%和41%；值得注意的是，SBSM老化后的dExx/dt突變峰值從0.01降為0.005，CRM老化后的dExx/dt突變峰值比老化前降低更加嚴重；從圖6(c)還可以發(fā)現(xiàn)，老化后的CRM的dExx/dt突變峰值為0.008左右，而SBSM 的dExx/dt突變峰值為0.005左右，僅僅是CRM的60%左右，且發(fā)生突變的時間也相差15 s左右。眾所周知，dExx/dt是表征混合料的水平應變變化快慢的，當dExx/dt越大時，單位時間內(nèi)水平應變變化越快，說明材料更具有塑性；當dExx/dt越小時，單位時間內(nèi)水平應變變化越慢，說明材料更趨于脆性，破壞就更類似于脆性破壞，這對于瀝青路面是非常不利的。由此可知，瀝青混合料發(fā)生老化后，變得硬脆，類似于脆性破壞，逐漸失去了瀝青混合料粘彈性的性能；老化后的CRM比老化后的SBSM擁有更強的變形能力，可以更好的抵抗開裂破壞，延緩微裂紋的產(chǎn)生，提高瀝青路面的使用壽命，dExx/dt可以表征瀝青混合料老化后的抵抗變形的能力。

圖6起裂點dExx/dt-t曲線

Fig 6 dExx/dtcurves at the beginning of the crack

此外，通過對圖(4)中裂中位置(2點)、裂尖位置(3點)的Exx和dExx/dt的研究，發(fā)現(xiàn)和起裂點有幾乎一樣的規(guī)律，此處不再贅述。

3.3斷裂能指標評價老化特性

Mobasherd等的研究表明，在溫度不高(<30 ℃)的情況下，瀝青混合料在斷裂過程中，裂紋尖端附近會形成一個非線性變形區(qū)域，而且在這個非線性區(qū)域內(nèi)塑性區(qū)相對較小，瀝青混合料的斷裂屬于準脆性斷裂[19]。因此，瀝青混合料的開裂破壞可以用斷裂能指標來表征。斷裂能是裂縫面從位移為零直到完全分離所消耗的能量，它反映了材料從完好到斷裂所吸收的能量，反映了瀝青混合料在整個斷裂過程中的抗開裂能力[20-21]。根據(jù)實驗采集的瀝青混合料從加載到完全開裂全過程的荷載和水平位移，繪出荷載-位移曲線，如圖(7)所示。根據(jù)荷載-位移曲線和橫坐標圍成的面積計算斷裂能，計算公式如下(結(jié)果如圖(8)所示)

其中，G為斷裂能，δ為裂縫的相對位移，δf為最大位移，P為荷載。

圖7　瀝青混合料荷載-位移曲線

圖8　瀝青混合料斷裂能

由圖7可知，原樣瀝青混合料的荷載-位移曲線比較平滑，最大荷載相比老化后的較小，但會保持最大荷載較長時間，而老化后的瀝青混合料的荷載-位移曲線相對比較陡峭，荷載迅速達到最大后又迅速下降，這是由于混合料發(fā)生老化后，瀝青膠漿變得硬脆，界面區(qū)粘結(jié)力下降，雖然可以承受較大的荷載，但是保持最大荷載的能力較差，將會迅速產(chǎn)生裂縫。由圖8可知，SBSM混合料經(jīng)溫度老化后，斷裂能下降約30%，而CRM混合料老化后的斷裂能下降幅度為10%，明顯不如SBSM混合料，且CRM老化后的斷裂能遠遠高于SBSM老化后的斷裂能；此外，由此可知，溫度老化后，瀝青混合料抗裂性都有一定程度的下降，溫度老化后CRM比溫度老化后SBSM擁有更好的抗裂能力。因此，通過SCB實驗采集得到的荷載-位移曲線，也可以作為一個指標來評價瀝青混合料的老化行為；通過斷裂能這個指標再一次證實了溫度老化后CRM確實比溫度老化后SBSM擁有更好的抗裂能力。

4結(jié)論

(1)數(shù)字散斑相關(guān)技術(shù)作為一種新興起的光學測量手段，可以用于分析瀝青混合料的老化問題，從而開拓評價瀝青混合料老化特性的新方法。

(2)Exx和dExx/dt作為DSCM研究老化特性的關(guān)鍵指標，從瀝青混合料開裂破壞全過程中，通過起裂點、裂中和裂尖位置Exx和dExx/dt的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)老化后的瀝青混合料的持荷能力和抗裂性能都明顯下滑，且溫度老化后的CR改性瀝青混合料比SBS改性瀝青混合料有更好的抗裂性。

(3)斷裂能可以進一步評價瀝青混合料的老化特性，而且與Exx和dExx/dt兩指標得出的結(jié)論相一致。

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Aging characteristic test research of asphalt mixture based on the digital speckle correlation method

WANG Lan, WANG Yu, GONG Ningning, JIA Yongjie

(College of Civil Engineering, Inner Mongolia University of Technology, Hohhot 010051, China)

Abstract:Based on the digital speckle correlation method(DSCM), using the VIC-3D(video image correlate-3D) image processing system, by semi-circular bending test(SCB Test), the images of the SBS modified asphalt mixture and rubber powder (CR) modified asphalt mixture that before and after temperature age are acquired in the whole process from the load to the crack destruction, VIC-3D calculation software was used to calculate the horizontal strain,horizontal strain rate of the semicircle specimen and through load-displacement curve and the fracture energy index to study the aging characteristics of the asphalt mixture.The results show that: the digital speckle correlation method, as a kind of non-contact, non-interference, the whole deformation optical measurement method, can study the aging properties of asphalt mixture very well; in the whole process from the load to the fracture,compared to the non-aged asphalt mixture,the load holding ability and crack resistance of the temperature aged asphalt mixture obviously weakened; the CR modified asphalt mixture after temperature age has better crack resistance than the SBS modified asphalt mixture after temperature age.

Key words:DSCM;temperature aging;horizontal strain;strain rate;fracture energy

DOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.01.018

文獻標識碼：A

中圖分類號：U414

作者簡介：王嵐(1966-)，女，北京人，教授，博士生導師，從事道路工程材料研究。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11462018);內(nèi)蒙古自然科學基金資助項目(2014MS0507)

文章編號：1001-9731(2016)01-01087-06

收到初稿日期：2015-01-15 收到修改稿日期：2015-04-10 通訊作者：王宇，E-mail: 765998613@qq.com