變幅荷載作用下瀝青混合料的疲勞損傷試驗

沙 炯，邢明亮，張紀陽，陳華鑫，丁 彪

(1.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710061； 2.中交第一公路勘察設(shè)計院有限公司，陜西 西安 710075)

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變幅荷載作用下瀝青混合料的疲勞損傷試驗

沙 炯1，邢明亮1，張紀陽1，陳華鑫1，丁 彪2

(1.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710061； 2.中交第一公路勘察設(shè)計院有限公司，陜西 西安 710075)

為了深入研究瀝青混合料的疲勞性能，解決現(xiàn)有疲勞性能研究中沒有考慮實際路面所受荷載是變幅、重復的加卸載過程這一關(guān)鍵問題，本文通過加載順序和加載幅值對瀝青混合料粘彈性指標的影響進行試驗研究，分析了變幅荷載作用下瀝青混合料勁度模量、相位角的變化，并選取耗散能作為損傷變量分析了變幅荷載下瀝青混合料的疲勞損傷。試驗結(jié)果表明：勁度模量與應變加載順序有關(guān)；在低高加載順序中，相位角在兩階段都表現(xiàn)為隨著荷載作用次數(shù)的增加而增大，在高低加載順序中，相位角的變化與高低應變的幅值相關(guān)；應變在高低順序加載下累積耗散能要高于低高順序下的累積耗散能；當采用的前后加載幅值較大時，這種現(xiàn)象更加明顯。

道路工程； 瀝青； 試驗研究； 疲勞； 變幅荷載

1 引 言

研究路面疲勞破壞主要是研究瀝青混合料的疲勞性能，目前研究瀝青混合料疲勞性能主要基于常應力幅和常應變幅試驗。在實際路面承載過程中，所受荷載是變幅、重復的加卸載過程，在這種情況下，考慮加載順序和加載幅值對瀝青混合料的影響就顯得十分必要。以往關(guān)于兩級荷載對材料性能的研究主要集中在金屬領(lǐng)域，如按照低高順序加載，材料會出現(xiàn)“鍛煉效應”，按高低順序加載，材料會出現(xiàn)“過載效應”；而瀝青混合料屬于粘彈性材料，其在變幅荷載作用下表現(xiàn)出的特性和金屬材料有一定差別。在此基礎(chǔ)上，本文進行了加載順序和加載幅值對瀝青混合料粘彈性指標影響的試驗研究，分析了變幅荷載作用下瀝青混合料勁度模量、相位角變化，并且驗證了線性損傷理論對瀝青混合料的適用性。

2 試驗方案

試驗分別在5℃、15℃、25℃條件下進行，采用頻率為10Hz，試驗采用的應變大小分別為600、400、200。試驗中不僅考慮了加載順序?qū)r青混合料疲勞性能的影響，也考慮了高低荷載的幅值，具體試驗方案如圖1。本試驗設(shè)定荷載作用次數(shù)達到設(shè)定值時停止加載為終止條件。試驗分兩級加載，每級加載10000次，試驗中考慮加載順序及加載幅值對瀝青混合料勁度模量變化、相位角、應力的變化、耗散能率及累積耗散能的影響。表1是對圖1的詳細注釋。

表1 加載順序?qū)ζ谛阅苡绊懙脑囼灧桨?/p>

圖1 加載方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of loading plan

疲勞試驗中的數(shù)據(jù)結(jié)果往往是在一個范圍內(nèi)波動，很難定量去表達，因此文中不做具體定量分析，主要定性說明不同加載順序及加載幅值條件下這些指標的變化情況，而對于累積耗散能，文中比較了不同順序和加載幅值條件下其變化情況。

3.1 加載順序及加載幅值對勁度變化的影響

按不同加載順序及加載幅值進行疲勞試驗，得到試驗結(jié)果如圖2～圖4。

圖2 5℃時變幅荷載作用下勁度變化示意圖Fig.2 Stiffness at 5℃ under variable amplitude loading schematic changes

圖3 15℃時變幅荷載作用下勁度變化示意圖Fig.3 Stiffness at 15℃ under variable amplitude loading schematic changes

圖4 25℃時變幅荷載作用下勁度變化示意圖Fig.4 Stiffness at 25℃ under variable amplitude loading schematic changes

