基于雙邊缺口拉伸試驗的SBS改性瀝青抗疲勞性能評價

艾長發(fā) 顏 薇 陶雅樂 任東亞 歐陽鋮霏

(1.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院 成都 610031； 2.道路工程四川省重點實驗室 成都 610031)

現(xiàn)行研究中對瀝青的評價體系可分為3類：針入度分級、黏度分級和基于性能的PG (performance grade)分級，但只有PG分級提出了比較明確的瀝青結(jié)合料疲勞性能評價指標(biāo)和方法，即采用疲勞因子G*·sinδ[1-2]來表征瀝青的中溫疲勞性能。但相關(guān)研究表明[3-4]，該指標(biāo)與瀝青混合料的疲勞性能相關(guān)程度很低，且不適用于SBS等改性瀝青。除G*·sinδ外，現(xiàn)行研究中，J.P.Planche[5]提出的基于動態(tài)剪切流變儀時間掃描測試、Carl M.Johnson[6]提出的應(yīng)變控制疲勞掃描試驗、基于膠結(jié)料屈服能的BYET疲勞測試[7]、線性振幅掃描試驗(LAS)[8]等都形成了各自的瀝青疲勞性能評價方法，但上述評價手段都高度依賴動態(tài)剪切流變儀，該試驗流程繁瑣、儀器價格昂貴，普通的一線工地實驗室尚未普及[9-10]。相較國外，我國沒有直接引入G*·sinδ作為標(biāo)準(zhǔn)測試方法，大多數(shù)實驗室配備都不支持此類測試。因此，上述測試都很難直接引入并作為我國工程界瀝青膠結(jié)料的疲勞性能評價方法[11]。

基于此，本研究引入斷裂力學(xué)中的雙邊缺口拉伸試驗(double-edge-notched tension testing,DENT)[12]和基于基本斷裂功的臨界裂紋尖端位移(crack tip opening displacement,CTOD)評價指標(biāo)用于瀝青膠結(jié)料的中溫下疲勞性能評價。雙邊缺口拉伸試驗最初用于高分子材料的韌性斷裂研究[13]，通過計算預(yù)制缺口試件在拉伸條件下的測力-位移曲線面積，提出了基本斷裂功(essential work of fracture,We)作為瀝青疲勞性能的評價指標(biāo)[14]，DENT試驗簡單，借助測力延度儀即可完成。CTOD是材料本身屬性的真實反映，不受試件幾何尺寸的影響[15]。本文基于該基本原理及試驗操作的具體過程，測試一組不同溫拌劑摻量的SBS改性瀝青，并與疲勞因子G*·sinδ的測試結(jié)果進(jìn)行對比，同時，進(jìn)一步通過混合料四點彎曲疲勞試驗，從瀝青混合料路用性能層面對CTOD表征的膠結(jié)料疲勞性能結(jié)果進(jìn)行驗證。

1 雙邊缺口拉伸試驗(DENT)

1.1 DENT與延度、直接拉伸試驗的對比

圖1為3種試驗的試模和試件示意圖(同比例繪制)，其中，直接拉伸試件尺寸最小，且需要的拉伸設(shè)備條件較為嚴(yán)苛。DENT試件的加載方式、長度與延度類似，通過測力延度儀完成加載。一組雙邊缺口拉伸試驗需同時制作3個缺口截面處韌帶寬度l分別為5，10，15 mm的試件，見圖2。其他澆模、刮模，以及水浴養(yǎng)護(hù)操作與延度試件的制作基本相同，在規(guī)定溫度的水浴養(yǎng)護(hù)條件完成后，對試件進(jìn)行恒定速率條件下的拉伸加載，記錄試件拉斷前的測力-位移數(shù)據(jù)，作為計算瀝青膠結(jié)料CTOD值等參數(shù)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，圖3為未添加溫拌劑的SBS改性瀝青DENT試驗的測力-位移曲線圖。

圖1 雙邊缺口拉伸、延度、直接拉伸試件對比

圖2 雙邊缺口拉伸試驗試件成型示意圖

圖3 SBS改性瀝青DENT試驗的測力-位移曲線

1.2 基于基本斷裂功的DENT測試原理

通過測力-位移曲線可以進(jìn)一步計算瀝青膠結(jié)料的基本斷裂功we。基本斷裂功的概念由Broberg[16]提出。拉伸試件時，預(yù)置的缺口截面處因應(yīng)力集中造成試件拉斷，作用在試件上的總功WT可以通過恒定速率拉伸加載的測力-位移曲線(見圖3)的包絡(luò)面積得出，實際計算時取2次拉力-位移曲線包括面積的平均值。Cotterell等[17]認(rèn)為試樣獲得的加載能主要包括耗散在斷裂核心區(qū)域的斷裂功和耗散在斷裂核心區(qū)外圍的塑性變形區(qū)域的塑性功Wp。即斷裂功We、塑性功Wp和總功WT，三者間的關(guān)系為

