加載間歇時間對瀝青混合料疲勞性能影響研究

王立軍，陳 帥，王 浩，李字霞，索 智

(1.東北林業(yè)大學，黑龍江 哈爾濱 150040；2.國網(wǎng)哈爾濱供電公司，黑龍江 哈爾濱 150000；3.北京建筑大學，北京 102616)

0 引言

隨著我國公路運輸行業(yè)的蓬勃發(fā)展，交通量及車輛荷載不斷增加，其造成的瀝青混凝土路面疲勞開裂已經(jīng)成為了路面服役壽命下降的主要原因之一[1]。疲勞開裂作為一種路面病害主要是因為路面材料在行車荷載的反復作用下達到疲勞極限而破壞，一般由微小裂縫引起，在環(huán)境及車輛荷載的共同作用下由微小裂縫發(fā)育為宏觀裂縫，同時伴隨著路面材料力學性能迅速劣化，并隨之帶來表層和裂縫間顆粒脫落及坑槽等一系列問題，直至路面大面積破壞[2-3]。瀝青作為“聚合物”有機材料，其本身具備的黏彈性特性賦予了瀝青混合料蠕變性和抗變形能力，使得瀝青及以其作為膠結料的瀝青混合料在特定環(huán)境內(nèi)其裂縫會部分愈合，同時強度和耐久性也會部分恢復[4-6]。這就使得通過室內(nèi)連續(xù)不間斷加載至疲勞破壞得出的瀝青混合料疲勞壽命會小于實際服役路面的疲勞壽命。

早在1998年，美國聯(lián)邦公路局公路研究中心便通過足尺環(huán)道試驗進行過間歇加載的路面性能試驗，通過監(jiān)測間歇前后瀝青混凝土勁度模量，得出即使在更難檢測到瀝青混合料恢復室外環(huán)境下，間歇時間仍可使得路面瀝青混合料性能提高、使用壽命增大[7]。國內(nèi)外的學者也進行了室內(nèi)的相關研究，結果均表明對于瀝青、瀝青膠漿及瀝青混合料引入間歇時間后，其相應的使用性能及疲勞壽命均有所恢復[8-11]。但是足尺寸試驗耗費巨大且用時較長，很難被大面積采用，有必要進行成本更小、適用面更廣的室內(nèi)試驗。間歇時間對應于現(xiàn)役道路主要為連續(xù)交通流下前后兩輛車之間的時間及長時間無車輛行駛的時間。本文擬采用半圓彎曲疲勞試驗探究兩者對于瀝青混合料疲勞性能的影響。

半圓彎曲試驗(Semi-Circular Bending Test,簡稱SCB)是近幾年新興起的一種瀝青混合料性能試驗方法。其最早為巖土力學中評價巖石力學性能的一種方法，是國際巖石力學學會推薦的測量巖石斷裂強度的方法，直到近二三十年才用于瀝青混合料的研究中，最開始被用于瀝青加鋪層的設計中，后被用于測試熱拌瀝青混合料的抗疲勞性能[12]。已有學者通過研究得出利用SCB疲勞試驗能夠較好地模擬瀝青混合料在重復荷載作用下的疲勞性能[13]。此外SCB疲勞試驗較其它室內(nèi)疲勞試驗還有以下優(yōu)點：①試件來源多樣：可通過多種途徑獲得試驗試件。②試驗過程中試件受力情況為上部受壓底部受拉，與實際路面受力情況相似。③可通過路面鉆芯取樣的方法制件，從而建立試驗室和實際道路路面的聯(lián)系。④試驗流程較短，適合大量試驗。蔡廣聰[14]、付欣等[15]和曾軻銘[16]分別通過試驗和數(shù)值仿真分析了半圓彎曲試驗中各因素的敏感性，得出半圓彎曲試驗中的敏感性因素排序為支點間距>切縫寬度>試件厚度>切縫深度，并得出半圓彎曲試驗中底部支座間距為0.8倍直徑時底部拉力最大，試驗結果最優(yōu)。劉宇等[17]通過試驗得出SCB試驗對參數(shù)敏感、結果穩(wěn)定，能夠很好地削弱材料變異性對于試驗結果的影響，適用于瀝青混合料的疲勞性能研究。

