变幅荷载作用下沥青混合料的疲劳损伤试验

沙 炯，邢明亮，张纪阳，陈华鑫，丁 彪

(1.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710061； 2.中交第一公路勘察设计院有限公司，陕西 西安 710075)



变幅荷载作用下沥青混合料的疲劳损伤试验

沙 炯1，邢明亮1，张纪阳1，陈华鑫1，丁 彪2

(1.长安大学 材料科学与工程学院，陕西 西安 710061； 2.中交第一公路勘察设计院有限公司，陕西 西安 710075)

为了深入研究沥青混合料的疲劳性能，解决现有疲劳性能研究中没有考虑实际路面所受荷载是变幅、重复的加卸载过程这一关键问题，本文通过加载顺序和加载幅值对沥青混合料粘弹性指标的影响进行试验研究，分析了变幅荷载作用下沥青混合料劲度模量、相位角的变化，并选取耗散能作为损伤变量分析了变幅荷载下沥青混合料的疲劳损伤。试验结果表明：劲度模量与应变加载顺序有关；在低高加载顺序中，相位角在两阶段都表现为随着荷载作用次数的增加而增大，在高低加载顺序中，相位角的变化与高低应变的幅值相关；应变在高低顺序加载下累积耗散能要高于低高顺序下的累积耗散能；当采用的前后加载幅值较大时，这种现象更加明显。

道路工程； 沥青； 试验研究； 疲劳； 变幅荷载

1 引 言

研究路面疲劳破坏主要是研究沥青混合料的疲劳性能，目前研究沥青混合料疲劳性能主要基于常应力幅和常应变幅试验。在实际路面承载过程中，所受荷载是变幅、重复的加卸载过程，在这种情况下，考虑加载顺序和加载幅值对沥青混合料的影响就显得十分必要。以往关于两级荷载对材料性能的研究主要集中在金属领域，如按照低高顺序加载，材料会出现“锻炼效应”，按高低顺序加载，材料会出现“过载效应”；而沥青混合料属于粘弹性材料，其在变幅荷载作用下表现出的特性和金属材料有一定差别。在此基础上，本文进行了加载顺序和加载幅值对沥青混合料粘弹性指标影响的试验研究，分析了变幅荷载作用下沥青混合料劲度模量、相位角变化，并且验证了线性损伤理论对沥青混合料的适用性。

2 试验方案

试验分别在5℃、15℃、25℃条件下进行，采用频率为10Hz，试验采用的应变大小分别为600、400、200。试验中不仅考虑了加载顺序对沥青混合料疲劳性能的影响，也考虑了高低荷载的幅值，具体试验方案如图1。本试验设定荷载作用次数达到设定值时停止加载为终止条件。试验分两级加载，每级加载10000次，试验中考虑加载顺序及加载幅值对沥青混合料劲度模量变化、相位角、应力的变化、耗散能率及累积耗散能的影响。表1是对图1的详细注释。

表1 加载顺序对疲劳性能影响的试验方案

图1 加载方案示意图Fig.1 Schematic diagram of loading plan

疲劳试验中的数据结果往往是在一个范围内波动，很难定量去表达，因此文中不做具体定量分析，主要定性说明不同加载顺序及加载幅值条件下这些指标的变化情况，而对于累积耗散能，文中比较了不同顺序和加载幅值条件下其变化情况。

3.1 加载顺序及加载幅值对劲度变化的影响

按不同加载顺序及加载幅值进行疲劳试验，得到试验结果如图2～图4。

图2 5℃时变幅荷载作用下劲度变化示意图Fig.2 Stiffness at 5℃ under variable amplitude loading schematic changes

图3 15℃时变幅荷载作用下劲度变化示意图Fig.3 Stiffness at 15℃ under variable amplitude loading schematic changes

图4 25℃时变幅荷载作用下劲度变化示意图Fig.4 Stiffness at 25℃ under variable amplitude loading schematic changes