WT=We+Wp

(1)

基本斷裂功we為發(fā)生在韌帶斷面上的單位面積功，其值越大，材料的抗韌性斷裂能力越強，是一個材料性能常數(shù)。其可由式(2)表達(dá)。

we=We/(B·l)

(2)

式中：B為韌帶截面的實測厚度；l為韌帶寬度。

基本塑性功wp為發(fā)生在韌帶周圍塑性變形區(qū)域的單位體積功，其值越大，材料的塑性變形能力越強，該指標(biāo)既受材料性質(zhì)影響，又與試件的幾何尺寸緊密相關(guān)。基本塑性功可由式(3)計算。

wp=Wp/(l2·B·β)

(3)

式中：β為試件的幾何特征參數(shù)。

將式(2)、式(3)代入式(1)，等式兩側(cè)同除以韌帶截面面積l×B，得到斷裂總單位功wt僅關(guān)于韌帶寬度l變化的表達(dá)式，得式(4)。

wt=we+β·wp·l

(4)

由式(4)可知，斷裂總單位功wt是關(guān)于韌帶長度l的一次直線擬合方程，該直線與y坐標(biāo)軸的截距即為基本斷裂功we，斜率為βwp。

1.3 臨界裂紋尖端位移CTOD指標(biāo)下的瀝青疲勞性能表征

進(jìn)一步根據(jù)得到的基本斷裂功we計算臨界裂紋尖端位移CTOD。已有研究認(rèn)為可以通過裂紋尖端的應(yīng)變量來表征裂紋體的擴展[18]，但由于裂紋尖端的應(yīng)變量難以測量，而裂紋尖端張開位移不僅與應(yīng)變量直接相關(guān)且易于直接測量，故提出臨界裂紋尖端位移CTOD的定義：指帶裂紋的試件承受拉伸荷載后，裂紋尖端附近區(qū)域出現(xiàn)材料屈服，在裂紋失穩(wěn)拓展前尖端2表面的張開位移即為CTOD，其反映的是材料本身的特性，其與之前的基本斷裂功存在以下計算關(guān)系

(5)

式中：σnet為試件拉伸過程中充分屈服的韌帶截面的最大凈截面應(yīng)力。

通過DENT試驗可以得到的表征瀝青樣品內(nèi)部裂紋極限拉應(yīng)變的CTOD值，當(dāng)選用材料的相對CTOD值越大，意味著形成瀝青混凝土后，其在中溫條件(0～30 ℃)黏結(jié)集料間的瀝青膜則可以承受更大的應(yīng)變。只要反復(fù)拉荷載的最大應(yīng)變值不超過CTOD所表征的極限應(yīng)變量，集料間瀝青中存在的先天裂紋缺陷不會產(chǎn)生失穩(wěn)性拓展，當(dāng)反復(fù)荷載的能量無法在塑性變形區(qū)內(nèi)被消耗時，就只能在核心斷裂區(qū)進(jìn)行釋放，其中包含的先天裂紋就會在過剩的高應(yīng)變荷載下逐漸張開。因此，若某種瀝青的測試CTOD值越大，可認(rèn)為該種瀝青對于高應(yīng)力狀態(tài)下的疲勞裂縫產(chǎn)生的抗力也越大。不同于傳統(tǒng)疲勞試驗的反復(fù)加載，只需要通過一次DENT破壞拉伸試驗使韌帶截面處的核心斷裂區(qū)拉至失穩(wěn)直至破壞，就可以將瀝青材料的CTOD值測出。通過對比不同瀝青試樣在同一測試條件下的CTOD值，即可對其抗疲勞性能的優(yōu)劣做出評價。

在裂紋發(fā)生失穩(wěn)拓展前，試件的韌帶寬度l越小，韌帶截面凈應(yīng)力就越大(見圖4)，整個韌帶截面的屈服程度也就越全面，CTOD測試值受到試件尺寸等外部因素的影響也越小，越接近該材料的CTOD常數(shù)值。故后續(xù)計算中σnet使用5 mm韌帶寬度下的最大凈截面應(yīng)力進(jìn)行計算。