眾多學者的研究表明，半圓彎曲疲勞試驗結果能夠有效地表征瀝青混合料的疲勞性能，但是由于該試驗用于瀝青混合料研究中起步較晚，這方面的研究仍然不足。多數(shù)研究人員研究重點為連續(xù)加載情況下的瀝青混合料疲勞性能，而實際道路服役過程中路面均為間斷受力；故本研究重點在于通過進行兩種模式的間歇加載試驗，探究間歇時間對于瀝青混合料疲勞壽命的關系及規(guī)律，為未來使用SCB試驗評估瀝青混合料疲勞壽命提供參考。

1 試驗參數(shù)確定與試樣制備

半圓彎曲疲勞試驗主要試驗參數(shù)和條件有：試件底部支點間距、試件尺寸、試驗溫度、加載頻率、加載波形及試驗原材料。由于瀝青作為溫度敏感材料，環(huán)境溫度對瀝青混合料的抗疲勞性能有相當大的影響，根據(jù)《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中四點彎曲疲勞試驗規(guī)定及前人的研究，為保證試驗代表性，本次試驗均在15 ℃下進行。研究表明半圓彎曲試驗在試件厚度為50 mm，底部支座間距為0.8倍直徑時底部拉力最大，更大的拉應力意味著更快的破壞，在動輒幾萬次的疲勞破壞次數(shù)中能夠有效提高試驗效率。故本次試驗采用試件尺寸為直徑100 mm、厚度50 mm的半圓柱體，通過旋轉壓實后切割成型，試件底部支座間距為80 mm。

加載頻率及波形：目前試驗中多以10 Hz的頻率為加載頻率，由此可計算出車輛荷載的作用時間約為0.016 s，相當于60 km/h行駛的車輛的車輪與路面作用的時間，該速度在車輛行駛中較為常見，故為保證試驗的代表性，取加載頻率為10 Hz。試驗的加載波形不同將引起不同的力學響應，因此本試驗選擇與路面實際車輛受力最接近的半正弦波為加載波形[18]。

試驗原材料采用黑龍江浩揚瀝青公司生產(chǎn)的I-C-70成品SBS改性瀝青，所用集料、礦粉均來自黑龍江哈爾濱某采石場，瀝青及混合料均滿足《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》(JTG E20—2011)中相關技術指標的要求，采用馬歇爾配合比設計方法，確定最佳瀝青用量為4.9%，級配類型為AC-16，級配組成見表1。

表1 AC-16 級配

試驗所選用其他參數(shù)如表2所示。

表2 疲勞試驗參數(shù)水平

2 試驗過程及結果分析

2.1 試驗最大控制荷載的確定

為防止在加載過程中因施加控制荷載過大導致瀝青混合料試件發(fā)生極限破壞，先進行劈裂試驗得到其破壞最大作用力，用來確定SCB疲勞試驗的最大控制荷載。由于本次試驗所使用控制方式為直接控制力，故直接測量其最大破壞力。通過MTS萬能試驗機以50 mm/min的恒定速率進行半圓試件的劈裂試驗，其試件尺寸、支點間距、受力位置均與SCB疲勞試驗相同。通過劈裂試驗得到試件的劈裂強度如圖1所示，從而得到該尺寸的瀝青混合料半圓疲勞試件破壞最大作用力為2.596 5 kN。確定瀝青混合料疲勞試驗中所用力最大為2 kN。

圖1 混合料劈裂試驗結果曲線

2.2 連續(xù)無間歇加載下疲勞性能研究

力的大小及應力比將直接影響到瀝青混合料在疲勞試驗過程中的受力情況。應力比即荷載水平，荷載水平的大小在決定了試件受力情況的同時也決定了試驗時間的長短。為探究間歇時間對瀝青混合料疲勞性能的影響，須在加載過程中引入間歇時間，為保證引入間歇時間后的試驗效率，同時也為了避免試驗周期太短會導致試驗無法體現(xiàn)時間的影響，需進行試驗確定合適的力的大小及應力比。

通過改變試驗施加的力和應力比來確定符合試驗要求的力，控制試驗長度，保證試驗效率，同時體現(xiàn)試驗目的。力分別取1、1.5、2 kN，應力比分別取0.1、0.3、0.5。試驗結果如表3所示。

