应力控制模式下沥青混合料疲劳损伤力学性能研究

沈钱超，吴帮伟，沈 燕，范 钊

扬州大学 建筑科学与工程学院,江苏 扬州 225127

0 引言

疲劳是沥青路面破坏的主要方式之一,它可以降低沥青路面的力学性能,导致柔性路面结构的疲劳破坏[1].研究沥青混合料路面在应力控制模式下的疲劳性能,对沥青路面在复杂的交通荷载与环境条件下延长服役寿命具有重要的意义.

目前,针对于应力控制模式下沥青混合料疲劳性能试验的研究,国内已经取得了初步的成就,成果主要集中于采用不同应力比进行室内疲劳试验,通过试验结果建立疲劳方程和室内疲劳寿命预测模型[2-4]；国外学者主要侧重于疲劳参数与疲劳蠕变应力比关系的研究[5-7]，而缺少在应力控制模式下掺入改性沥青和玄武岩纤维(Basalt fiber,英文缩写为BF)的沥青混合料疲劳损伤性能研究.基于此,本文选取7种不同类型的沥青混合料,通过四点小梁弯曲疲劳试验方法,测定应力控制模式下沥青混合料疲劳寿命,探究劲度模量、累计耗散能等疲劳参数在疲劳损伤过程中的变化规律，并在此基础上,为设计能抵抗疲劳开裂能力的路面结构提供广泛的室内试验与评价.

1 试验设计

1.1 原材料

1.1.1 沥青

本文选用的道路石油沥青为中国石油化工股份有限公司金陵分公司生产的金陵70#沥青,苯乙烯-丁二烯-苯乙烯(Styrene-butadiene-styrene,英文缩写为SBS)热塑性弹性体沥青采用成品改性沥青,两种不同沥青能试验结果见表1.

表1 两种不同沥青性能指标及试验结果Table 1 Performance indicators and test results for two different kinds of asphalt

1.1.2 集料

集料选用玄武岩和石灰岩,玄武岩应用于SMA-13沥青混合料配合比设计,石灰岩应用于Sup-20和Sup-25沥青混合料配合比设计,两种集料密度测定结果见表2.

表2 集料性能指标及试验结果Table 2 Aggregate performance indicators and test results

1.2 沥青混合料材料组成

本文考虑到试验级配丰富性,选取SMA-13，Sup-20和Sup-25等3种级配的混合料,通过掺入SBS改性沥青或复合剂以改善沥青混合料的疲劳性能,具体材料组成见表3.

表3 不同面层沥青混合料组成材料Table 3 Different surface asphalt mixture materials

1.3 试验与评价方法

目前,研究沥青混合料的常用方法有力学近似法、现象学法和耗散能法[9-10].本文从满足试验可操作性和研究目的的角度出发,确定以四点弯曲小梁疲劳试验为研究方法.

为保证试验兼容性和与实际沥青路面受力情况尽量接近[11-12],同时考虑试验的可操作性,试验仪器采用英国进口的UTM(Universal test machine,英文缩写为UTM).

1.3.1 试件制备

Sample 1#:轮碾法成型沥青混合料板块试件,400 mm×300 mm×75 mm;Sample 2#:切割Sample 1#,制作小梁试件(380±5) mm(长)×(50±5)mm(高)×(63.5±5)mm(宽).

1.3.2 试验条件

本文采用四点弯曲小梁试验,具体试验参数见表4.

表4 试验参数汇总Table 4 Summary of test parameters

1.3.3 评价方法

2.1.10 铁。2012年全市叶片铁平均含量为146.16 mg/kg(表1)，说明铁的含量在较高的水平，这与果园较低的土壤pH有关。烟台果园土壤通常不缺铁，土壤中的过量磷和有机质能够降低铁的有效性。土壤铁含量过高影响阳离子交换量和降低其他养分的有效性。

在应力控制模式下,四点弯曲小梁试验停止条件设置为试件的弯拉劲度模量衰减至初始值的10 %,此时,认定沥青混合料疲劳失效[13-14].

2 应力控制模式下沥青混合料疲劳试验

沥青混合料抗疲劳性能是表征其力学性能的指标,作为一种粘弹性材料,其损伤过程复杂,影响因素众多.

