基于臨界裂紋尖端位移的瀝青膠結料抗疲勞性能評價

羅浩原, 歐陽鋮霏, 冷慧康, 丁海波, 邱延峻

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

瀝青路面疲勞開裂一直是困擾工程技術人員的常見病害之一,大量的路面實測和室內試驗表明，瀝青混凝土路面的抗疲勞開裂性能主要取決于瀝青膠結料的抗疲勞性能[1].目前中國對于瀝青混凝土的抗疲勞性能控制主要集中在瀝青混合料階段,但混合料試件成型工作量大,試驗周期長,試驗復雜,若可以在膠結料階段就對瀝青疲勞性能進行控制,可以有效降低試驗的工作量與成本[2].美國SHRP計劃提出用疲勞因子(G*·sinδ)來表征瀝青的中溫疲勞性能;其他諸如動態剪切流變儀時間掃描測試[3]、應變控制疲勞掃描試驗[4]、基于膠結料屈服能的BYET疲勞測試[5]、線性振幅掃描試驗(LAS)[6]等都形成了各自的瀝青疲勞性能評價方法,但以上測試方法都高度依賴動態剪切流變儀(DSR).與國外相比,中國一直沒有使用G*·sinδ作為標準測試方法.一方面,這是由于中國的道路瀝青交貨質量控制中沒有直接在膠結料層面控制疲勞性能的測試指標,且G*·sinδ對于中國廣泛采用的SBS改性瀝青來說也并不適用[7];另一方面,動態流變疲勞測試對試驗操作人員要求較高和所需的設備專利技術壟斷價格昂貴[8],中國大多數一線實驗室的配備很難支持上述包括G*·sinδ在內的各類流變測試.因此,本文引入材料學中的雙邊缺口拉伸試驗(DENT),該試驗僅依靠測力延度儀配合自制硅膠模具就可以完成,并在此基礎上,提出了臨界裂紋尖端位移(CTOD)作為瀝青膠結料抗疲勞性能的評價指標.利用該方法對7個瀝青膠結料進行了測試,通過對應瀝青混合料小梁的四點彎曲疲勞測試從混合料層面對CTOD表征的疲勞性能加以驗證,并討論了溫度對CTOD區分度的影響.以期該方法能助力提升中國瀝青路面的疲勞質量控制水平.

1 基本原理與試驗

1.1 CTOD指標下的瀝青疲勞性能表征

1977年,Cotterell等[9]根據Broberg[10]提出的基本斷裂功理論設計了預制雙邊缺口的薄片試件(DENT試件)的拉斷試驗,并將其用于韌性材料的抗斷裂評價.圖1為基本功理論中試件上的能量區域劃分.通過恒定速率的拉伸加載,計算測力-位移曲線所包絡的面積可以得到作用在缺口試件上的總功WT[11].在DENT試驗和WT的基礎上,加拿大學者Andriescu[12]提出以基本斷裂功we作為瀝青膠結料疲勞性能評價體系的核心指標,但we與路面實際疲勞開裂的相關程度較低,僅為0.55[13].

近年來,基于斷裂力學的材料疲勞研究認為[14-15]：帶裂紋的韌性材料在循環荷載作用下,絕大多數荷載能量都消耗在了圖1中裂紋截面周圍的塑形變形區(預制雙邊切口附近一個長方體形狀的區域),而不會影響到斷裂核心區(裂紋集中的切口附近區域);只有當反復荷載的能量無法在塑形變形區內被消耗時,才會在斷裂核心區內進行釋放,其切口附近的先天裂紋就會在過剩的能量下逐漸張開,并讓裂紋尖端周圍的材料屈服鈍化,鈍化區域材料會發生與荷載垂直方向的頸縮位移Δa0,但裂紋尖端截面并未失穩;當荷載進一步增大,裂紋尖端截面全面屈服,應力不再增大,裂紋即將失穩;荷載繼續擴大,過剩的能量只能通過材料撕裂進行釋放,即對應材料的疲勞破壞狀態.張含語等[16]提出采用臨界裂紋尖端位移(CTOD)表征在裂紋失穩拓展前尖端兩表面的極限張開位移(如圖2所示),并將該指標作為韌性材料疲勞性能的判斷指標.該理論認為CTOD能反應材料本身的性能特性,理論上不受試件尺寸的影響,其與we存在以下關系：

(1)

式中：σnet,5 mm為試件拉伸過程中韌帶截面的最大凈截面應力(5mm韌帶寬度下的凈截面應力),Pa.

