不同类型沥青混合料抗裂性能的对比分析

吴 喜 荣

(山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室， 山西 太原 030006)



不同类型沥青混合料抗裂性能的对比分析

吴 喜 荣

(山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室， 山西 太原 030006)

摘要：分别使用弹性破坏理论的弯曲应变密度临界值、弹塑性断裂力学理论J积分的断裂韧性和双线型黏聚力模型的黏聚力以及裂缝张开位移四个指标，研究三种沥青混合料SMA-13、AC-13以及CAM在温度10℃、5℃、0℃、-5℃、-10℃下的抗裂性能。研究表明：温度在0℃以下时，采用弯曲应变密度临界值来评价沥青混合料的抗裂性能是合理的；采用断裂韧性、黏聚力和裂缝张开位移指标评价三种沥青混合料抗裂性能，测试结果是一致的。

关键词：沥青混合料；抗裂性能；断裂能；弯曲应变密度临界值

为了评价沥青混合料的抗裂性能，各国的研究人员做了大量的试验和研究，提出了不同的试验方法和评价指标。目前，国内外比较常用的试验方法和评价指标主要有间接拉伸试验、直接拉伸试验、低温弯曲试验、约束试件温度应力试验(冻断试验)、应力松弛试验、低温线收缩系数试验、受约束梁的三点弯曲、J积分试验、C积分试验、弯曲疲劳试验、直接拉伸疲劳、间接拉伸疲劳、低温弯曲蠕变试验、直接拉伸蠕变、间接拉伸蠕变、单轴压缩试验等、冻融循环试验、冻融劈裂试验等[1-3]，但并没有公认的标准评价方法。

实际上，不同的评价方法所得的沥青混合料低温性能也不完全一致[4]，不同评价方法有其各自的适用范围，我国目前普遍的采用低温弯曲试验的破坏应变指标来评价沥青混合料的低温抗裂性能，然而有研究者指出这一指标较难全面的反映混合料的低温抗裂性能[5]，对于改性沥青混合料和大孔隙沥青混合料的抗裂性能评价结果不准确，并已有学者对此提出基于能量的评价指标[6]；在另一常用方法低温弯曲蠕变试验中，较难确定改性沥青混合料的应力水平，郝陪文等[7]认为利用0℃压缩应变能作为沥青混合料低温抗裂性能评价指标，方法简便易于推广；有分析认为，采用临界应力强度因子作为衡量材料抗裂能力的指标，但是对于沥青混合料这种典型黏弹性材料，评价其一定温度下的抗裂能力，采用基于弹塑性力学理论的J积分更加合理[8]；Dongre等[9]采用弯曲梁试验评价了沥青混合料的低温抗裂能力，表明断裂韧度比起临界应力强度因子对沥青混合料的刚度更加敏感，更加适合评价沥青混合料的抗裂特性；东南大学张东等[10-11]认为基于双线性CZM的沥青混合料抗裂性能评价方法是合理的、全面的。

基于上述研究，选择了基于弹性破坏理论的弯曲应变密度临界值、基于弹塑性断裂力学理论J积分和基于双线型黏聚力模型的黏聚力以及裂缝张开位移四个指标综合评价沥青混合料的抗裂性能，比较分析不同结构类型沥青混合料的抗裂性能的优劣。

1评价指标

1.1弯曲应变能密度临界值

在低温条件下沥青混凝土可近似看作弹性材料，其在外荷载作用下逐渐开裂破坏的过程是一个能量耗散的过程，外力所做的功首先作为弹性应变能被存储；裂缝发生、发展时，产生新表面时转化为表面能；常规说来，储存弹性应变能力越强的沥青混凝土，其抗裂性能越好。