从图2～图4中可以看出，初始劲度与所采用的应变值有关，应变越小，初始劲度越大。在低高应变(200～600με和400～600με)顺序作用下，低应变控制阶段所采用应变值越低，则高应变控制的初始阶段劲度相对较高，但随着荷载作用次数增加，劲度模量变化趋于一致，该现象表明低应变阶段应变值越低，沥青混合料产生的损伤就越小，所以在高应变控制的初始阶段劲度会相对较大。在低高应变控制顺序作用下，低应变阶段的应变值大小对随后的高应变阶段初始劲度有影响，随着高应变作用次数的增加，影响会越来越小。在高低应变(600～400με和600～200με)顺序作用下，低应变控制阶段的劲度变化出现两种情况，400με作用下劲度表现为衰减；而200με作用下劲度先逐渐增大然后逐渐减小。这种现象是由于沥青混合料具有自行愈合性质，当低应变阶段所采用的应变值和高应变阶段所产生的应变值比较接近时，在较高的荷载作用下，损伤占主导地位，所以一直表现为衰减；当采用的应变值和高应变的值相差较大时，劲度在低应变控制的初始阶段劲度恢复现象就会比较明显，所以劲度表现为先增大后减小。

3.2 加载顺序及加载幅值对相位角变化的影响

图5 5℃时变幅荷载作用下相位角的变化Fig.5 At 5℃ amplitude loading phase angle change

相位角是沥青混合料粘性(不可恢复部分)与弹性的(可恢复部分)成分比例指标，相位角越小越富有弹性，其与复数模量共同评价沥青混合料高温稳定性。本文考虑在变幅条件下温度、应变大小及频率对相位角变化的影响，试验结果见图5～图7。

图6 15℃时变幅荷载作用下相位角的变化Fig.6 At 15℃ amplitude loading phase angle change

图7 25℃时变幅荷载作用下相位角的变化Fig.7 At 25℃ amplitude loading phase angle change

当温度为5℃和15℃时，加载顺序和加载幅值对相位角有影响，温度为25℃时加载顺序和加载幅值对相位角变化影响不大。在5℃和15℃条件下低高应变顺序作用，低应变值越低，相位角越小；高应变控制阶段，相位角随荷载作用次数增加在200～600με和400～600με两种应变顺序下相位角趋于一致，这表明低高应变作用下，相位角的最终结果主要取决于高应变的值。对于高低应变(600～400με和600～200με)顺序作用下，低应变控制阶段相位角的变化出现两种情况，当低应变控制阶段所采用的值为400με时，相位角随荷载作用次数的增加而逐渐增加；而当低应变的值为200με时，相位角先下降后上升，这种现象和劲度模量的高低应变中200με时变化趋势正好相反。因为沥青混合料弹性成分所占比例较大，在600με控制阶段，弹性模量和粘性模量都随着荷载作用次数增加而减小，弹性模量下降幅度较大，粘性模量下降幅度较小；在200με控制阶段，0～2000次作用下，弹性模量有所增加，在2000～10000次范围内，又逐渐降低，但幅度较小，而粘性模量随着荷载作用的增加一直在减小，因此可以判定第二阶段的劲度模量增大以及相位角减小主要是由于弹性模量恢复引起的。在高低顺序作用下，当第二阶段采用应变控制值较大时，损伤占主导地位，弹性模量依然逐渐降低，因此出现当第二阶段采用400με作用时，劲度模量下降、相位角增大的现象。

4 变幅应变控制下沥青混合料耗散能分析

随着温度变化，沥青混合料中粘弹性成分比例在变化，其疲劳损伤性能也会出现一定变化。本试验选用两级应变控制下的累积耗散能作为损伤变量来考察加载顺序及加载幅值对沥青混合料疲劳损伤性能的影响。

4.1 加载顺序及加载幅值对耗散能率变化的影响

耗散能率为单位周期的耗散能大小，其值变化受多种因素影响，包括温度、荷载、频率等，本试验结果如图8～图10。

图8 5℃时变幅荷载作用下耗散能率的变化Fig.8 Energy dissipation rate of change under variable amplitude loading at 5℃

