基于CMOD法和LLD法的瀝青混合料抗裂性能評價研究

莫達有

(廣東交科檢測有限公司 廣州 510420)

0 引 言

開裂是瀝青路面的主要破壞形式之一，開展瀝青混合料的抗裂性能研究，提出簡單、準確的室內試驗方法及評價指標，以區分不同混合料的抗裂性能，對于提高瀝青混合料的路用性能意義重大.

國內外學者提出了多種方法評價瀝青混合料抗裂性能.美國戰略公路研究計劃(SHRP)[1]開發了溫度開裂預測系統，并將J積分作為評價指標.郝培文等[2]提出使用低溫抗裂系數ρ以評價瀝青混合料抗裂性能.我國規范則采用低溫彎曲試驗得到的破壞應變作為評價低溫性能的指標.但隨著斷裂力學在道路工程領域中的應用，部分學者提出通過斷裂能來評價瀝青混合料抗裂性能，典型的試驗方法包括半圓彎曲試驗(SCB)和圓盤拉伸試驗(DCT)等[3-4].羅培峰[5]基于SCB試驗研究了溫度和切口深度對瀝青混合料抗裂性能的影響.Wagoner等[6]采用DCT試驗評價了瀝青混合料低溫性能.陳正偉等[7]基于SCB試驗研究了老化對再生瀝青混合料抗裂性能的影響.陳正偉[8-9]等還采用韌性指數和柔度指數表征瀝青混合料的斷裂性能.

現有研究表明:從能量的角度通過計算斷裂能以評價瀝青混合料低溫抗裂性能，得到眾多學者的青睞.但計算斷裂能的試驗方法較多，計算原理差異較大，同種材料、不同試驗方法得到的斷裂能結果相差較大.卻少有學者開展不同試驗方法的差異對比及適用性評價研究，而提出便捷、準確評價瀝青混合料抗裂性能的試驗方法和評價指標.

基于此，文中從受力機制角度對比分析各種測試方法的原理及優劣性，確定力學原理明確作為計算準確斷裂能的原則，將開口位移更改為與荷載加載同方向的豎向線位移(LLD)，提出采用荷載P與LLD包絡曲線面積來計算瀝青混合料的斷裂能，并選用AC-10、AC-13和AC-16三種瀝青混合料同時進行SCB和DCT試驗，比較不同試驗方法計算的斷裂能，以驗證所提出計算斷裂能方法的合理性.在此基礎上，進行了不同溫度下的改進SCB試驗，給出推薦的區分不同瀝青混合料斷裂特性的最佳試驗溫度，確定采用SCB試驗為主體、P與LLD包絡曲線面積來計算斷裂能的試驗方法及試驗溫度的整套試驗方法.

1 瀝青混合料斷裂能測試方法

常見的試驗斷裂能測試方法主要有圓盤拉伸試驗(DCT試驗)、半圓彎曲試驗(SCB試驗)、間接拉伸試驗和小梁彎曲試驗[10].各試驗方法的示意圖見圖1.

圖1 各試驗的試驗圖(單位：mm)

四種不同試驗方法的對比分析見表1.

表1 不同試驗方法對比

間接拉伸試驗沿試件直徑方向進行測試，應力狀態復雜且與實際受力狀態相差甚遠，評價指標(應變、勁度模量)規律性較差；小梁彎曲試驗通過預設裂縫來模擬瀝青混合料的抗裂性能，但預制裂縫精確度對試驗結果影響較大，且沒有綜合考慮瀝青混合料的強度、變形、松弛等特性[11].

DCT試驗試件制作比較復雜，試驗裝置要求高；SCB試件制作簡單，更為便捷.DCT和SCB均是通過計算斷裂能來評價瀝青混合料的斷裂特性，但兩種試驗的斷裂能計算機理完全不同.DCT試驗受力模式為垂直于裂縫路徑對試件施加直接張力，而SCB試驗是通過作用于試件頂部的荷載彎曲試件，從而沿著裂縫尖端產生間接張力使裂縫擴展.

在物理學中，功被定義為作用在物體上的力乘以作用點在力的方向上的位移[12-13]，為

W=F×d

(1)

式中：F為作用在物體上的力，N；d為位移，mm.

在DCT和SCB試驗中，通常采用施加在試件上的力和開口位移(crack mouth opening displacement，CMOD)的乘積來表征斷裂能.但由上文分析可知，對于DCT試驗，通過加載孔向試樣施加拉伸載荷，并在施加載荷的相同方向上測量得到CMOD.因此，作用在物體上的力和位移方向一致，兩者的乘積便是所做的功，采用該功定義斷裂能，其物理意義明確.

