瀝青混合料疲勞失效判別和破壞特征分析*

肖 建

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 上海 200092)

我國瀝青混合料相關(guān)規(guī)范中的四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)是參照美國公路戰(zhàn)略研究計(jì)劃(SHRP)制定的[1]，依據(jù)美國ASTM D7460標(biāo)準(zhǔn)[2]采用偏正弦波加載的等應(yīng)變控制疲勞試驗(yàn)，該方法被認(rèn)定為是評價(jià)瀝青混合料疲勞性能的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，但是缺少合理的理論解釋。采用不同的疲勞失效判據(jù)，疲勞試驗(yàn)終止時(shí)材料的疲勞損傷程度不同，這也會(huì)導(dǎo)致瀝青混合料疲勞壽命分散性很大，因此隨著計(jì)算機(jī)斷層掃描技術(shù)的發(fā)展，可從細(xì)觀結(jié)構(gòu)角度來論證四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的疲勞失效的演化規(guī)律，并驗(yàn)證其合理性[3]。對于四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)而言，規(guī)范一般采用勁度模量下降至材料初始勁度模量的一定比例(規(guī)范50%)，做為不同種類瀝青混合料彎曲疲勞試驗(yàn)的失效判據(jù)。是否能有試驗(yàn)證實(shí)疲勞破壞發(fā)生在50%的初始模量附近[4]，亦或直至彎拉勁度模量達(dá)到初始模量的40%、30%、20%附近才會(huì)發(fā)生疲勞破壞的傾向？四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)中對于這一50%初始勁度模量的衰減門檻值是否合理，是否能完全反映纖維瀝青混合料的疲勞失效的臨界狀態(tài)，本研究將針對以上問題結(jié)合細(xì)觀孔隙變化分析進(jìn)行研究。

1 瀝青混合料分階段疲勞試驗(yàn)

從疲勞損傷累計(jì)的角度分析，瀝青混合料的疲勞破壞是在疲勞荷載反復(fù)作用下，混合料內(nèi)部缺陷不斷累積直至開裂損傷的全過程。根據(jù)JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》[5]，對同一根瀝青混合料小梁試件進(jìn)行四點(diǎn)彎曲疲勞壽命試驗(yàn)。按照小梁試件達(dá)到疲勞試驗(yàn)終止條件，即停止加載，然后立即對小梁試件進(jìn)行CT無損掃描，掃描完成后立即置入疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行下一階段的疲勞試驗(yàn)，直至試件完全破壞為止?？紤]將彎曲勁度模量降低至初始彎曲勁度模量的70%、60%、50%、40%、30%、20%這6種狀態(tài)，分別對應(yīng)疲勞試驗(yàn)的6個(gè)階段。

選用2種典型瀝青混合料結(jié)構(gòu)：普通AC-13及摻高強(qiáng)PAN纖維AC-13瀝青混合料試件作為試驗(yàn)對象，擬對小梁疲勞加載過程分為六階段進(jìn)行。試驗(yàn)終止條件為：彎曲勁度模量衰減至初始彎曲勁度模量的70%(階段1)、60%(階段2)、50%(階段3)、40%(階段4)、30%(階段5)及20%(階段6)，共計(jì)6個(gè)階段，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 四點(diǎn)彎曲疲勞各階段疲勞曲線

由圖1a)可知，普通AC-13瀝青混合料全程只參與了模量衰減5個(gè)階段的疲勞作用，當(dāng)準(zhǔn)備進(jìn)行衰減至初始勁度模量至20%(即階段6)的疲勞試驗(yàn)時(shí)，小梁試件突然發(fā)生完全斷裂，其斷裂圖見圖2a)。其可能是由于普通AC-13小梁采用的普通瀝青，黏結(jié)性差抗疲勞性能表現(xiàn)不佳，當(dāng)達(dá)到疲勞損傷累積的極限時(shí)即發(fā)生斷裂，破壞位置為中間壓頭上部的受拉區(qū)域。因此普通AC-13瀝青混合料全程僅能完成5個(gè)階段的疲勞試驗(yàn)。

摻高強(qiáng)PAN纖維AC-13瀝青混合料全程參與了模量衰減至70%(階段1)、60%(階段2)、50%(階段3)、40%(階段4)、30%(階段5)以及20%(階段6)的疲勞作用。試驗(yàn)結(jié)果見圖2b)。

