瀝青混合料復(fù)合小梁宏觀與細觀疲勞特性分析

崔亞楠， 張 強， 張 翔

（1.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051； 2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 內(nèi)蒙古自治區(qū)土木工程結(jié)構(gòu)與力學(xué)重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展，道路交通日益重型化，交通量快速增長，路面損壞加速，目前道路工作的重點已經(jīng)由新建轉(zhuǎn)移到原有道路的養(yǎng)護與維修.采用瀝青面層作為原有路面的加鋪層是一種典型的道路補強方法［1-4］.

相比于原路面，路面加鋪后的整體疲勞性能更加難以預(yù)測.杜健歡等［5-7］研究了不同因素對含層間界面的復(fù)合小梁疲勞性能的影響，發(fā)現(xiàn)復(fù)合小梁的疲勞破壞更加復(fù)雜，不同的層間條件、溫度、荷載水平均會對復(fù)合小梁的疲勞壽命產(chǎn)生顯著影響.

由于加鋪層與原路面材料不同以及層間的存在，在車輛荷載的作用下，原路面和加鋪層的力學(xué)響應(yīng)與變形特征有所不同.與傳統(tǒng)宏觀測試方法相比，數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)可以準確觀測試件表面每一點的位移及應(yīng)變，從而進行細觀層 面 的 分 析［8］. 研 究 證 明，采 用DIC技 術(shù) 可 以 很好地從細觀角度分析瀝青混合料裂紋的萌生和發(fā) 展［9-11］.

選擇AC-16瀝青混合料為下層材料，選擇加鋪層常用的SMA-13瀝青混合料為上層材料，制備復(fù)合小梁，并對其進行彎曲破壞試驗與彎曲疲勞試驗，使用DIC技術(shù)對試件表面進行細觀觀測，以期為不同環(huán)境和不同荷載水平下的加鋪層設(shè)計提供實踐和理論借鑒.

1 試驗

1.1 原材料

采用AC-16瀝青混合料為下層材料模擬原路面，SMA-13瀝青混合料為上層材料模擬加鋪層，制備復(fù)合小梁；AC-16為盤錦90#基質(zhì)瀝青，SMA-13及層間黏層油為苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）摻量為4.5%（以基質(zhì)瀝青質(zhì)量計）的SBS改性瀝青，其技術(shù)指標如表1所示，合成級配如表2所示；集料為玄武巖碎石；礦粉為石灰石礦粉；SMA-13瀝青混合料中摻入玄武巖纖維，摻量為0.5%（以基質(zhì)瀝青質(zhì)量計），其性能指標如表3所示.

表1 基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青技術(shù)指標Table 1 Technical specifications of base asphalt and SBS modified asphalt

表2 瀝青混合料合成級配Table 2 Synthesis gradation of asphalt mixture

表3 玄武巖纖維性能指標Table 3 Properties of basalt fiber

1.2 試驗方案

將AC-16瀝青混合料拌和好后置入尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的單層車轍板模具中碾壓成型，冷卻脫模后進行相應(yīng)的老化處理.然后，將單層車轍板置入尺寸為300 mm×300 mm×100 mm的雙層車轍板模具中，在其上表面均勻涂抹SBS改性瀝青黏層油，黏層油用量為0.65 kg/m2.最后，在黏層油上加鋪厚度為50 mm的SMA-13瀝青混合料碾壓成型，待其冷卻脫模后即得到尺寸為300 mm×300 mm×100 mm的雙層車轍板.

將雙層車轍板切割成尺寸為250 mm×40 mm×40 mm的復(fù)合小梁試件.對其進行彎曲破壞試驗和彎曲疲勞試驗，并用DIC技術(shù)同步觀察復(fù)合小梁的應(yīng)變場，分析其開裂特性.基于內(nèi)蒙古地區(qū)10～20 ℃范圍內(nèi)的瀝青面層基準疲勞等效溫度［12］，將試驗溫度選擇為10、15、20 ℃.復(fù)合小梁彎曲破壞試驗采用控制位移加載，加載速率為50 mm/min，以獲得破壞時的峰值荷載.原路面加鋪瀝青層后通常更接近厚瀝青層，與控制應(yīng)力加載模式的室內(nèi)疲勞試驗更接近，故彎曲疲勞試驗采用控制應(yīng)力加載，加載頻率為10 Hz，所加循環(huán)荷載與彎曲破壞時峰值荷載的應(yīng)力比分別取0.2、0.3、0.4、0.5.瀝青路面在使用過程中因外界環(huán)境的影響會產(chǎn)生一定程度的老化［13］，為了更好地模擬真實情況，根據(jù)JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》對瀝青混合料進行長期老化處理，老化程度分為未老化（origin）、下層材料進行長期老化（age1）以及下層材料進行長期老化后復(fù)合小梁整體再進行長期老化（age2）3種情況.彎曲破壞試驗和彎曲疲勞試驗時的DIC數(shù)據(jù)采集頻率分別為10、1 Hz.