圖1 基本斷裂功理論中試件上的能量區域劃分Fig.1 Energy zones on DENT specimen in essential fracture work theory

圖2 臨界裂紋尖端位移(CTOD)的定義Fig.2 Definition of critical crack tip opening displacement

本文認為可以將CTOD指標應用于瀝青膠結料的疲勞性能評價.一方面,這是由于瀝青混合料的疲勞性能主要取決于瀝青膠結料的疲勞性能,集料間膠結料中存在的先天裂紋缺陷將是混合料整體承受反復荷載時最為薄弱的環節,特別容易在反復彎拉荷載帶來的拉應力下疲勞開裂;另一方面,瀝青膠結料流變測試表明,在中溫條件下(0～30℃),瀝青膠結料的彈性性能占優,表現出很強的韌性性質,符合CTOD理論的應用條件.因此,可以通過設計統一化的DENT試驗對瀝青膠結料進行測試.若選用

本方法只需通過1次DENT破壞拉伸試驗就可以將材料的CTOD值測出,且不需要反復進行加載,與現有的基于流變學膠結料疲勞評價測試是一致的[3-6].

1.2 試驗

1.2.1原材料

4種代表性瀝青樣品：70號瀝青(70#)、110號瀝青(110#)、丁苯橡膠改性瀝青(SBR)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯改性瀝青(SBS);添加Evotherm@M1溫拌劑后配制的3個SBS-溫拌改性瀝青分別為SBS+0.2%M1、SBS+0.5%M1、SBS+0.8%M1，其中M1的添加量1)以SBS的質量計.CTOD和傳統G*·sinδ測試時均采用旋轉薄膜烘箱(RTFOT)+壓力老化容器(PAV)老化后的瀝青膠結料.各瀝青膠結料的主要技術指標見表1.

表1 各瀝青膠結料的主要技術指標

混合料級配均采用AC-13,設計級配如表2所示,油石比為5.8%,集料采用玄武巖碎石,填料使用礦粉,并通過體積分數3%～5%的空隙率控制其生產質量,混合料拌和采用的拌和溫度參照JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》進行確定.

1)文中涉及的添加量、油石比等除特殊說明外均為質量分數或質量比.

1.2.2試驗方法

根據DENT和CTOD的基本原理,設計了如圖3所示的雙邊缺口拉伸試驗的試件與試模,其中試模包含硅膠瀝青試模與鋁制端模.為了使DENT試件能夠使用中國一線試驗室配備較普遍的測力延度儀進行加載,將DENT試件拉伸加載孔中心間的距離與延度試件設計得完全相同.圖4為DENT、延度和直接拉伸試件對比.

《莊子》有篇《不龜手之藥》（龜通皸，皮膚皸裂之意），講了一個故事：宋國有一個善于制造防治皮膚凍裂的藥（類似于現在的防凍護手霜）的人，世世代代以在水中漂洗棉絮為業。有一個客人聽說了，請求用百金購買這個藥方。宋國人把族人召集在一起商量說：“咱家世世代代以在水中漂洗棉絮為業，不過賺幾個小錢兒罷了。現在一下子賣掉技術就能得到百金，那就賣給他吧。”客人得到秘方以后，用它來游說吳王。正趕上越國向吳國發難，吳王派客人作大將，冬天與越國人在水中作戰，因為客人有制作護手霜的秘方，將士們免受凍傷，吳軍大獲全勝。論功行賞，吳王賞給這個客人一塊封地。

表2 AC-13瀝青混合料設計級配

對同一種瀝青膠結料進行測試時,需成型1組3個韌帶寬度(缺口截面寬度)l分別為5、10、15mm的試件.制作過程如下：將瀝青加熱至流動狀態,然后緩緩注入安放好端模的硅膠模具中冷卻成型;冷卻1.5h后,利用熱刮刀刮平試件上表面并取出試件,用游標卡尺記錄試件韌帶位置處的厚度B,并繼續在測試溫度的水浴中養護1.5h.使用測力傳感器采集頻率不低于2次/s、測力精度不低于0.1N的具有測力功能的延度儀進行固定速率的拉伸加載,分別采集試件拉斷前的測力-延度曲線作為后續計算的基本數據.DENT試件根據JTG E20—2011制作.