图9 15℃时变幅荷载作用下耗散能率的变化Fig.9 Eenergy dissipation rate of change und variable amplitude loading at 15℃ der

图10 25℃时变幅荷载作用下耗散能率的变化Fig.10 Energy dissipation rate of change un variable amplitude loading at 25℃ der

从图中可以看出，温度越低，单位周期的耗散能越高。在低高应变加载顺序作用下，低应变阶段应变越低，则耗散能率越低；在5℃和15℃条件下，低应变大小对高应变初期耗散能率有影响，低应变值越低，对应高应变阶段初始耗散能率会越大；而对高应变控制阶段的后期耗散能率影响很小，当温度为25℃，低应变大小对高应变阶段耗散能率影响较小。对于高低应变顺序情况下，耗散能率在高应变控制阶段呈现下降趋势；在低应变阶段，耗散能率变化幅度较小，但有两种情况，在400με作用下，耗散能率呈下降趋势，而在200με条件下，耗散能率会先有所上升然后逐渐减小。

4.2 变幅应变控制下耗散能统计结果

两级应变控制作用下累积耗散能随荷载作用的变化分别见图11～图13。不同温度下累积耗散能统计结果见表2。

图11 5℃时变幅荷载作用下累计耗散能变化示意图Fig.11 Cumulative dissipated energy schematic changes under variable amplitude loading at 5℃

图12 15℃时变幅荷载作用下累计耗散能变化示意图Fig.12 Cumulative dissipated energy schematic changes under variable amplitude loading at 15℃der

图13 25℃时变幅荷载作用下累计耗散能变化示意图Fig.13 Cumulative dissipated energy schematic changes under variable amplitude loading at 25℃

从图11～图13及表2中可看出，在同一温度条件下，采用的应变值越大，累积耗散能增长速度越快；采用高低加载顺序所得到的累积耗散能要大于低高作用下的累积耗散能，并且加载的幅值越大，这种变化越明显。温度越低，则累积耗散能会越大，如图12所示，当应变幅值较大时，高低顺序下(600～200με)的累积耗散能与低高顺序下(200～600με)的累积耗散能差值随着温度的升高而减小。表2分别记录了两级应变控制下的累积耗散能，从表中可以看出，高低顺序(如600～200με)中高应变(600με)对应的累积耗散能要大于低高顺序(200～600με)中高应变(600με)对应的累积耗散能，而高低顺序(如600～200με)中低应变(200με)对应的累积耗散能要小于低高顺序(200～600με)中低应变(200με)对应的累积耗散能。在考虑变幅荷载对沥青混合料疲劳损伤的影响时，当前后两级荷载较为接近时，加载顺序的影响就可以忽略，此时可以近似用Miner准则，而当加载幅值较大时，就必须考虑加载顺序。

表2 不同加载顺序及应变幅值作用下累积耗散能统计表

5 结 论

1.在低高加载顺序中，劲度在低应变和高应变控制阶段都表现为衰减；而在高低加载顺序中，劲度在高应变阶段表现为衰减，在低应变控制阶段劲度变化与高低应变幅值有关；当高低荷载比较接近时，劲度下降，当高低荷载幅值相差较大时，劲度先上升后下降。

2.在低高加载顺序中，相位角在两阶段都表现为随着荷载作用次数的增加而增大；在高低加载顺序中，相位角变化与高低应变幅值相关，当应变幅值较小时，相位角表现为随着荷载次数增加而增加，当应变幅值较大时，相位角先减小后增加。

3.粘性模量在整个加载过程中一直是衰减的，而弹性模量在低应变控制的初始阶段有所恢复，因此劲度先增加后减小和相位角先减小后增加的现象都是由于弹性模量恢复引起的。

4.高低顺序加载下累积耗散能要高于低高顺序下的累积耗散能；当采用的前后加载幅值较大时，这种现象更加明显。

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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

青海省科技资助项目(2014-GX-A2A)，中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(310831151080，310831153409，310831153315)，中国博士后科学基金资助项目(2015M582592)

沙 炯(1987-)，男，安徽宣城人，硕士研究生，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