2 宏觀試驗結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合小梁彎曲破壞試驗

對未做老化處理的復(fù)合小梁進行彎曲破壞試驗以獲得其峰值荷載， 同一溫度條件下的復(fù)合小梁彎曲疲勞試驗中所施加的循環(huán)荷載為峰值荷載的20%～50%，結(jié)果列于表4，其中P為峰值荷載，C為循環(huán)荷載，C/P為應(yīng)力比.

表4 復(fù)合小梁彎曲破壞試驗中的峰值荷載及彎曲疲勞試驗中的循環(huán)荷載Table 4 Peak loads of bending failure tests and cyclic loads applied in the bending fatigue tests of composite small beams

2.2 復(fù)合小梁彎曲疲勞試驗

對不同試驗溫度、應(yīng)力比和老化程度條件下的復(fù)合小梁進行三點彎曲疲勞試驗，結(jié)果如圖1所示.由圖1可見：試驗溫度、應(yīng)力比與老化程度和復(fù)合小梁的疲勞壽命呈負相關(guān)關(guān)系；復(fù)合小梁在試驗溫度從10 ℃提高到20 ℃的過程中，疲勞壽命均降低60%以上，這是因為在10～20 ℃這一典型的疲勞開裂溫度范圍內(nèi)，溫度上升導(dǎo)致瀝青混合料剛度下降，從而削弱了其抗疲勞開裂的能力，降低了其疲勞壽命［14］；未經(jīng)過老化處理的復(fù)合小梁在不同試驗溫度和應(yīng)力比下均表現(xiàn)出最好的抗疲勞性能，下層材料經(jīng)過長期老化處理的復(fù)合小梁的抗疲勞性能優(yōu)于整體再經(jīng)過長期老化處理的復(fù)合小梁，這是因為在老化過程中，瀝青中產(chǎn)生的大量羰基化合物使其變硬，因而瀝青及瀝青混凝土的延展性變差，更易發(fā)生疲勞破壞［15-16］；在應(yīng)力比從0.2增加到0.5的過程中，各種試驗條件下的復(fù)合小梁疲勞壽命衰減率均達到80%以上，這是因為隨著應(yīng)力比的增大，每次循環(huán)加載后復(fù)合小梁的累積損傷增多，縮短了其疲勞壽命；不同試驗溫度、不同老化方式對疲勞壽命的影響程度隨應(yīng)力比的增大而減小.

圖1 不同試驗溫度、應(yīng)力比和老化程度條件下復(fù)合小梁的疲勞壽命Fig.1 Fatigue lives of composite small beams under various temperatures， stress ratios and degrees of aging

3 DIC試驗結(jié)果與分析

DIC技術(shù)是近20 a來廣泛應(yīng)用的一種新型非接觸式應(yīng)變測量技術(shù)，與傳統(tǒng)的位移和應(yīng)變測量方法相比，DIC技術(shù)可以對試件表面的目標區(qū)域進行細觀尺度的觀測，并可對所獲取的數(shù)字圖像進行后期處理和分析.由于加載過程中瀝青混合料的應(yīng)變值更能反映其開裂特性，因此選擇其在加載過程中的應(yīng)變特征云圖及應(yīng)變值進行細觀分析.由于復(fù)合小梁存在層間且上、下層瀝青混合料的材料組成不同，在荷載作用下，上、下層材料的力學(xué)響應(yīng)和變形特征有所不同，為從細觀尺度上分析兩者的差異，選用未做老化處理的復(fù)合小梁試件，散斑點計算區(qū)域選擇上、下層材料離層間遠1 mm、長40 mm、寬5 mm的矩形區(qū)域，分別代表加鋪層底部與原路面頂部，計算區(qū)域示意圖見圖2.

