瀝青混合料疲勞失效判別和破壞特征分析*

肖 建

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司 上海 200092)

我國瀝青混合料相關規范中的四點彎曲試驗是參照美國公路戰略研究計劃(SHRP)制定的[1]，依據美國ASTM D7460標準[2]采用偏正弦波加載的等應變控制疲勞試驗，該方法被認定為是評價瀝青混合料疲勞性能的標準試驗方法，但是缺少合理的理論解釋。采用不同的疲勞失效判據，疲勞試驗終止時材料的疲勞損傷程度不同，這也會導致瀝青混合料疲勞壽命分散性很大，因此隨著計算機斷層掃描技術的發展，可從細觀結構角度來論證四點彎曲疲勞試驗的疲勞失效的演化規律，并驗證其合理性[3]。對于四點彎曲疲勞試驗而言，規范一般采用勁度模量下降至材料初始勁度模量的一定比例(規范50%)，做為不同種類瀝青混合料彎曲疲勞試驗的失效判據。是否能有試驗證實疲勞破壞發生在50%的初始模量附近[4]，亦或直至彎拉勁度模量達到初始模量的40%、30%、20%附近才會發生疲勞破壞的傾向？四點彎曲疲勞試驗中對于這一50%初始勁度模量的衰減門檻值是否合理，是否能完全反映纖維瀝青混合料的疲勞失效的臨界狀態，本研究將針對以上問題結合細觀孔隙變化分析進行研究。

1 瀝青混合料分階段疲勞試驗

從疲勞損傷累計的角度分析，瀝青混合料的疲勞破壞是在疲勞荷載反復作用下，混合料內部缺陷不斷累積直至開裂損傷的全過程。根據JTG E20-2011 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》[5]，對同一根瀝青混合料小梁試件進行四點彎曲疲勞壽命試驗。按照小梁試件達到疲勞試驗終止條件，即停止加載，然后立即對小梁試件進行CT無損掃描，掃描完成后立即置入疲勞試驗機進行下一階段的疲勞試驗，直至試件完全破壞為止。考慮將彎曲勁度模量降低至初始彎曲勁度模量的70%、60%、50%、40%、30%、20%這6種狀態，分別對應疲勞試驗的6個階段。

選用2種典型瀝青混合料結構：普通AC-13及摻高強PAN纖維AC-13瀝青混合料試件作為試驗對象，擬對小梁疲勞加載過程分為六階段進行。試驗終止條件為：彎曲勁度模量衰減至初始彎曲勁度模量的70%(階段1)、60%(階段2)、50%(階段3)、40%(階段4)、30%(階段5)及20%(階段6)，共計6個階段，實驗結果見圖1。

圖1 四點彎曲疲勞各階段疲勞曲線

由圖1a)可知，普通AC-13瀝青混合料全程只參與了模量衰減5個階段的疲勞作用，當準備進行衰減至初始勁度模量至20%(即階段6)的疲勞試驗時，小梁試件突然發生完全斷裂，其斷裂圖見圖2a)。其可能是由于普通AC-13小梁采用的普通瀝青，黏結性差抗疲勞性能表現不佳，當達到疲勞損傷累積的極限時即發生斷裂，破壞位置為中間壓頭上部的受拉區域。因此普通AC-13瀝青混合料全程僅能完成5個階段的疲勞試驗。

摻高強PAN纖維AC-13瀝青混合料全程參與了模量衰減至70%(階段1)、60%(階段2)、50%(階段3)、40%(階段4)、30%(階段5)以及20%(階段6)的疲勞作用。試驗結果見圖2b)。

圖2 小梁試件疲勞后斷裂圖

由圖2b)可知，摻入高強PAN纖維AC-13后，小梁試件雖然也有一定的變形但并未出現斷裂。結果表明摻入纖維后，由于纖維的加筋作用，摻入高強PAN纖維AC-13小梁試件抗疲勞性能提升較大。同時纖維對微裂紋開展的阻滯作用明顯，有效改善瀝青混合料在疲勞荷載作用下的損傷，延緩甚至防止裂縫的產生及擴展。

對圖1所示的分段疲勞曲線進行連續性修正，從階段2起每個階段剔除起始模量急劇下降的部分，連接上一階段疲勞結束的終止點，修正形成疲勞全過程曲線，并對分段的六階段疲勞曲線進行修正，從階段2起剔除彎拉勁度模量急劇下降的過程，接上一階段疲勞結束的終止點。在疲勞荷載作用下，小梁的彎曲勁度模量按照同樣趨勢變化：起先彎曲模量急速下降，然后進入平穩階段，最后到達疲勞失效點后失穩破壞。修正后的瀝青混合料全過程疲勞壽命曲線見圖3。

圖3 全過程疲勞曲線

2 瀝青混合料小梁區域分割分析

根據試件在試驗前、后的CT掃描結果比對，從孔隙演化方面分析細觀損壞機理[6]。由于小梁試件較長，梁的不同區域受力情況不同，直接分析整根梁的孔隙變化情況計算量較大且缺乏針對性，故而將小梁分成多區域再進行處理。瀝青混合料小梁上、下區域分割示意見圖4。