圖3 雙邊缺口拉伸試驗的試件與試模Fig.3 Specimens and moulds of double-edge-notched tension test

圖4 DENT、延度、直接拉伸試件對比Fig.4 Specimens for DENT, ductility and direct tensile test(DTT)

DENT試驗采用SYD-4508型測力延度儀進行加載,其配制的拉力傳感器的采集頻率為0.25s/次,拉力測試范圍為0～300N,測力精度為0.1N,拉伸速率為50mm/min;試模采用圖3所示的自制硅膠試模和鋁制端模.PG中溫疲勞測試采用TA公司的DHR-3型動態剪切流變儀配合8mm平板夾具完成.四點彎曲疲勞測試采用UTM-100試驗機,參照ASTM 7460—2010《測定壓實瀝青混凝土在反復撓性彎曲情況下的疲勞斷裂情況的標準試驗方法》，制作380mm×63.5mm×50mm的混合料小梁試件進行應變控制加載,采用標準加載頻率10Hz.在進行四點彎曲疲勞測試時,對2個基質瀝青采用750、950μm/m 2個應變水平,對于SBS、SBR改性瀝青采用950、1150μm/m 2個應變水平,平行試驗量n=4.

1.2.3試驗設計混合料疲勞測試中試驗共分為3個階段：

第1階段,在15、25℃條件下,分別進行CTOD和G*·sinδ測試,并依據2個指標對選用瀝青樣本的抗疲勞性能做出排序.

第2階段,利用7個瀝青樣本制作級配AC-13和油石比(5.8%)相同的混合料小梁試件(70#-ACB、110#-ACB、SBR-ACB、SBS-ACB等)進行四點彎曲疲勞測試,驗證CTOD表征的膠結料疲勞性能對于混合料的疲勞性能控制是否具備實際意義.

第3階段,運用顯著性檢驗方法對15、25℃下4個SBS改性瀝青的CTOD值進行分析,比較溫度對CTOD的影響.

2 試驗結果與分析

2.1 DENT測試結果

在15、25℃下,對瀝青膠結料進行DENT加載,典型的DENT曲線如圖5～7所示.由圖5～7可見：每種瀝青膠結料3個韌帶寬度試件的DENT曲線形態相同,包絡面積不同;不同溫度下DENT曲線的形態也基本相同,拉力峰值不同,25℃下各瀝青膠結料的拉力峰值明顯低于15℃.瀝青膠結料形成的DENT曲線按形態大致分為3類.

70#和110#瀝青為第1類,以70#瀝青為例,如圖5所示.由圖5可見,DENT曲線包括3個階段：第1階段,拉力隨位移增大而不斷增大,由線性變化逐漸降低變化率達到拉力峰值;第2階段,拉力隨位移增大而降低,其降低過程也基本為線性;第3階段,當位移達到一定位置后,拉力的下降速度放緩,緩慢貼近零,直至拉斷.3個階段的位移區間長度較為均衡,其具有非常明顯的塑形破壞特征.

SBR改性瀝青為第2類,其DENT曲線如圖6所示.由圖6可見：相較于第1類,SBR改性瀝青的第1階段所占用的位移區間很短,在很短的位移范圍內,拉力迅速達到峰值,基本沒有出現變化率下降的過程;第2階段,拉力又隨位移迅速線性下降達到某一拐點,其占用的位移區間也很小;第3階段,拉力隨位移以另一種較小的變化率線性降低直至斷裂,該階段占據了較大的位移范圍.

圖5 70#瀝青的DENT曲線Fig.5 DENT curves of 70# asphalt

圖6 SBR改性瀝青的DENT曲線Fig.6 DENT curves of SBR modified asphalt

SBS類改性瀝青為第3類,以未加溫拌劑的SBS改性瀝青為例,其DENT曲線如圖7所示.由圖7可見：未加溫拌劑SBS改性瀝青的第1階段與基質瀝青類似;但第2階段的拉力下降并不劇烈,一定范圍內的下降后就趨于平緩,達到第2峰值;第3階段,第2峰值后的拉力迅速歸零,出現斷崖式下降;SBS改性瀝青2個溫度下的峰值拉力都很大,表現出一定的脆性破壞特征.