圖2 小梁試件疲勞后斷裂圖

由圖2b)可知，摻入高強(qiáng)PAN纖維AC-13后，小梁試件雖然也有一定的變形但并未出現(xiàn)斷裂。結(jié)果表明摻入纖維后，由于纖維的加筋作用，摻入高強(qiáng)PAN纖維AC-13小梁試件抗疲勞性能提升較大。同時(shí)纖維對微裂紋開展的阻滯作用明顯，有效改善瀝青混合料在疲勞荷載作用下的損傷，延緩甚至防止裂縫的產(chǎn)生及擴(kuò)展。

對圖1所示的分段疲勞曲線進(jìn)行連續(xù)性修正，從階段2起每個(gè)階段剔除起始模量急劇下降的部分，連接上一階段疲勞結(jié)束的終止點(diǎn)，修正形成疲勞全過程曲線，并對分段的六階段疲勞曲線進(jìn)行修正，從階段2起剔除彎拉勁度模量急劇下降的過程，接上一階段疲勞結(jié)束的終止點(diǎn)。在疲勞荷載作用下，小梁的彎曲勁度模量按照同樣趨勢變化：起先彎曲模量急速下降，然后進(jìn)入平穩(wěn)階段，最后到達(dá)疲勞失效點(diǎn)后失穩(wěn)破壞。修正后的瀝青混合料全過程疲勞壽命曲線見圖3。

圖3 全過程疲勞曲線

2 瀝青混合料小梁區(qū)域分割分析

根據(jù)試件在試驗(yàn)前、后的CT掃描結(jié)果比對，從孔隙演化方面分析細(xì)觀損壞機(jī)理[6]。由于小梁試件較長，梁的不同區(qū)域受力情況不同，直接分析整根梁的孔隙變化情況計(jì)算量較大且缺乏針對性，故而將小梁分成多區(qū)域再進(jìn)行處理。瀝青混合料小梁上、下區(qū)域分割示意見圖4。

由圖4可知，圖像分析區(qū)域在小梁四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)的中間兩夾具之間，為小梁受純彎曲荷載作用區(qū)域，由于荷載作用對稱原理，可取小梁受純彎曲荷載作用區(qū)域的一半進(jìn)行分析。

由于四點(diǎn)彎曲小梁試件是完全對稱結(jié)構(gòu)，并且兩外端夾具附近的小梁內(nèi)部結(jié)構(gòu)經(jīng)掃描發(fā)現(xiàn)并沒有明顯變化，變異性主要集中在中間夾頭附近，因此為減少計(jì)算量取對稱軸的一半掃描。又因?yàn)樾×涸嚰谄诤奢d作用下上部受拉、下部受壓，故而上下區(qū)域的孔隙變化規(guī)律存在差異。

為了得到更為準(zhǔn)確的孔隙變化規(guī)律，根據(jù)疲勞試件的受力及變形特征，將小梁試件等分成上、中、下3個(gè)區(qū)域，其區(qū)域分割重構(gòu)三維示意圖[7]見圖5。試件中間區(qū)域由于受疲勞荷載影響較小，孔隙變化不明顯，本研究將著重研究上、下兩區(qū)域的孔隙變化規(guī)律，其中上部受拉區(qū)為海藍(lán)色，下部受壓區(qū)為紫紅色。

圖5 小梁區(qū)域分割三維示意圖

小梁分割后，對受拉區(qū)和受壓區(qū)上、下兩部分體積進(jìn)行孔隙劃分提取后進(jìn)行重構(gòu)，重構(gòu)出的瀝青混合料小梁試件內(nèi)部一小段截面的孔隙三維分布平滑后見圖6。