本文根据《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTG E 20-2011)[15]对沥青混合料进行四点弯曲小梁疲劳试验,采用应力控制的连续偏正弦加载模式,分别测定应力水平0.7，1.0和1.5下7种沥青混合料的疲劳寿命,试验结果如表5所示.

表5 四点弯曲小梁疲劳试验结果Table 5 Fatigue test results of four - point bending trabeculae

图1 不同应力水平控制模式下沥青混合料疲劳寿命的单对数坐标曲线Fig.1 Single logarithmic curves of number of fatigue ofasphalt mixture under control mode of different stress levels

由表5可得,在应力比0.7，1.0和1.5的试验条件下,掺入玄武岩纤维的SMA-13沥青混合料的疲劳寿命分别是掺加木质素纤维的2.27，2.99和1.17倍；掺入玄武岩纤维的Sup-20沥青混合料的疲劳寿命分别是不加纤维的0.12，0.35和1.30倍；掺入玄武岩纤维的Sup-25沥青混合料的疲劳寿命分别是不加纤维素的1.99，2.91和1.08倍.表明在应力控制模式下玄武岩纤维沥青混合料的疲劳寿命随级配不同趋势不一致,对于Sup-20级配在应力比较低时,玄武岩纤维沥青混合料疲劳寿命降低.

3 混合料疲劳寿命影响因素分析

3.1 基于现象学法的疲劳损伤模型

根据表5中疲劳试验结果,基于传统应力控制模式的现象学疲劳方程,采用幂函数形式,对疲劳寿命与应力水平按式(1)进行回归,并在单对数坐标下绘制疲劳寿命与应力水平的回归曲线,如图1所示.

logNf=b+kσ

(1)

式中,Nf为沥青混合料疲劳寿命,次;σ为应力比;k为单对数疲劳方程的斜率,k值绝对值越大表明,混合料疲劳寿命在不同应力水平下敏感程度越大即混合料抗疲劳性能越差;b为单对数疲劳方程的截距,b值越大表明,沥青混合料疲劳寿命越长,沥青混合料耐久性越好.

由图1及表6可以看出,对公称最大粒径较小的级配SMA-13和Sup-20,掺加玄武岩纤维后k值及b值的绝对值降低,说明玄武岩纤维可改善沥青混合料疲劳寿命对应力水平的敏感程度,即在重载交通下,掺加玄武岩纤维可有效改善沥青混合料的疲劳性能,但与Sup-20级配疲劳寿命得到的结果不一致.而对Sup-25级配,k值及b值升高,表明应力控制模式下该方法无法评价玄武岩纤维沥青混合料的疲劳性能.

表6 应力控制模式下沥青混合料单对数疲劳方程Table 6 Semi-logarithmic fatigue equation of asphalt mixture under stress control mode

3.2 能量耗散与疲劳寿命的关系

3.2.1 应力控制模式下沥青混合料耗散角试验结果分析

沥青混合料在疲劳破坏过程中表现出的耗散角大小与疲劳裂纹在沥青混合料内部扩展的状态有关,若沥青混合料疲劳裂纹在沥青或沥青胶浆内扩展时黏性成分表现的比较突出,则此时的耗散角就比较大；若沥青混合料疲劳裂纹在集料内部扩展时弹性成分表现的比较突出,则此时的耗散角就比较小.

由表5可知,沥青混合料耗散角随应力水平的升高而增大,掺加玄武岩纤维对沥青混合料的耗散角影响较小.这是因为随应力水平的升高,在相同加载时间下沥青混合料的变形量增大,其黏性效应表现得更突出,因此耗散角随应力水平的升高而增大.

3.2.2 应力控制模式下沥青混合料累积耗散能试验结果分析

沥青混合料在交变荷载作用下的疲劳破坏是能量不断消耗的过程.由断裂力学理论可知,材料的破坏是裂纹逐渐扩展的过程,把每一个加载循环中损失的能量积聚起来并转化为裂纹扩展形成新表面的表面能.荷载作用过程中累积耗散能达到材料所能承载的限度时,材料就会发生破坏.如图2～图4所示,加入SBS改性剂的Sup-25沥青混合料的疲劳寿命和累积耗散能都明显大于掺入道路石油沥青的Sup-25沥青混合料.试验结果表明：在沥青混合料中掺入适量SBS改性剂能赋予实体路面更好的抗变形能力,提高路面抗疲劳能力,特别是在大流量、超载严重的公路上具有良好的应变能力,增强路面的承载能力.

