冻融循环下的沥青混凝土损伤机理研究

贺明明

(中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引 言

近年来，基础交通网络日益完善，公路项目建设规模也逐渐扩大。同时，相关统计资料表明，我国超过80%公路路面是沥青混合料。沥青混凝土路面在运营期间，受到车辆荷载、气候变化等因素的作用下，容易出现各种类型的病害，影响行车安全和行车舒适度。尤其是在北方寒冷地区，沥青混凝土还会受到经历反复的冻结融化，破坏其内部结构，使路面使用寿命出现一定程度的降低。由于沥青混凝土路面在冻融环境中的受力变形复杂，国内外学者也对此开展了一些研究，如李兆生等通过室内试验分析了反复冻融对沥青混合料高温性能与疲劳寿命地影响，并将其损伤划分成快速、稳定、发展三个阶段；孙海蛟探讨了沥青混凝土的细观损伤和宏观性能间的关系，并推导出冻融损伤模型。因此，研究冻融循环作用下沥青混凝土的损伤机理十分必要。

1 沥青混凝土损伤概念及原材料性质

1.1 损伤概念

构件损伤概念最早源于20世纪50年代，随着损伤力学的不断发展，尚没有普适性的损伤理论，各专业领域均结合自身工程特点提出了自己的损伤理论。沥青混凝土的损伤理论有连续损伤理论和细观损伤理论两种，其中连续损伤理论重点关注沥青混凝土的力学性能、变形等是否与试验结果相吻合；细观损伤理论是通过理论推导来得到沥青混凝土宏观损伤和细观损伤间的关系。

沥青混合料的损伤变量计算参考下式

D=(1-ψ)×100

式中：ψ为连续度，值为1表示混合料无损伤，值为0表示混合料完全破坏；D为损伤变量，值为0表示混合料无损伤，值为1表示混合料完全破坏。

1.2 原材料性质

为了研究冻融循环作用下沥青混合料的损伤情况，参考《公路工程沥青混合料试验规程》(JTG E20-2011，通过马歇尔法对AC-16沥青混合料进行配合比设计，其中沥青选择70#基质沥青，粗集料、细集料、矿粉等材料的技术指标也满足规范要求。沥青混凝土的最终配合比设计结果见表1。

表1 原材料试验配合比

2 沥青混凝土的冻融条件和损伤特性

2.1 冻融条件设定

沥青混凝土所处地冻融条件，可设定为在封闭系统下快速冻融。开始冻融之前应当使用保鲜膜将制备好的试样包裹，这样可以确保土样冻融时水分迁移较少，从而构造一个不补(散)水的密闭环境。当试验达到规定的冻融循环次数之后，将沥青混凝土试件取出，然后开展相应的抗压强度、疲劳试验等。

本次冻融试验土样冻结过程采用的仪器是DW-40型低温试验箱，该设备的制冷系统由进口压缩机、冷凝器等组成。冻融参数主要有冻结温度、融化温度、冻结时长、融化时长、冻融循环次数等，试验中冻融温度可参考当地的气候资料，一次冻融循环的时间定为24 h(冻结12 h，融化12 h)。同时，根据相关学者的研究成果可知，沥青混凝土经过10次冻融循环之后，其物理力学性就基本处于一种较为稳定的状态。但由于规范中要求的沥青混合料路面使用年限可能超过10年(如高速公路沥青路面使用年限不得低于15年)，10次冻融循环并不能完全反应沥青路面在运营期间的损伤特性，故文章中冻结循环次数取16次。

2.2 混合料冻融损伤特性

在反复冻融循环作用下，沥青混凝土内部可能出现损伤现象。随着混合料损伤程度的不断发展，其力学性能也发生动态变化。同时，宏观力学性能变化对沥青混合料的影响最终是体现其抗疲劳性能，故可通过回弹模量和抗压强度的损伤度、抗疲劳性能的衰减来评价沥青混凝土的损伤特性。