由圖4可知，圖像分析區域在小梁四點彎曲試驗機的中間兩夾具之間，為小梁受純彎曲荷載作用區域，由于荷載作用對稱原理，可取小梁受純彎曲荷載作用區域的一半進行分析。

由于四點彎曲小梁試件是完全對稱結構，并且兩外端夾具附近的小梁內部結構經掃描發現并沒有明顯變化，變異性主要集中在中間夾頭附近，因此為減少計算量取對稱軸的一半掃描。又因為小梁試件在疲勞荷載作用下上部受拉、下部受壓，故而上下區域的孔隙變化規律存在差異。

為了得到更為準確的孔隙變化規律，根據疲勞試件的受力及變形特征，將小梁試件等分成上、中、下3個區域，其區域分割重構三維示意圖[7]見圖5。試件中間區域由于受疲勞荷載影響較小，孔隙變化不明顯，本研究將著重研究上、下兩區域的孔隙變化規律，其中上部受拉區為海藍色，下部受壓區為紫紅色。

圖5 小梁區域分割三維示意圖

小梁分割后，對受拉區和受壓區上、下兩部分體積進行孔隙劃分提取后進行重構，重構出的瀝青混合料小梁試件內部一小段截面的孔隙三維分布平滑后見圖6。

圖6 試件部分截面內部孔隙重構及平滑處理后孔隙形貌

3 孔隙結構演化過程分析

瀝青混合料內部孔隙結構疲勞破壞前后其分布及形貌等特征必將發生不同程度的變化，而確定細觀孔隙發生突變的階段點對改進認識纖維瀝青混合料的疲勞失效準則具有重要意義。疲勞荷載下纖維瀝青混合料的受拉區較受壓區更容易導致疲勞破壞，因此提取四點彎曲疲勞試驗受拉區域板塊為重點研究對象，采用三維重構技術[8-9]分析瀝青混合料小梁各疲勞終止階段孔隙形貌的演化過程。普通AC-13及摻高強PAN纖維的AC-13試件初始狀態及疲勞終止各階段狀態的CT掃描及孔隙重構結果見圖7、圖8。

圖7 普通AC-13受拉區五階段孔隙演化過程

圖8 摻高強PAN纖維AC-13受拉區六階段孔隙演化過程

由圖7及圖8可見，瀝青混合料在經受疲勞破壞后，其內部孔隙形貌損傷主要表現為原有孔隙的擴張、孔隙間的貫穿連接與微小孔隙的生成，普通AC-13摻入纖維后其孔隙數量明顯減少，尤其是微小孔隙減少顯著。普通AC-13瀝青混合料從初始狀態到階段1即模量降至初始模量的70%，孔隙變化已經比較明顯，說明到達階段1瀝青混合料內部其實就已經出現損傷，而摻高強PAN纖維的AC-13瀝青混合料僅微小孔隙數量出現增加，損傷擴張不是很明顯。

從疲勞損傷破壞全過程來看，對于普通AC-13瀝青混合料，圖7中階段4孔隙變化明顯，可認為階段3結束即將出現孔隙損傷加劇，這與前文中模量降低至初始模量的50%作為疲勞失效點是相互吻合的。其次對于摻高強PAN纖維的AC-13瀝青混合料，圖8所示階段5孔隙損傷變化明顯，同樣可認為階段4結束即模量降低至初始模量的40%時即將出現損傷加劇。因此，有必要對摻高強PAN纖維的AC-13瀝青混合料的疲勞失效準則加以修正，可將纖維瀝青混合料的疲勞試驗終止條件修正為模量降低至初始模量的40%。

4 結語

基于應變控制的瀝青混合料四點彎曲疲勞試驗及疲勞失效準則，定義了彎曲疲勞的失效的6個階段，修正得到全過程疲勞壽命曲線，同時對各階段完成后小梁進行CT掃描，并對全過程的孔隙結構形貌進行三維重構分析。研究結論如下。

1) 分析了四點彎曲疲勞試驗的條件選擇及參數方案確定，提出將疲勞試驗分階段進行，將疲勞失效過程劃分為6個階段，根據修正后的全過程疲勞壽命曲線出現拐點的位置，得出普通AC混合料以50%作為疲勞失效點是合理的，摻纖維AC混合料應該以降低至初始模量的40%作為疲勞失效點更顯合理。

2) 根據劃分出的小梁受拉區及受壓區，對疲勞終止的6個階段分別進行孔隙三維重構，得到各階段的孔隙不同結構特征變化，結果表明，其中受壓區的孔隙特征變化規律不明顯，受拉區的孔隙變化規律表明與疲勞曲線判斷疲勞失效的結果具有良好的一致性。

3) 基于三維空間探索瀝青混合料疲勞損傷演化規律，能精準有效地反映孔隙的形狀特征及位置信息，這對于瀝青混合料細觀分析更具價值。但是針對如何構建孔隙的形狀特征的指標與疲勞失效的相關性，仍有待進一步研究。