图2 应力比0.7下不同沥青混合料累积耗散能的对比Fig.2 Comparison of cumulative dissipation energy ofdifferent asphalt mixtures under the stress ratio of 0.7

图3 应力比1.0下不同沥青混合料累积耗散能的对比Fig.3 Comparison of cumulative dissipation energy ofdifferent asphalt mixtures under stress ratio of 1.0

掺加玄武岩纤维的SMA-13沥青混合料与掺加木质素纤维的沥青混合料在相同应力条件下的试验结果比较得,前者的疲劳寿命和累积耗散能都远大于后者,说明纤维在提高沥青混合料的物理力学性能方面优于木质素.

图4 应力比1.5下不同沥青混合料累积耗散能的对比Fig.4 Comparison of cumulative dissipation energy of different asphalt mixtures under stress ratio of 1.5

3.3 劲度模量与疲劳寿命的关系

通过对沥青混合料试件在3个不同应力比(分别为0.7,1.0和1.5)下劲度模量的统计分析,可明显发现,在3个应力水平循环荷载作用下,弯拉劲度模量的变化均可分成三阶段.第一阶段:弯拉劲度模量急剧下降;第二阶段:试验维持时间最长,弯拉劲度模量衰减缓慢,基本上呈线性;第三阶段:弯拉劲度模量弯拉劲度模量再次急剧下降,直至试件失效或破坏.3组应力水平下弯拉劲度模量的变化规律如图5～图7所示.

图5 SMA-13级配沥青混合料劲度模量与疲劳寿命之间的关系Fig.5 Relationship between stiffness modulus andnumber of fatigue of SMA-13 grade asphalt mixture

图6 Sup-20级配沥青混合料劲度模量与疲劳寿命之间的关系Fig.6 Relationship between stiffness modulus andfatigue of Sup-20 grade asphalt mixture

图7 Sup-25级配沥青混合料劲度模量与疲劳作用次数之间的关系Fig.7 Relationship between stiffness modulus and number of fatigue of Sup-25 grade asphalt mixture

由图5～图7可以发现,掺加玄武岩纤维后沥青混合料的初始劲度模量均有提高,且除Sup-20级配劲度模量变化持续时间最长的阶段劲度模量缓慢衰减阶段延长,趋势变缓.

结合沥青混合料疲劳寿命,由曲线变化趋势可以发现,对同种类沥青混合料,其试验应力比越大,曲线斜率越大.这表明施加的应力水平越高,试件的劲度模量衰减值越大,导致剩余劲度模量越小,这与试验过程中试件的损伤行为一致.

4 结论

(1) 在单对数坐标下,对SMA-13和Sup-20级配的沥青混合料掺入玄武岩纤维后,其k及b的绝对值降低,说明在重载交通下,掺入玄武岩纤维可有效提高沥青混合料的抗疲劳性能;而对Sup-25级配,k值及b值升高,表明应力控制模式下该方法无法评价玄武岩纤维沥青混合料的疲劳性能.

(2) 沥青混合料的耗散角随应力水平的增高而增大,掺入玄武岩纤维对沥青混合料的耗散角影响较小;对Sup-25级配的沥青混合料,掺入SBS改性剂能明显提高其累积耗散能;掺入玄武岩纤维的SMA-13级配的沥青混合料与掺入木质素纤维比较,前者累积耗散能远大于后者.

(3) 沥青混合料试件在特定应力比下的劲度模量衰减可分成三个阶段,其中第一阶段和第三阶段的劲度模量急剧变小,第二阶段的持续时间最长,劲度模量缓慢下降.另外,试件的弯拉劲度模量衰减值随应力水平的升高而增大,导致剩余弯拉劲度模量越小,与试验过程中试件的损伤行为一致.