圖4 韌帶截面凈應(yīng)力大小與韌帶寬度的關(guān)系

2 試驗與結(jié)果分析

2.1 試驗材料與試驗設(shè)計

本次試驗共分為3個階段。①選取研究所依托的某高速公路項目采用的SBS改性瀝青，添加Evotherm?型的溫拌劑M1，溫拌劑M1采用0.2%，0.5%，0.8% 3個摻量級別，并進(jìn)行RTFOT+PAV老化；②分別在路面代表溫度15，25 ℃的水浴條件下進(jìn)行DENT試驗，目前的試驗尚未考慮拉伸速率對于測試CTOD的影響，為了能夠適配于我國的測力延度設(shè)備，采用的拉伸速率和試件長度(安裝孔中心距)和延度試驗相同，后期的試驗將對比拉伸速率對于測試結(jié)果的影響，故此次試驗的加載速率均選定為50 mm/min；③在15 ℃條件下，使用溫拌劑含量不同的瀝青膠結(jié)料分別制作油石比為5.8%的SMA-13混合料小梁試件進(jìn)行四點彎曲疲勞性能驗證。四點彎曲疲勞測試儀器采用UTM-100試驗機，其位移和力控制精度高，并帶有溫控箱。試件采用ASTM D7460標(biāo)準(zhǔn)，380 mm(長)×63.5 mm(寬)×50 mm(厚)的混合料小梁試件，采用我國路面當(dāng)量疲勞溫度15 ℃，標(biāo)準(zhǔn)加載頻率10 Hz，通過預(yù)實驗后采用800×10-6應(yīng)變控制的連續(xù)偏正弦加載模式，每組平行試件4個。

2.2 PG分級測試結(jié)果分析

經(jīng)RTFOT+PAV老化后的瀝青試樣的主要性能指標(biāo)見表1。通過25 ℃的G*·sinδ測試值可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫拌劑摻量的變化，疲勞因子G*·sinδ的測試值從小到大排序為：SBS+0.8%M1

表1 試驗用瀝青主要技術(shù)性能(試樣個數(shù)n=3)

2.3 DENT測試結(jié)果分析

基于基本斷裂功的DENT測試原理、臨界裂紋尖端位移CTOD指標(biāo)下的瀝青疲勞性能表征，利用式(1)～式(5)，分別得到15 ℃和25 ℃下4種瀝青試樣總單位功wt、韌帶寬度l、βwp、臨界裂紋尖端位移CTOD等參數(shù)的變化關(guān)系，其對應(yīng)的主要數(shù)據(jù)值見表2。

表2 雙邊切口拉伸試驗結(jié)果(試樣個數(shù)n=3)

根據(jù)式(4)，繪制圖5所示的2種溫度下總單位功wt關(guān)于韌帶長度l的線性關(guān)系。圖中各直線的截距值即基本斷裂功we與溫拌劑摻量并沒有表現(xiàn)出明顯的線性關(guān)系。無論是15 ℃還是25 ℃下，隨溫拌劑摻量的提升，基本斷裂功we的數(shù)值從小到大排序為：SBS+0.2%M1

圖5 基本斷裂功隨韌帶長度的變化關(guān)系

添加溫拌劑M1后，擬合直線斜率有明顯提高，即βwp增大。其對比數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 2個溫度下βwp值隨M1摻量的變化關(guān)系

由圖6可見，15 ℃條件下瀝青試樣的βwp值均較25 ℃時大；無論是15 ℃還是25 ℃條件下，添加了溫拌劑瀝青試樣的βwp值比純凈瀝青的大，但加了溫拌劑摻量的瀝青試樣之間βwp值差距很小，沒有明顯的區(qū)分度；15 ℃條件下，βwp的數(shù)值從小到大排序為：SBS< SBS+0.2%M1