CTOD值越大，表示膠結料抗疲勞性能越好.通過對DENT曲線所包絡的面積以及式(1)進行計算,得到瀝青膠結料的CTOD值,每個瀝青膠結料進行了6次平行試驗,結果取平均值,如圖8所示.由圖8可見,7個瀝青膠結料抗疲勞性能相對大小排序為SBR>SBS+0.8%M1>SBS+0.5%M1>SBS+0.2%M1>SBS>110#>70#.

G*·sinδ的值越小,瀝青抗疲勞性能越好,根據動態剪切流變試驗得到瀝青膠結料的G*·sinδ,如圖9所示.由圖9可見,7個瀝青膠結料抗疲勞性能相對大小排序為SBR>110#>70#>SBS+0.8%M1>SBS+0.5%M1>SBS+0.2%M1>SBS.

結合圖8、9可知：(1)CTOD和G*·sinδ對SBS改性瀝青的抗疲勞性能判斷存在差異.其在SBR改性瀝青、70#瀝青、110#瀝青的相對排序上結論一致,但在G*·sinδ指標下,SBS改性瀝青的抗疲勞性能整體低于基質瀝青,這與CTOD矛盾.為了驗證兩種方法下得出的膠結料抗疲勞性能對于混合料整體的抗疲勞性能是否具備指導意義,2.2節中將采用現階段認可度較高的混合料小梁四點彎曲疲勞試驗從混合料層面進行驗證.

圖7 SBS改性瀝青的DENT曲線Fig.7 DENT curves of SBS modified asphalt

圖8 瀝青膠結料的CTOD值Fig.8 CTOD values of asphalt binders

圖9 瀝青膠結料的G*·sin δ值Fig.9 G*·sin δ values of asphalt binders

(2)溫度沒有改變2種方法給出的瀝青膠結料抗疲勞性能的排序,15、25℃都可以作為試驗溫度.但是在15℃ 下,除SBR以外,其余6種膠結料的CTOD均值(n=6)較為接近,在隨機誤差的作用下,若只進行1次試驗或試驗數量較少的情況下將存在極大的誤判風險;25℃下,各瀝青CTOD的數值分布較均勻,減小了誤判的風險,這一點將在2.3節中進一步深入討論.

2.2 混合料四點彎曲疲勞壽命測試結果

瀝青混合料小梁四點彎曲疲勞試驗的結果如表3所示.由表3可見：7個瀝青混合料的疲勞循環次數Nf50,除70#-AC13、110#-AC13在950μm/m水平下的數據有波動,其他瀝青混合料的疲勞性能基本排序為SBR-AC13?SBS+0.8%M1-AC13>SBS+0.5%M1-AC13>SBS-AC13>SBS+0.2%M1-AC13?110#-AC13>70#-AC13.該結果只有SBS-AC13與SBS+0.2%M1-AC13疲勞壽命與CTOD給出的結膠結料疲勞性能評價結果不一致外,其他混合料疲勞性能排序結論與CTOD給出的膠結料性能排序基本相符;4個SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命遠大于2個普通基質瀝青混合料,這說明G*·sinδ對SBS改性瀝青的疲勞性能存在誤判.

表3 瀝青混合料四點彎曲疲勞試驗結果

綜上,CTOD所表征的瀝青膠結料抗疲勞性能與瀝青混合料的抗疲勞性能的相關度較高,且適用于普通70#瀝青、110#瀝青、SBS改性瀝青和SBR改性瀝青;G*·sinδ指標下的排序偏差,根據文獻[7,16]推測是由于G*·sinδ指標是在線黏彈性范圍內區分不同瀝青抵抗疲勞破壞的能力,但對模量較高的SBS改性瀝青而言,G*·sinδ小應變的測試方式會導致其測試值過高,從而與對應瀝青混合料的疲勞試驗結果相關性較差,國內外學者也指出G*·sinδ并不適用于中國廣泛使用的SBS改性瀝青[1,17].