图1中应力应变关系曲线下的面积表示为弯曲应变能密度临界值[12-13]。

图1低温弯曲试验σ-ε曲线

1.2J积分

在弹塑性断裂力学[14]中，为了考虑裂缝尖端塑性变形的影响，Rice应用全量理论，避开求解裂缝前缘应力场时数学上的困难，提出了平面裂缝问题的J积分准则，该准则认为，当J积分达到临界值Jc时，裂缝就失稳破断。因此，可把临界J积分值Jc作为材料的断裂韧度指标。J积分示意图如图2所示，围绕裂纹尖端作一回路，并沿此回路做式(2)积分，

(2)

其中：Γ是自裂纹下表面的任意一点起，沿逆时针方向绕过裂纹尖端而止于裂纹上表面任意一点的任意一条曲线；ω是在弹塑性条件下，在单调加载过程中裂纹体的应变能密度；Τi是作用在回路弧线ds上的表面力失量；ui是该处的位移失量。

图2J积分示意图

当围绕裂纹尖端的J积分达到临界值Jc时，裂纹开始扩展，这个临界值称为断裂韧性，是材料常数，它反映了材料抵抗裂缝扩展的能力。J积分反映了材料在弹塑性阶段的抗裂能力。

1.3断裂能和裂缝张开位移

与线弹性断裂力学和弹塑性断裂力学不同，黏聚力模型CZM是一种研究裂纹失效的方法，它通过裂缝界面上的黏聚力和界面的相对位移来定义，而黏聚力和位移的关系可以通过黏聚力-位移曲线[10，15-16]来描述，如图3所示。

图3双线性CZM的t-δ曲线

图中，δf为裂缝面最大张开位移，Tc为抗拉强度。

使用断裂能、抗拉强度和张开位移，再结合t-δ曲线，评价沥青混合料的抗裂性能。

2试验方法

2.1断裂力学J积分试验

J积分试验采用预切口小梁试件，试件尺寸为长250 mm、宽30 mm、高35 mm，跨径L为200 mm，切口深度a为21.5 mm，试验温度为10℃、5℃、0℃、5℃、-10℃，加载速率为1 mm/min。

断裂能由式(3)计算：

(3)

式中：U为荷载-跨中挠度曲线下方的面积J(如图4所示)；b是梁的宽度，m；h0是梁的高度，m；a是切缝深度，m。

图4荷载-跨中挠度曲线

断裂韧性Jc由式(4)计算：

(4)

式中：UT为荷载达到最大值时曲线下方的面积。

临界断裂韧性Jc越大表明沥青混合料的抗裂性能越好。

2.2黏聚力模型试验

通过试验确定参数断裂能和开裂强度，然后利用公式(5)计算裂缝形成时的张开位移δf，使用上述参数绘制双线性CZM的t-δ曲线，假定δ0=0.15δf。

(5)

其中：Gc断裂能；δf为张开位移；Tc抗拉强度。

3原材料技术性质

选用的沥青为SBS改性沥青，采用的集料为石灰岩；矿粉由石灰岩磨碎而成。混合料级配采用AC-13、SMA-13和缓裂沥青混合料CAM，对三种混合料进行了矿料级配设计优化。

采用马歇尔击实法作为混合料的试件成型方法。确定三种混合料的油石比以及体积指标，测试结果见表1。

表1　不同结构类型混合料体积参数测试结果

4试验结果与分析

4.1临界应变能的测试结果与分析

按照小梁低温弯曲试验的方法和步骤进行试验，测试温度，将荷载与变形曲线图转换成应力应变(σ-ε)曲线，通过对应力应变曲线进行回归，回归方程为三次抛物线，利用Origin8.0软件可以计算出曲线的纵坐标峰值所对应的应变值，然后利用积分计算峰值曲线的面积从而计算出临界应变能密度。测试结果见图5。

图5不同温度下的弯曲应变能密度

从图5中可以看出，在0℃以下，随着温度的升高，弯曲应变能逐渐增大，沥青混合料温度越高越不容易发生断裂，反之，温度越低，沥青混合料越容易发生断裂；在0℃以上，沥青混合料的弯曲应变能变化不大。出现这种情况的原因主要是，在低温状态下，沥青混合料主要表现为线弹性材料，随着试验温度的升高，沥青混合料的塑性特征逐渐增强，沥青混合料表现为复杂的弹塑性力学行为。因此，采用低温弯曲试验来评价沥青混合料的低温抗裂性能时，沥青混合料的测试温度最好控制在0℃以下，沥青混合料主要表现为弹性特性。