對比最為核心的CTOD值，見圖7，無論是15 ℃還是25 ℃，隨摻量的提升，CTOD持續(xù)增大，且CTOD隨摻量的增大趨勢也呈線性。

圖7 2個溫度下CTOD值隨M1摻量的變化關(guān)系

由表2中CTOD值的計算對比可知：25 ℃條件下，0.8%M1、0.5%M1、0.2%M1摻量的溫拌SBS瀝青的CTOD分別為純凈SBS瀝青的4.3倍、3.3倍、2.1倍，15 ℃條件下分別為1.8倍、1.5倍和1.2倍。說明摻添溫拌劑后的瀝青膠結(jié)料能承受更大的應(yīng)變，而只要其服役期間承受的最大應(yīng)變不超過該值，其本身存在的裂紋缺陷就不會發(fā)生失穩(wěn)性的拓展，這種提升隨溫拌劑摻量的增加更為顯著，表明瀝青的抗疲勞性能得到了增強。此變化趨勢與25 ℃疲勞因子G*·sinδ表征的趨勢相同。除此之外，4種試樣的CTOD值變化區(qū)間從15 ℃時的18～32 mm變化范圍擴大至25 ℃時的58～252 mm，對于該系列溫拌瀝青的抗疲勞性能相對優(yōu)劣的區(qū)分度擴大約8倍，說明采用CTOD值在進(jìn)行路面中溫疲勞性能測試時，適當(dāng)?shù)靥嵘郎囟葘r青的抗疲勞性能區(qū)分度更高。

通過以上綜合對比，基于基本斷裂功的DENT測試原理、臨界裂紋尖端位移(CTOD)指標(biāo)下的瀝青疲勞性能表征相關(guān)的測試參數(shù)基本斷裂功we、瀝青試樣的βwp值、CTOD值可以發(fā)現(xiàn)：一方面，25 ℃條件下CTOD值與G*·sinδ表征疲勞性能的結(jié)果具有一致性；另一方面，25 ℃下CTOD指標(biāo)對于選用溫拌瀝青疲勞性能的區(qū)分度是15 ℃時的8倍，即適當(dāng)?shù)靥嵘郎囟葘r青的抗疲勞性能區(qū)分度更高。故CTOD指標(biāo)在瀝青的抗疲勞性能評價方面具有很大的優(yōu)勢。

2.4 混合料四點彎曲疲勞壽命測試結(jié)果

四點彎曲疲勞試驗的結(jié)果見表3。由表3可見，添加0.2%，0.5%和0.8%的溫拌劑M1后，疲勞循環(huán)壽命Nfnm分別增加20.6%，34.3%和39.4%，說明在考慮測試變異系數(shù)的影響下，隨溫拌劑摻量增大，瀝青混合料的抗疲勞性能增長效果較明顯，見圖8。混合料疲勞循環(huán)壽命和對應(yīng)膠結(jié)料的CTOD值隨溫拌劑摻量的增長趨勢基本相近，可見由CTOD所表征的該系列溫拌瀝青膠結(jié)料的抗疲勞性能在對應(yīng)的混合料層面也有很好的體現(xiàn)。

表3 不同溫拌劑摻量的溫拌瀝青混合料四點彎曲疲勞試驗結(jié)果(試樣個數(shù)n=7)

圖8 15 ℃下的CTOD和瀝青混合料疲勞循環(huán)壽命Nfnm的關(guān)系

3 結(jié)論

1) 本研究采用雙邊缺口拉伸試件并采用測力延度儀進(jìn)行加載，基于臨界裂紋尖端位移對中溫下的SBS改性瀝青抗疲勞性能進(jìn)行評價。通過DENT試驗一次性加載拉伸3個預(yù)制韌帶寬度不同的雙邊缺口瀝青試件，測試得到其拉力-位移曲線，基于斷裂理論計算得到基本斷裂功和韌帶截面應(yīng)力，并進(jìn)一步計算CTOD值作為瀝青膠結(jié)料的疲勞性能評價指標(biāo)。DENT試驗所需設(shè)備簡單，具有較好的現(xiàn)場工程推廣應(yīng)用價值。

2) 對比不同溫拌劑摻量的SBS改性瀝青試驗數(shù)據(jù)，CTOD與25 ℃下G*·sinδ表征疲勞性能的結(jié)果具有一致性；此外試驗數(shù)據(jù)表明，25 ℃下CTOD指標(biāo)對于選用溫拌瀝青疲勞性能的區(qū)分度是15 ℃時的8倍，該測試方法中溫度因素對瀝青疲勞性能的區(qū)分影響極大，故在進(jìn)行路面中溫疲勞性能測試時，適當(dāng)?shù)靥嵘郎囟葘r青的抗疲勞性能區(qū)分度更高。

3) 混合料四點彎曲小梁疲勞試驗數(shù)據(jù)表明：基于CTOD膠結(jié)料疲勞性能變化趨勢與對應(yīng)混合料的疲勞壽命Nfnm的變化趨勢相近，進(jìn)一步驗證了基于CTOD在SBS改性瀝青膠結(jié)料階段的抗疲勞性能區(qū)分評價的有效性。