從圖2～圖4中可以看出，初始勁度與所采用的應變值有關(guān)，應變越小，初始勁度越大。在低高應變(200～600με和400～600με)順序作用下，低應變控制階段所采用應變值越低，則高應變控制的初始階段勁度相對較高，但隨著荷載作用次數(shù)增加，勁度模量變化趨于一致，該現(xiàn)象表明低應變階段應變值越低，瀝青混合料產(chǎn)生的損傷就越小，所以在高應變控制的初始階段勁度會相對較大。在低高應變控制順序作用下，低應變階段的應變值大小對隨后的高應變階段初始勁度有影響，隨著高應變作用次數(shù)的增加，影響會越來越小。在高低應變(600～400με和600～200με)順序作用下，低應變控制階段的勁度變化出現(xiàn)兩種情況，400με作用下勁度表現(xiàn)為衰減；而200με作用下勁度先逐漸增大然后逐漸減小。這種現(xiàn)象是由于瀝青混合料具有自行愈合性質(zhì)，當?shù)蛻冸A段所采用的應變值和高應變階段所產(chǎn)生的應變值比較接近時，在較高的荷載作用下，損傷占主導地位，所以一直表現(xiàn)為衰減；當采用的應變值和高應變的值相差較大時，勁度在低應變控制的初始階段勁度恢復現(xiàn)象就會比較明顯，所以勁度表現(xiàn)為先增大后減小。

3.2 加載順序及加載幅值對相位角變化的影響

圖5 5℃時變幅荷載作用下相位角的變化Fig.5 At 5℃ amplitude loading phase angle change

相位角是瀝青混合料粘性(不可恢復部分)與彈性的(可恢復部分)成分比例指標，相位角越小越富有彈性，其與復數(shù)模量共同評價瀝青混合料高溫穩(wěn)定性。本文考慮在變幅條件下溫度、應變大小及頻率對相位角變化的影響，試驗結(jié)果見圖5～圖7。

圖6 15℃時變幅荷載作用下相位角的變化Fig.6 At 15℃ amplitude loading phase angle change

圖7 25℃時變幅荷載作用下相位角的變化Fig.7 At 25℃ amplitude loading phase angle change

當溫度為5℃和15℃時，加載順序和加載幅值對相位角有影響，溫度為25℃時加載順序和加載幅值對相位角變化影響不大。在5℃和15℃條件下低高應變順序作用，低應變值越低，相位角越小；高應變控制階段，相位角隨荷載作用次數(shù)增加在200～600με和400～600με兩種應變順序下相位角趨于一致，這表明低高應變作用下，相位角的最終結(jié)果主要取決于高應變的值。對于高低應變(600～400με和600～200με)順序作用下，低應變控制階段相位角的變化出現(xiàn)兩種情況，當?shù)蛻兛刂齐A段所采用的值為400με時，相位角隨荷載作用次數(shù)的增加而逐漸增加；而當?shù)蛻兊闹禐?00με時，相位角先下降后上升，這種現(xiàn)象和勁度模量的高低應變中200με時變化趨勢正好相反。因為瀝青混合料彈性成分所占比例較大，在600με控制階段，彈性模量和粘性模量都隨著荷載作用次數(shù)增加而減小，彈性模量下降幅度較大，粘性模量下降幅度較小；在200με控制階段，0～2000次作用下，彈性模量有所增加，在2000～10000次范圍內(nèi)，又逐漸降低，但幅度較小，而粘性模量隨著荷載作用的增加一直在減小，因此可以判定第二階段的勁度模量增大以及相位角減小主要是由于彈性模量恢復引起的。在高低順序作用下，當?shù)诙A段采用應變控制值較大時，損傷占主導地位，彈性模量依然逐漸降低，因此出現(xiàn)當?shù)诙A段采用400με作用時，勁度模量下降、相位角增大的現(xiàn)象。

4 變幅應變控制下瀝青混合料耗散能分析

隨著溫度變化，瀝青混合料中粘彈性成分比例在變化，其疲勞損傷性能也會出現(xiàn)一定變化。本試驗選用兩級應變控制下的累積耗散能作為損傷變量來考察加載順序及加載幅值對瀝青混合料疲勞損傷性能的影響。

4.1 加載順序及加載幅值對耗散能率變化的影響

耗散能率為單位周期的耗散能大小，其值變化受多種因素影響，包括溫度、荷載、頻率等，本試驗結(jié)果如圖8～圖10。

圖8 5℃時變幅荷載作用下耗散能率的變化Fig.8 Energy dissipation rate of change under variable amplitude loading at 5℃

圖9 15℃時變幅荷載作用下耗散能率的變化Fig.9 Eenergy dissipation rate of change und variable amplitude loading at 15℃ der

圖10 25℃時變幅荷載作用下耗散能率的變化Fig.10 Energy dissipation rate of change un variable amplitude loading at 25℃ der

從圖中可以看出，溫度越低，單位周期的耗散能越高。在低高應變加載順序作用下，低應變階段應變越低，則耗散能率越低；在5℃和15℃條件下，低應變大小對高應變初期耗散能率有影響，低應變值越低，對應高應變階段初始耗散能率會越大；而對高應變控制階段的后期耗散能率影響很小，當溫度為25℃，低應變大小對高應變階段耗散能率影響較小。對于高低應變順序情況下，耗散能率在高應變控制階段呈現(xiàn)下降趨勢；在低應變階段，耗散能率變化幅度較小，但有兩種情況，在400με作用下，耗散能率呈下降趨勢，而在200με條件下，耗散能率會先有所上升然后逐漸減小。