表3 無間歇連續(xù)加載下SCB疲勞試驗結果

如表3所示，在試驗中不同控制荷載及應力比對于SCB疲勞試驗的影響為：在最大荷載水平較低如1 kN時，隨著應力比的增大，試件疲勞破壞次數(shù)隨之增大；在較高荷載水平下時如1.5、2 kN，隨著應力比的增大，試件疲勞破壞次數(shù)隨之降低。這主要是由于在控制荷載較大時，試件更多的破壞屬于極限破壞，隨著應力比的增大，試件越接近于極限破壞，此時試件疲勞破壞次數(shù)隨著應力比的增大而減小。而在最大荷載較低時，隨著應力比的減小，其破壞形式更多的表現(xiàn)為剪切破壞，其破壞形式也越符合SHRP對多種疲勞試驗方法的評價，即重復彎曲試驗與實際路面的受力狀況最為相似。同時綜合考慮引入間歇時間后試驗周期增長，防止控制荷載過大導致試件發(fā)生極限破壞及破壞過快體現(xiàn)不出試件的疲勞恢復，取1 kN為最大力，0.1 kN為最小力時試件豎向變形與荷載作用次數(shù)曲線第二個拐點對應的疲勞破壞次數(shù)12 959次作為進一步試驗的依據(jù)。因此后續(xù)試驗均以此為標準采用最大荷載為1 kN，應力比為0.1。

由于利用SCB進行疲勞試驗的研究尚沒有統(tǒng)一的評價標準，常用的確定疲勞破壞次數(shù)的條件為：在主軸施加力的作用下，試件產(chǎn)生向下的變形，以試件縱向變形值為7 mm時對應的荷載循環(huán)作用次數(shù)為瀝青混合料疲勞破壞次數(shù)。通過對不同控制荷載及應力比的試驗數(shù)據(jù)分析，在縱向施加循環(huán)荷載的作用下，荷載作用次數(shù)(N)與試件的縱向位移(D)之間呈現(xiàn)統(tǒng)一反S曲線趨勢，曲線呈現(xiàn)三個階段對應于試驗過程中試件的各物理階段。其示意圖如圖2、圖3所示。

圖2 N-D示意圖

第一階段：當荷載作用次數(shù)很小或為1時，隨著荷載作用，試件幾乎是同步發(fā)生位移，產(chǎn)生瞬時應變，此時若卸載，則位移可同步恢復，故可以判斷試件處于彈性壓縮階段。此時的曲線表現(xiàn)為近乎垂直上升，到a附近曲線斜率逐漸開始減小，豎向變形速度呈現(xiàn)先上升后變緩，曲線出現(xiàn)第一個拐點。此時試件表現(xiàn)如圖4所示。

圖4 試件第一階段

第二階段：當曲線到達第一個拐點a，此時曲線表現(xiàn)為曲線斜率逐漸變緩，之后進入線性上升階段，此時隨著荷載作用，試件同步發(fā)生位移，試件頂部產(chǎn)生壓痕及底部中心位置產(chǎn)生豎向撓曲并逐漸加大，試件開始產(chǎn)生塑性破壞。隨著荷載作用，此時試件底部產(chǎn)生微小可見裂縫，此時若卸載，位移及裂縫均可一定程度恢復，故可以判斷試件處于疲勞破壞階段，發(fā)生的位移變形為塑性變形和彈性變形累加的結果。隨后曲線結束線性上升階段，曲線斜率開始增大，隨著曲線斜率增大，可見裂縫快速發(fā)育，試件豎向變形速率逐漸上升，到達第二個拐點b附近時，曲線豎向變形速率迅速增大至本階段最大值，此時試件表現(xiàn)如圖5所示。

圖5 試件第二階段

第三階段：曲線到達第二個拐點b后，此時試件裂縫明顯，常見2～3條裂縫，其中靠近中軸線的裂縫深度最深、寬度最寬。隨著荷載作用，裂縫迅速發(fā)育，在幾十次荷載作用之后裂縫就會完全貫通試件。此時試件隨著荷載作用同步發(fā)生位移，產(chǎn)生破壞變形，卸載后位移及變形均不可恢復，故判斷試件已失去抗疲勞破壞能力，已經(jīng)疲勞破壞。此時曲線表現(xiàn)為斜率迅速增大，曲線近乎垂直上升，幾次至幾十次作用后試驗終止。此時試件表現(xiàn)及破壞后試件表現(xiàn)分別如圖6、圖7所示。