圖6 試件部分截面內(nèi)部孔隙重構(gòu)及平滑處理后孔隙形貌

3 孔隙結(jié)構(gòu)演化過程分析

瀝青混合料內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)疲勞破壞前后其分布及形貌等特征必將發(fā)生不同程度的變化，而確定細(xì)觀孔隙發(fā)生突變的階段點(diǎn)對改進(jìn)認(rèn)識(shí)纖維瀝青混合料的疲勞失效準(zhǔn)則具有重要意義。疲勞荷載下纖維瀝青混合料的受拉區(qū)較受壓區(qū)更容易導(dǎo)致疲勞破壞，因此提取四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)受拉區(qū)域板塊為重點(diǎn)研究對象，采用三維重構(gòu)技術(shù)[8-9]分析瀝青混合料小梁各疲勞終止階段孔隙形貌的演化過程。普通AC-13及摻高強(qiáng)PAN纖維的AC-13試件初始狀態(tài)及疲勞終止各階段狀態(tài)的CT掃描及孔隙重構(gòu)結(jié)果見圖7、圖8。

圖7 普通AC-13受拉區(qū)五階段孔隙演化過程

圖8 摻高強(qiáng)PAN纖維AC-13受拉區(qū)六階段孔隙演化過程

由圖7及圖8可見，瀝青混合料在經(jīng)受疲勞破壞后，其內(nèi)部孔隙形貌損傷主要表現(xiàn)為原有孔隙的擴(kuò)張、孔隙間的貫穿連接與微小孔隙的生成，普通AC-13摻入纖維后其孔隙數(shù)量明顯減少，尤其是微小孔隙減少顯著。普通AC-13瀝青混合料從初始狀態(tài)到階段1即模量降至初始模量的70%，孔隙變化已經(jīng)比較明顯，說明到達(dá)階段1瀝青混合料內(nèi)部其實(shí)就已經(jīng)出現(xiàn)損傷，而摻高強(qiáng)PAN纖維的AC-13瀝青混合料僅微小孔隙數(shù)量出現(xiàn)增加，損傷擴(kuò)張不是很明顯。

從疲勞損傷破壞全過程來看，對于普通AC-13瀝青混合料，圖7中階段4孔隙變化明顯，可認(rèn)為階段3結(jié)束即將出現(xiàn)孔隙損傷加劇，這與前文中模量降低至初始模量的50%作為疲勞失效點(diǎn)是相互吻合的。其次對于摻高強(qiáng)PAN纖維的AC-13瀝青混合料，圖8所示階段5孔隙損傷變化明顯，同樣可認(rèn)為階段4結(jié)束即模量降低至初始模量的40%時(shí)即將出現(xiàn)損傷加劇。因此，有必要對摻高強(qiáng)PAN纖維的AC-13瀝青混合料的疲勞失效準(zhǔn)則加以修正，可將纖維瀝青混合料的疲勞試驗(yàn)終止條件修正為模量降低至初始模量的40%。

4 結(jié)語

基于應(yīng)變控制的瀝青混合料四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)及疲勞失效準(zhǔn)則，定義了彎曲疲勞的失效的6個(gè)階段，修正得到全過程疲勞壽命曲線，同時(shí)對各階段完成后小梁進(jìn)行CT掃描，并對全過程的孔隙結(jié)構(gòu)形貌進(jìn)行三維重構(gòu)分析。研究結(jié)論如下。

1) 分析了四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的條件選擇及參數(shù)方案確定，提出將疲勞試驗(yàn)分階段進(jìn)行，將疲勞失效過程劃分為6個(gè)階段，根據(jù)修正后的全過程疲勞壽命曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的位置，得出普通AC混合料以50%作為疲勞失效點(diǎn)是合理的，摻纖維AC混合料應(yīng)該以降低至初始模量的40%作為疲勞失效點(diǎn)更顯合理。

2) 根據(jù)劃分出的小梁受拉區(qū)及受壓區(qū)，對疲勞終止的6個(gè)階段分別進(jìn)行孔隙三維重構(gòu)，得到各階段的孔隙不同結(jié)構(gòu)特征變化，結(jié)果表明，其中受壓區(qū)的孔隙特征變化規(guī)律不明顯，受拉區(qū)的孔隙變化規(guī)律表明與疲勞曲線判斷疲勞失效的結(jié)果具有良好的一致性。

3) 基于三維空間探索瀝青混合料疲勞損傷演化規(guī)律，能精準(zhǔn)有效地反映孔隙的形狀特征及位置信息，這對于瀝青混合料細(xì)觀分析更具價(jià)值。但是針對如何構(gòu)建孔隙的形狀特征的指標(biāo)與疲勞失效的相關(guān)性，仍有待進(jìn)一步研究。