圖2 計算區(qū)域示意圖Fig.2 Schematic diagram of calculation area（size： mm）

3.1 復(fù)合小梁彎曲破壞細觀分析

復(fù)合小梁彎曲破壞試驗與DIC測試同步進行，通過對比分析宏觀尺度下的荷載-位移曲線（P-Δ）和細觀尺度下的水平應(yīng)變-時間（εx-t）曲線，可以從宏觀與細觀相結(jié)合的角度得到瀝青混合料復(fù)合小梁的開裂特性，結(jié)果如圖3所示.

由圖3可見：開始加載后，施加于復(fù)合小梁上的荷載水平迅速增加并達到峰值，隨后緩慢下降；當(dāng)加載到7.53 s（豎向位移為5.38 mm）時，加鋪層底部的εx-t曲線開始突變，水平應(yīng)變快速增加，此時下層材料中的裂紋尖端穿過層間進入上層材料；以7.53 s為分界點，將P-Δ曲線分為區(qū)域Ⅰ與區(qū)域Ⅱ兩部分，分別主要由下層材料（原路面）和上層材料（加鋪層）抵抗荷載，其復(fù)合小梁的斷裂功分別為3.53、0.53 J，占總斷裂功的87%和13%；通過分析斷裂功水平可見，下層材料為主要的抵抗荷載部分，加鋪層主要起到恢復(fù)路面功能的作用，對路面承載能力的提升十分有限.

根據(jù)圖3所示的P-Δ曲線及εx-t曲線，選擇初始階段（0.20 s）、峰值荷載階段（3.72 s）、加鋪層底水平應(yīng)變突變階段（7.53 s）和整體破壞階段（13.00 s）的水平應(yīng)變特征云圖進行分析，結(jié)果如圖4所示.

圖4 復(fù)合小梁彎曲破壞水平應(yīng)變特征云圖Fig.4 Characteristic cloud diagrams of bending failure horizontal strain of composite small beams

由圖4可見：加載初期（0.20 s）復(fù)合小梁的水平應(yīng)變很小，并且分布不均勻，跨中沒有出現(xiàn)應(yīng)變集中區(qū)域；當(dāng)荷載達到峰值時（3.72 s），此時應(yīng)變集中區(qū)域位于復(fù)合小梁梁底，復(fù)合小梁達到承載極限，若進一步施加豎向位移則梁底將出現(xiàn)裂紋，荷載水平減??；隨著裂紋的發(fā)展，水平應(yīng)變集中區(qū)域由下向上擴展，水平應(yīng)變由小變大；當(dāng)裂紋尖端穿過層間進入加鋪層材料時，加鋪層底部的水平應(yīng)變曲線迎來拐點，此時的復(fù)合小梁水平應(yīng)變特征云圖如圖4（c）所示，加鋪層底部的水平應(yīng)變明顯增加，且復(fù)合小梁撓度明顯，最后達到圖4（d）所示的整體破壞階段.

3.2 復(fù)合小梁彎曲疲勞細觀分析

復(fù)合小梁的彎曲疲勞開裂過程與普通小梁相似，大致可分為3個階段，即損傷初始階段、損傷發(fā)展階段和損傷破壞階段，選擇每個階段具有代表性的水平應(yīng)變特征云圖進行分析，結(jié)果如圖5所示.

由圖5可見：在加載前期的損傷初始階段，試件內(nèi)部存在集料重新排列與空隙的變化，試件表面的水平應(yīng)變雜亂無章；繼續(xù)加載，試件內(nèi)部變化趨于平穩(wěn)，水平應(yīng)變集中于梁底并不斷累積，試件進入如圖5（b）所示的損傷發(fā)展階段；隨著損傷的持續(xù)進行，細觀損傷裂紋發(fā)展為宏觀裂縫，試件進入如圖5（c）所示的失穩(wěn)破壞階段.

圖5 復(fù)合小梁彎曲疲勞水平應(yīng)變特征云圖Fig.5 Characteristic cloud diagrams of bending fatigue horizontal strain of composite small beams

選擇應(yīng)變波動量作為損傷因子［17］，可定量分析上、下層材料在循環(huán)荷載作用下的損傷情況.損傷因子的計算公式見式（1）和式（2）.