4.2 變幅應變控制下耗散能統(tǒng)計結(jié)果

兩級應變控制作用下累積耗散能隨荷載作用的變化分別見圖11～圖13。不同溫度下累積耗散能統(tǒng)計結(jié)果見表2。

圖11 5℃時變幅荷載作用下累計耗散能變化示意圖Fig.11 Cumulative dissipated energy schematic changes under variable amplitude loading at 5℃

圖12 15℃時變幅荷載作用下累計耗散能變化示意圖Fig.12 Cumulative dissipated energy schematic changes under variable amplitude loading at 15℃der

圖13 25℃時變幅荷載作用下累計耗散能變化示意圖Fig.13 Cumulative dissipated energy schematic changes under variable amplitude loading at 25℃

從圖11～圖13及表2中可看出，在同一溫度條件下，采用的應變值越大，累積耗散能增長速度越快；采用高低加載順序所得到的累積耗散能要大于低高作用下的累積耗散能，并且加載的幅值越大，這種變化越明顯。溫度越低，則累積耗散能會越大，如圖12所示，當應變幅值較大時，高低順序下(600～200με)的累積耗散能與低高順序下(200～600με)的累積耗散能差值隨著溫度的升高而減小。表2分別記錄了兩級應變控制下的累積耗散能，從表中可以看出，高低順序(如600～200με)中高應變(600με)對應的累積耗散能要大于低高順序(200～600με)中高應變(600με)對應的累積耗散能，而高低順序(如600～200με)中低應變(200με)對應的累積耗散能要小于低高順序(200～600με)中低應變(200με)對應的累積耗散能。在考慮變幅荷載對瀝青混合料疲勞損傷的影響時，當前后兩級荷載較為接近時，加載順序的影響就可以忽略，此時可以近似用Miner準則，而當加載幅值較大時，就必須考慮加載順序。

表2 不同加載順序及應變幅值作用下累積耗散能統(tǒng)計表

5 結(jié) 論

1.在低高加載順序中，勁度在低應變和高應變控制階段都表現(xiàn)為衰減；而在高低加載順序中，勁度在高應變階段表現(xiàn)為衰減，在低應變控制階段勁度變化與高低應變幅值有關(guān)；當高低荷載比較接近時，勁度下降，當高低荷載幅值相差較大時，勁度先上升后下降。

2.在低高加載順序中，相位角在兩階段都表現(xiàn)為隨著荷載作用次數(shù)的增加而增大；在高低加載順序中，相位角變化與高低應變幅值相關(guān)，當應變幅值較小時，相位角表現(xiàn)為隨著荷載次數(shù)增加而增加，當應變幅值較大時，相位角先減小后增加。

3.粘性模量在整個加載過程中一直是衰減的，而彈性模量在低應變控制的初始階段有所恢復，因此勁度先增加后減小和相位角先減小后增加的現(xiàn)象都是由于彈性模量恢復引起的。

4.高低順序加載下累積耗散能要高于低高順序下的累積耗散能；當采用的前后加載幅值較大時，這種現(xiàn)象更加明顯。

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Experimental Study on Fatigue Damage of Asphalt Mixture under Variable Amplitude Loading

SHA Jiong1， XIN Mingliang1， ZHANG Jiyang1， CHEN Huaxin1， DING Biao2

(1.School of Materials Science and Engineering, Chang’an University, Xi’an710061, China; 2.CCCC First Highway Consultants Co., LTD, Xi’an710075, China)

In this paper, the experimental study the fatigue performance of asphalt mixture is focused upon the fatigue behavior under variable load amplitude or repeating load during fatigue processing. To make further progress, the changes of stiffness modulus and phased angle of the variable amplitude loading are analyzed by investigating the effects of loading sequence and loading amplitude on viscoelastic-index of the asphalt mixture. It also analyzed that the fatigue damage of asphalt mixture under variable amplitude loading by select dissipated energy as damage variable is also discused. This experimental result indicates that the stiffness modulus is related to the strain loading sequence. In increasing strain loading order, phase angle in the two stages increases with the load number. In decreasing strain loading order, however, the change of phase angle is associated with the amplitude of high and low strain. The accumulative dissipated energy of the strain in decreasing strain loading order is higher than that in increasing strain loading order. This becomes more obvious when the adopted loading amplitude islarger.

road engineering； asphalt； experimental reserch； fatigue； luffing load

1673-2812(2017)02-0306-06

2016-01-22；

2016-03-25

青海省科技資助項目(2014-GX-A2A)，中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(310831151080，310831153409，310831153315)，中國博士后科學基金資助項目(2015M582592)

沙 炯(1987-)，男，安徽宣城人，碩士研究生，研究方向：道路建筑材料。E-mail：shajiong@126.com。

U414

A

10.14136/j.cnki.issn 1673-2812.2017.02.028