圖6 試件第三階段

圖7 貫穿破壞后的試件

根據(jù)試驗分析可知，疲勞破壞階段主要發(fā)生在SCB疲勞試驗的第二階段。當試件到達第三階段也就是到達第二個拐點b后，試件發(fā)生的主要是塑性破壞，已經(jīng)失去抗疲勞能力。故可以將N-D曲線第二個拐點定義為SCB疲勞試驗的疲勞破壞點，其對應的荷載循環(huán)作用次數(shù)定義為半圓彎曲疲勞試驗的疲勞破壞次數(shù)。

對兩組疲勞破壞試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，兩組研究數(shù)據(jù)的樣本量全部小于等于50，因而先進行正態(tài)性分析，之后對數(shù)據(jù)進行配對t檢驗分析，檢驗結果顯示(p=0.250>0.05)兩組數(shù)據(jù)沒有顯著性差異。正態(tài)性檢驗及配對t檢驗分析結果如表4所示。

表4 配對t檢驗分析結果

由于在無間歇連續(xù)加載試驗條件下，兩種試驗評價瀝青混合料疲勞破壞次數(shù)的標準所對應的試驗數(shù)據(jù)無明顯差異，故可以用本文提出的疲勞破壞次數(shù)表征半圓彎曲疲勞試驗中的疲勞破壞次數(shù)。由于引入間歇時間后的N-D曲線仍表現(xiàn)出一致性的反S曲線趨勢，故可將本文提出的評價方法用于包含間歇時間的SCB疲勞試驗中。

2.3 間歇時間對瀝青混合料疲勞性能的影響

2.3.1短時多次的間歇時間對瀝青混合料疲勞性能的影響

施加循環(huán)荷載，每個荷載循環(huán)中前半段為半正弦波荷載作用，后半段為無荷載作用；通過改變每個周期中的無荷載作用時間，探究短時多次的間歇恢復時間對于瀝青混合料疲勞性能的影響，其對應模式為連續(xù)交通流作用下的實際路面，其加載波形如圖8所示。

圖8 間歇加載模式Ⅰ加載示意圖

試驗結果如表5所示，可見在每次加載后引入間歇時間的情況下，隨著間歇時間的增加，瀝青混合料疲勞破壞次數(shù)隨之增長。在每次荷載作用后引入0.1 s間歇時間，瀝青混合料疲勞破壞次數(shù)較無間歇連續(xù)加載下增加38.85%，將每次荷載間歇時間逐漸由0.1 s延長至1 s，瀝青混合料疲勞破壞次數(shù)較無間歇加載時增加量由38.85%增加至57.22%，同時增長率由38.85%降低至4.64%。隨著間歇時間的大幅增加瀝青混合料疲勞破壞次數(shù)增加速率逐漸降低，這意味著該種模式下瀝青混合料疲勞破壞性能的恢復主要發(fā)生在荷載撤去的前0.2 s內(nèi)，且隨著間歇時間的增加，試件疲勞恢復能力逐漸降低。

表5 間歇加載模式Ⅰ疲勞試驗結果

2.3.2長時少次的間歇時間對瀝青混合料疲勞性能的影響

通過每次加載疲勞破壞次數(shù)為無間歇的連續(xù)加載狀態(tài)下瀝青混合料疲勞破壞次數(shù)的20%，本試驗中即為2 311次；之后卸載并移除加載裝置，將試件靜置一段時間，通過改變試件靜置時間的長短，探究長時少次間歇時間對瀝青混合料疲勞性能的影響。對應模式為間斷受行車荷載作用下的實際路面，如夜間及設有紅路燈的路段的實際路面。其對應加載模式示意圖及試驗結果如圖9、表6所示。其對應模式下不同間歇時間加載曲線如圖10所示。