式中：D'為損傷因子；εi為區(qū)域內(nèi)第i點的水平應(yīng)變；εˉ為區(qū)域內(nèi)水平應(yīng)變的平均值；n為數(shù)據(jù)點個數(shù)；D（εx）為應(yīng)變波動量；Dmax為D（εx）的最大值.

圖6為復(fù)合小梁上、下層材料在循環(huán)加載過程中的水平應(yīng)變演化特征.由圖6可見：循環(huán)加載次數(shù)0～100、0～136次時分別為下層材料和上層材料的損傷初始階段，此時水平應(yīng)變迅速變化，下層材料受拉，水平應(yīng)變?yōu)檎?，上層材料受壓，水平?yīng)變?yōu)樨摚浑S著循環(huán)加載次數(shù)至9 200、10 389次時，下層材料和上層材料的水平應(yīng)變經(jīng)過第1階段的劇烈變化后進入第2階段的平穩(wěn)累積階段，即損傷發(fā)展階段，當(dāng)循環(huán)加載次數(shù)為3 470次時，上層材料的水平應(yīng)變開始由負值變?yōu)檎?，完成了從受壓到受拉的轉(zhuǎn)變，這是因為隨著復(fù)合小梁損傷程度的加深，水平受拉的應(yīng)變集中區(qū)域逐漸上移，加鋪層底部由受壓區(qū)變?yōu)槭芾瓍^(qū)；當(dāng)循環(huán)加載次數(shù)超過9 200、10 389次時，微裂紋經(jīng)過第2階段的累積已經(jīng)發(fā)展為宏觀裂縫，裂縫由下層材料頂部向上發(fā)展，穿過層間，進入上層材料，原路面與加鋪層先后進入第3階段，即損傷破壞階段.

圖6 水平應(yīng)變演化特征Fig.6 Evolution characteristics of horizontal strain

圖7為復(fù)合小梁上、下層材料在循環(huán)加載過程中的損傷因子演化特征.由圖7可見：損傷因子隨加載次數(shù)的演化曲線與圖6相似，也呈3階段變化；循環(huán)加載次數(shù)0～46次時為第1階段，此時試件在荷載的作用下發(fā)生變形，由于內(nèi)部存在集料重排與空隙的變化，水平應(yīng)變波動較大，損傷因子迅速增加，與圖5（a）所示的水平應(yīng)變特征云圖表現(xiàn)一致；隨后混合料內(nèi)部結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定，試件進入第2階段，即損傷發(fā)展階段，此時損傷因子平穩(wěn)增長，且上層材料的損傷因子比下層材料高，這與圖6中該階段加鋪層底部水平應(yīng)變由負到正、發(fā)生由壓到拉的轉(zhuǎn)變、各點的應(yīng)變離散性變大相關(guān)；循環(huán)加載9 118次后，下層材料出現(xiàn)宏觀裂縫，且隨著應(yīng)變的增加迅速增長，損傷因子快速增加并超過上層材料，早于加鋪層進入第3階段，即損傷破壞階段；再次加載，至10 492次后，宏觀裂縫從下層發(fā)展到上層，上層損傷因子陡增，進入損傷破壞階段.

圖7 損傷因子演化特征Fig.7 Evolution characteristics of damage factor

4 結(jié)論

（1）在原路面上加鋪瀝青混合料，制備復(fù)合小梁，結(jié)合彎曲疲勞試驗，發(fā)現(xiàn)溫度與應(yīng)力比是影響其疲勞壽命的主要因素.

（2）通過斷裂功定量分析原路面與加鋪層的差異，發(fā)現(xiàn)原路面為主要抵抗荷載的部分，加鋪層則主要起到恢復(fù)路面功能的作用.

（3）瀝青混合料復(fù)合小梁的疲勞開裂過程大致可分為3個階段，即損傷初始階段、損傷發(fā)展階段與損傷破壞階段.

（4）原路面的損傷發(fā)展階段為抵抗疲勞荷載的主要階段，當(dāng)原路面由損傷發(fā)展階段進入損傷破壞階段時，復(fù)合小梁整體開始加速破壞.