(1)抗压强度和回弹模量损伤

达到规定冻融循环次数之后，开展试验来测定试件的抗压强度及回弹模量，试验结果及损伤变量如图1所示。

图1 冻融前后沥青混凝土力学性能及损失度

由图1可知，随着冻融循环次数的增加，沥青混凝土的抗压强度和回弹模量均出现了一定程度的降低。当冻融循环次数达到16次，沥青混凝土的抗压强度和回弹模量分别降低了44.3%、47.5%。同时，沥青混合料的损伤度逐渐增加，但增加速率逐渐变缓。当冻融循环次数达到16次，沥青混凝土的抗压强度损伤变量和回弹模量损伤变量分别增加了0.47、0.52。这表明冻融循环次数对沥青混凝土回弹模量的影响程度是大于抗压强度的。沥青混凝土性能出现劣化的主要原因有两方面：第一，在冻胀力的作用下，沥青混凝土骨架颗粒间产生了劈裂，内部出现了一定数量的微观裂纹，改变了混合料的内部结构；第二，沥青混凝土内部微观裂纹受到冻胀力的影响不断扩展，使混凝土内部损伤不断积累，从而引起混凝土力学性能出现衰减。

(2)疲劳性能损伤

要确定沥青混凝土路面在冻融循环作用下的疲劳寿命损伤情况，必须建立精确的疲劳模型。目前，国内外模拟沥青路面疲劳破坏一般是采用应变模型或应变-劲度模型来建立路面材料最大拉应变与其疲劳寿命的关系。应变疲劳模型中疲劳寿命(荷载累计作用次数)计算公式如下

N=Kσ-n

式中：N为沥青路面疲劳寿命；σ为沥青混凝土拉应力；K、n为拟合系数，K值越大材料抗疲劳性能越好，n值越大材料疲劳曲线斜率越陡。

通过疲劳试验得到了冻融前后不同应力水平的沥青混凝土疲劳寿命，并利用软件origin进行了疲劳寿命拟合，得到疲劳寿命的拟合方程，如图2所示。

图2 冻融后沥青混凝土疲劳寿命

由图2可知，在反复冻融作用下，不同应力水平下的沥青混凝土疲劳寿命均呈减小趋势，且应力水平越小，减小幅度越明显。冻融前后沥青混凝土疲劳方程中的K值分别为664.37、486.04，n值分别为3.191 2、3.310 8，K值降低了27.7%，说明沥青混凝土抗疲劳性能降低；n值提高了4.1%，说明沥青混凝土的疲劳寿命曲线变陡，疲劳寿命对应力水平的变化也更加敏感。

3 冻融后沥青混凝土细观损伤

(1)CT扫描设置

目前，沥青混凝土细观损伤常采用CT技术，该技术以X线为放射源，X线穿透不同的物质后其衰减程度有一定的差异，使得接收端的X射线强度也不同。然后再将X线强度以CT值得形式显示在图像上，从而在不破坏沥青混凝土的前提下观察其内部结构。沥青混凝土的扫描层厚度取0.6 mm，管电压取130 kV，毫安秒为250 mAs，螺距为1，扫描时间、移动速度、重建算法等均选择CT机内置参数。

(2)空隙率变化

CT扫描结果表明，沥青混凝土的试件在冻融循环前空隙率分布较为均匀，在冻融循环后(冻融16次)的空隙率时沿着试件高度有明显的规律性，即沥青混凝土的空隙率分布曲线沿高度方向呈“凹形”变化，试件中间的空隙率小，两端空隙率大，且上方空隙率>下方空隙率。同时，冻融后的沥青混凝土空隙率有明显的增加。

(3)空隙数量变化

沥青混凝土的试件在冻融循环后的空隙数量分布与空隙率相反，呈“凸形”分布，试件中间空隙数量多，试件两端空隙数量少，这表明沥青混凝土试件两端空隙体积较大，中间位置以小空隙为主。

4 结 语

在探讨沥青混凝土损伤概念的基础上，分析了冻融循环前后沥青混凝土的力学性能、疲劳寿命及细观损伤情况，主要得到了以下结论：(1)沥青混凝土损伤理论有连续损伤理论和细观损伤理论，两者侧重点差异较大。(2)沥青混凝土的力学性能会随着冻融循环次数的增加而衰减，且回弹模量受冻融循环次数的影响更加明显。(3)反复冻融作用下，沥青混凝土疲劳寿命会降低，且对应力水平更加敏感。⑷冻融后，沥青混凝土的空隙率和空隙数量提高。