對于SCB試驗，開口位移方向與加載力的方向不一致，兩者的乘積只能稱之為形式上的功，該功與能量的基本定義不符，并非真正意義的斷裂能，準確性較低.因此，可以推斷DCT和SCB試驗測得的斷裂能相差較大.

綜上，DCT試驗中斷裂能物理意義明確，試驗結果準確，但試件制作方法復雜，開展試驗困難；SCB試驗試件制作簡單，但其斷裂能的定義不符合功的定義.因此，本文結合兩個試驗方法的優點，基于SCB試驗方法不變，定義線位移(load-load line displacement，LLD)為荷載P為加載始、終試件的總豎向位移，提出采用荷載P與線位移LLD的乘積來計算瀝青混合料的斷裂能，試驗圖見圖2.

圖2 荷載-線位移(LLD)試驗圖示

由圖2可知，試驗過程中記錄施加在試件上的力與力的位移曲線，力的方向與位移方向一致，優化了原試驗方法中力與位移方向不一致而帶來的諸多問題，確保了計算得到斷裂能的準確性.

2 方案設計

2.1 試驗思路

約定：將DCT、SCB試驗得到的荷載-裂縫張開位移曲線分別簡稱為CMOD-DCT、CMOD-SCB，將SCB試驗得到的荷載-線位移曲線簡稱為LLD-SCB.

1) 有效性驗證 為充分驗證所提出試驗指標的有效性，對AC-10、AC-13、AC-16三種不同混合料在相同溫度下分別進行SCB和DCT試驗.進行SCB試驗時，同時記錄CMOD-SCB及LLD-SCB；進行DCT試驗時，記錄CMOD-DCT.

基于DCT和SCB的試驗得到的荷載-裂縫張開位移曲線與荷載-線位移曲線面積不能直接比較的問題，考慮到兩種試驗的韌帶長度不同，仍可通過采用荷載-裂縫張開位移曲線、荷載—線位移曲線面積下的面積(斷裂功)除以韌帶面積來計算每種瀝青混合料的斷裂能，斷裂能Gf計算方法為

(2)

式中：Gf為斷裂能，N/m；A為荷載-位移曲線圖所包圍的面積，荷載所做的功，J；b為試件寬度，mm；h為試件高度，mm；a為預制切縫長度，mm.

從而對比三種不同混合料在不同試驗方法下計算得到的斷裂能.

2) 合理的試驗溫度確定 開展不同溫度下的LLD-SCB試驗，根據位移曲線計算斷裂能，以確定能明顯區分不同瀝青混合料的開裂性能的試驗溫度.

2.2 試驗內容

1) 選用花崗巖集料，石灰巖礦粉 采用AC-10型、AC-13型和AC-16型三種級配瀝青混合料，設計孔隙率為4%，根據馬歇爾試驗確定瀝青最佳用量，分別為4.8%、4.6%和4.7%.各材料級配見表2.

表2 瀝青混合料合成級配

2) SCB試驗試件制作 采用旋轉壓實成型三種級配下的瀝青混合料圓柱體試件，并對稱切割成半圓柱型，高度50 mm、厚度25 mm，在半圓形試件底部中間切縫，長度10 mm.在-12 ℃下進行試驗，采用萬能試驗機采集數據.三種級配下的瀝青混合料均進行三組平行試驗.

3) DCT試驗試件制作 采用旋轉壓實成型三種級配下的瀝青混合料圓柱體試件，將試件切割成圓盤型，圓盤直徑150 mm、厚度50 mm.距離圓盤圓心35 mm處，對稱鉆取直徑25mm的小孔，預切縫長度50 mm.試驗溫度為-12℃，采用MTS試驗機以1.0 mm/min 的速率破壞試件并記錄數據.三種級配下的瀝青混合料均進行三組平行試驗.

3 試驗結果及分析

3.1 評價指標有效性

不同試驗方法時各瀝青混合料斷裂能見圖3.由圖3可知：不同試驗方法測得的瀝青混合料斷裂能規律基本一致.相同條件下，AC-16瀝青混合料斷裂能最大，AC-10瀝青混合料斷裂能最小；CMOD-SCB法測量計算得到的斷裂能在421.4～541.8 N/m；LLD-SCB法測量計算得到的斷裂能在337.4～395.3 N/m；CMOD-DCT法測量計算得到的斷裂能在302.7～365.0 N/m.同時三種不同瀝青混合料在三種方法下測量得到的斷裂能范圍較窄，尤其是CMOD-DCT和LLD-SCB的測量結果，難以明顯區分不同瀝青混合料的開裂性能.