圖9 間歇加載模式Ⅱ加載示意圖

(a)0.5 h間歇時間對應N-D第一二階段圖

表6 間歇加載模式Ⅱ疲勞試驗結果

如表6及圖10所示，在重復加載-間歇-加載的模式下，試件加載至破壞的累計變形量可達18～23 mm。在引入間歇時間后，試件豎向累計變形至7 mm時荷載作用次數(shù)與N-D曲線中b點對應荷載疲勞破壞次數(shù)的比值隨間歇時間的增長由44.4%降低至34.7%，也代表隨著荷載間歇時間增大，試件豎向變形至7 mm時荷載疲勞次數(shù)所表征的瀝青混合料疲勞性能與瀝青混合料實際疲勞性能偏差越大。分析N-D圖知試件豎向累計變形至7 mm時試件正處于第二階段的早中期，試件此時變形不明顯，且底部剛剛出現(xiàn)裂縫，仍具有很好的抗疲勞能力，此時對應的荷載循環(huán)作用次數(shù)并不適合作為瀝青混合料疲勞破壞次數(shù)。當試件曲線到達第二個拐點時，試件變形明顯、底部裂縫發(fā)育充分，與連續(xù)加載情況下相同，再經(jīng)過數(shù)十次作用，底部裂縫將貫穿試件，試件破壞。故可將試件曲線第二個拐點對應荷載作用次數(shù)作為瀝青混合料疲勞破壞次數(shù)。

如引入間歇時間后的N-D圖中所示：在除最后一個加載循環(huán)外的每一個加載循環(huán)中，試件的變形均由第一階段和第二階段組成，而最后一個加載階段里，試件包含完整的3個階段。隨著試件受荷載作用的增加，每個加載階段的試件屬于第一階段的荷載作用次數(shù)無明顯差異，試件第一階段的變形量會先減小后增大，這是由于隨著荷載作用，混合料被壓縮致密，第一階段的彈性變形量隨之降低。隨著荷載作用，到達第二拐點附近，試件底部裂縫發(fā)育，試件急劇破壞，此時表現(xiàn)為第一階段變形量增加。試件第二階段穩(wěn)定后斜率也有同樣規(guī)律。

由試驗數(shù)據(jù)可得，在加載模式Ⅱ下的SCB疲勞試驗中，隨著每次加載-間歇-加載循環(huán)周期中間歇時間的逐漸增大，疲勞破壞次數(shù)較無間歇試驗下的增加量由0.5 h間歇時間下的186.8%增加至2 h間歇時間下的359.19%，同時增長率逐漸由186.8%迅速降低至20.09%。當間歇時間由2 h增加至4 h時，疲勞破壞次數(shù)僅增加無間歇加載時的6.18%，增長率僅為1.34%。可見瀝青混合料疲勞破壞次數(shù)的增長率隨著間歇時間的增大迅速降低并趨向于0，這表明瀝青混合料疲勞性能的恢復主要發(fā)生在卸載后的前段時間，卸載后2 h內(nèi)為主要恢復期，特別是卸載后的前0.5 h恢復最為顯著。由此可見室內(nèi)連續(xù)加載的疲勞破壞次數(shù)與實際服役瀝青混合料疲勞破壞次數(shù)確有較大差異。

3 結論

a.通過試驗及t檢驗分析，試件豎向變形及荷載疲勞作用次數(shù)曲線第二個拐點對應荷載作用次數(shù)可作為SCB瀝青混合料疲勞試驗疲勞破壞次數(shù)，此參數(shù)適用于表征連續(xù)無間歇加載及間歇加載SCB疲勞試驗中試件的疲勞性能。

b.在控制荷載水平較低的情況下，試件的破壞形式以疲勞破壞為主。若控制荷載較高，試件破壞以極限破壞為主，此時不能很好反映試件的疲勞性能。推薦以低荷載水平進行SCB瀝青混合料疲勞試驗。

c.即使短暫的間歇時間也會使瀝青混合料疲勞性能顯著恢復，瀝青混合料疲勞性能的恢復主要發(fā)生在荷載撤去的初期。長時間的靜置對瀝青混合料疲勞性能的恢復更加有利，其疲勞性能恢復量最多可達連續(xù)加載下的3.65倍。

d.通過試驗中試件豎向變形及荷載作用次數(shù)曲線規(guī)律可將SCB疲勞試驗中試件行為劃分為3個階段，試件的疲勞破壞及疲勞恢復均發(fā)生在第二階段，試件產(chǎn)生裂縫后裂縫會迅速發(fā)育，故可在大量試驗中引入預制裂縫縮短第二階段時間，從而大幅縮短試驗流程。