4.2J积分试验结果与分析

对AC-13、SMA-13和CAM三种沥青混合料在最佳沥青用量的条件下分别制样，试验温度为10℃、5℃、0℃、-5℃、-10℃，试验仪器采用微机控制电子万能试验机，采用Origin8.0对试验曲线的峰值和面积进行确定，利用公式(3)和公式(4)计算断裂能和断裂韧性。根据试验结果绘制成图6。

图6不同温度下的断裂韧性

从图6中可以看出，SMA的抗裂性能优于另外两种沥青混合料，可以用结构理论解释这种差别，SMA系列是骨架密实结构，矿料的骨架结构起主导作用，提供了嵌挤能力；AC和CMA系列是悬浮密实结构，主要有沥青、细集料形成抗裂强度，在低温条件下，沥青材料又明显的表现为脆性特性，极易发生脆性断裂。因此，骨架密实结构在抗裂能力方面具有明显的优势。

4.3基于黏聚力模型的试验结果与分析

断裂能和抗拉强度根据试验获得，裂缝形成时的张开位移由式(5)计算获得，根据测试结果绘制图形，如图7所示。

图7黏聚力与张开位移的关系

图7是不同类型沥青混合料在-10℃下的t-δ曲线，由图7可知：

(1) SMA-13的断裂能Gc、抗拉强度T和裂缝形成时的张开位移δf的值比AC-13和CAM大。

(2) 比较SMA-13和AC-13型沥青混合料，SMA-13的断裂能是AC-13断裂能的1.31倍；SMA-13的裂缝张开位移是AC-13裂缝张开位移的1.27倍。

(3) 比较AC-13和CAM型沥青混合料，AC-13的断裂能是CAM断裂能的1.10倍；AC-13的裂缝张开位移是CAM裂缝张开位移的1.03倍。

5结语

(1) 弯曲应变能密度临界值评价沥青混合料的低温抗裂性能时，在温度低于0℃条件下较为合理。

(2) 从J积分、黏聚力模型试验结果表明三种沥青混合料中SMA-13的抗裂性能最优。

(3) 从三种沥青混合料抗裂性能的测试结果表明，弯曲应变能密度临界值(在一定温度条件下)、断裂能、断裂韧性以及基于黏聚力模型的裂缝张开位移等指标都可以综合评价沥青混合料的抗裂性能。

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Comparative Analysis on the Fracture Resistance of Different Types of Asphalt Mixture

WU Xirong

(KeyLaboratoryofHighwayConstruction&MaintenanceTechniqueinLoessRegion，ShanxiProvincialResearchInstituteofCommunications，Taiyuan，Shanxi030006,China)

Abstract：Bending strain density threshold based on elastic damage theory, the J-integral based on elastic plastic fracture mechanics and Cohesion and crack opening displacement based on cohesive zone model were employed to evaluate the fracture resistance of asphalt mixture of SMA-13、AC-13 and CAM in the temperature of 10℃、5℃、0℃、-5℃、-10℃. The results shows that when the temperature is below 0℃, bending strain density threshold can be used to evaluate crack resistance of asphalt mixture, the test results of using fracture toughness, cohesion and crack opening displacement index to evaluate the crack resistance property of three kinds of asphalt mixture are consistent.

Keywords:asphalt mixtures; anti-cracking performance; fracture energy; curvature strain energy

文章编号：1672—1144(2016)01—0128—04

中图分类号：TU443

文献标识码：A

作者简介：吴喜荣(1980—)，女，山西大同人，硕士，工程师，主要从事路基路面方面的研究。 E-mail:25088019@qq.com

基金项目：山西省交通厅科研项目(编号:2014-1-1)

收稿日期：2015-09-05修稿日期：2015-10-09

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2016.01.024