圖3 不同試驗方法時各瀝青混合料斷裂能

為進一步對比試驗結果，分別將CMOD-SCB法和LLD-SCB法計算得到的斷裂能除以CMOD-DCT法計算得到的斷裂能，計算結果見圖4.

圖4 不同試驗方法計算所得斷裂能對比結果

由圖4可知:瀝青混合料的類型不同，兩種試驗方法的斷裂能之比也不同.CMOD-SCB法約比CMOD-DCT法計算得到的斷裂能高30%，LLD-SCB法則和CMOD-DCT法的計算得到的斷裂能值十分接近，這是因為CMOD-SCB法是通過測量間接位移計算得到斷裂能，而CMOD-DCT法、LLD-SCB法則均是通過計算直接位移得到斷裂能.因此，這些比率揭示了通過加載應力對位移的直接和間接測量之間的差異.此外，LLD-SCB法和CMOD-DCT法斷裂能計算數值的微小差異，可能是由于荷載類型、DCT試驗中荷載施加點和位移測量點的間距等因素造成的.

綜上，LLD-SCB試驗方法試件制作簡單，且計算結果準確，斷裂能與荷載施加方向相同，也可以反映試件在測量過程中的彎曲過程，是測量計算斷裂能的最佳方法.但是，SCB試驗中荷載—線位移曲線難以體現裂縫擴展路徑，因此在描述裂縫尖端特征和裂縫擴展行為的研究中，仍應當采用荷載—裂縫張開位移曲線.

同時，考慮到低溫下測量得到的LLD-SCB斷裂能范圍較窄，難以反映不同瀝青混合料的開裂性能，進一步修改和調整試驗參數，分析溫度對區分瀝青混合料斷裂能的影響.

3.2 合理溫度確定

為AC-10、AC-13和AC-16三種瀝青混合料在三種溫度(-12，0和10 ℃)下的LLD-SCB試驗位移曲線及斷裂能特性試驗結果見圖5和表3.

圖5 不同溫度下荷載-位移曲線圖

表3 不同溫度下瀝青混合的斷裂能

由圖5可知，在SCB試驗中溫度對荷載-位移曲線的形式影響較大.試驗溫度升高會導致荷載、位移曲線的斷裂能增加、峰值荷載降低，以及峰后斜率變的更加平滑.這是因為瀝青混合料的粘彈性理論，瀝青混合料是感溫性材料，溫度升高時，瀝青軟化，導致瀝青混合料的脆性降低；溫度降低時，瀝青變硬，導致瀝青混合料變的更脆.

同時，圖5顯示溫度為-12 ℃時，AC-10型、AC-13型和AC-16型三種瀝青混合料的荷載-位移曲線幾乎重合，三者幾乎具有相同的位移范圍、相近的峰值荷載和相同的峰后斜率；但當試驗溫度為10℃時，三種瀝青混合料的荷載-位移曲線可明顯區分.

由表3可知，溫度為-12 ℃時，AC-10型相較于AC-16型，斷裂能減小了14.6%；溫度為0 ℃時，AC-10型相較于AC-16型，斷裂能減小了15.3%；溫度為10 ℃時，AC-10型相較于AC-16型，斷裂能減小了23.5%.

綜上，在較高的溫度下，瀝青混合料的荷載—位移曲線形式更加明顯，斷裂能數值的變化幅度更為顯著.因此，為了明顯區分不同瀝青混合料的開裂性能，推薦在10 ℃下進行SCB試驗并根據荷載的豎向線位移曲線計算斷裂能.

4 結 論

1) 通過對四種常見抗裂性能試驗方法的對比分析，結合物理學做功和能量兩大基本概念，提出荷載與位移同向條件下計算得到的斷裂能與功的定義相符，由此將原SCB試驗方法中的開口位移更改為荷載的豎向線位移.

2) LLD-SCB法和CMOD-DCT法符合功的定義，斷裂能計算結果也表明，CMOD-SCB法約比CMOD-DCT法計算得到的斷裂能高30%，LLD-SCB法和CMOD-DCT法的計算得到的斷裂能值十分接近，表明采用LLD-SCB法計算的斷裂能準確、可靠，同時試驗方法更為便捷.

3) 10 ℃試驗條件下，不種瀝青混合料采用LLD-SCB法計算得到的斷裂能具有較好區分度，建議在10 ℃下進行LLD-SCB試驗.