2.3 溫度對CTOD區分度的影響

對4個SBS改性瀝青而言,盡管在15、25℃下的CTOD值排序都是正確且相同的,但其在數值分布上卻存在較大差異;25℃下4個SBS改性瀝青樣本的CTOD均值差異巨大,但在15℃下卻相差不大;進一步對比圖8中2個溫度下CTOD的測試誤差線的長短可以發現,在考慮誤差的影響后,15℃下各瀝青膠結料的CTOD測試值范圍是有一定交疊的,這意味著當采用15℃下的CTOD值對SBS改性瀝青樣本的抗疲勞性能進行比較時,若每個瀝青樣本只進行1次測試或平行測試的量較少,將存在對選用SBS改性瀝青樣本抗疲勞性能的排序造成誤判的可能,即15℃下的CTOD值檢驗效能較低;而在25℃下,除70#與110#瀝青考慮誤差后的CTOD測試值范圍有一定重疊,其余瀝青膠結料的CTOD測試值范圍均不在交疊,這說明25℃的CTOD測試值對于瀝青膠結料疲勞性能的檢驗效能更高,擁有更好的區分度.

為量化溫度造成的CTOD區分度變化,利用顯著性檢驗方法對4個SBS改性瀝青在2個溫度下的CTOD數據進行分析.將相同瀝青在1個溫度下的6次平行試驗數據稱為1組,設立正假設如下：相同測試溫度下,組與組之間測試均值沒有顯著差異(即在相同溫度下,不同瀝青的測試均值是相等的).通過雙樣本異方差下的t檢驗,比較相同溫度下4個SBS改性瀝青兩兩之間測試數據的差異程度,即檢驗溫度對CTOD疲勞性能的區分程度影響，計算在相同溫度下不同瀝青測試數據的組間p值.CTOD與G*·sinδ數據的顯著性分析結果如表4所示.根據推斷統計原理：當p<0.001時,認為在該溫度的CTOD表征下,可將2個被測瀝青的性質極其顯著地區分開來,記為***;當0.001≤p<0.01時,認為該指標能將2個被測瀝青的性質顯著地區分開來,記為**;當0.001≤p<0.05時,認為該指標能將2個被測瀝青的性質區分開來,記為*;當p>0.05時,認為該溫度下CTOD不能有效地區分2個被測瀝青膠結料間的性質差異,其數據差別可能由測試的隨機誤差引起,記為ns.

表4 CTOD與G*·sin δ數據的顯著性檢驗分析結果

由表4可見：15℃的CTOD針對選用的4個SBS改性瀝青樣本形成6組相對關系進行區分時,對其中2組(SBS+0.2%M1vsSBS+0.5%M和SBS+0.5%M1vsSBS+0.8%M1)不能做出具有統計意義的區分,對其中1組的區分(SBSvsSBS+0.2%M1)不夠顯著;25℃的CTOD對于所有瀝青膠結料的相對疲勞性能都給出了明確的劃分,顯著性水平很高,即使在存在隨機誤差的情況下,對選用瀝青膠結料的相對疲勞性能造成誤判的可能極小.基于以上實測數據的顯著性檢驗說明25℃下CTOD對瀝青膠結料的疲勞性能區分程度更大,劃分更明確.

3 結論

(1)CTOD適用于普通70#、110#、SBS改性和SBR改性瀝青;與G*·sinδ相比,CTOD給出的評價結果與瀝青混合料的疲勞性能有更好的相關性,解決了G*·sinδ不適用于SBS改性瀝青的問題.

(2)盡管25℃和15℃下的CTOD測試均值都能對選用的7個瀝青膠結料的疲勞性能做出正確評價,但在顯著性水平α=0.05的條件下,15℃下的CTOD對其中2個近似SBS改性瀝青樣本不具有顯著性區分,而25℃下的CTOD卻對所有瀝青膠結料都給出了極其顯著(p<0.001)的區分.說明采用25℃下的CTOD評價更具區分度.

(3)CTOD作為瀝青膠結料抗疲勞性能評價指標,試驗簡單,僅需測力延度儀就能實現加載,有較高的推廣可能性.針對每類瀝青給出符合實際的CTOD控制閾值是今后研究的重點.