瀝青混合料復合小梁宏觀與細觀疲勞特性分析

崔亞楠， 張 強， 張 翔

（1.內蒙古工業大學 土木工程學院，內蒙古 呼和浩特 010051； 2.內蒙古工業大學 內蒙古自治區土木工程結構與力學重點實驗室，內蒙古 呼和浩特 010051）

隨著中國經濟的快速發展，道路交通日益重型化，交通量快速增長，路面損壞加速，目前道路工作的重點已經由新建轉移到原有道路的養護與維修.采用瀝青面層作為原有路面的加鋪層是一種典型的道路補強方法［1-4］.

相比于原路面，路面加鋪后的整體疲勞性能更加難以預測.杜健歡等［5-7］研究了不同因素對含層間界面的復合小梁疲勞性能的影響，發現復合小梁的疲勞破壞更加復雜，不同的層間條件、溫度、荷載水平均會對復合小梁的疲勞壽命產生顯著影響.

由于加鋪層與原路面材料不同以及層間的存在，在車輛荷載的作用下，原路面和加鋪層的力學響應與變形特征有所不同.與傳統宏觀測試方法相比，數字圖像相關（DIC）技術可以準確觀測試件表面每一點的位移及應變，從而進行細觀層 面 的 分 析［8］. 研 究 證 明，采 用DIC技 術 可 以 很好地從細觀角度分析瀝青混合料裂紋的萌生和發 展［9-11］.

選擇AC-16瀝青混合料為下層材料，選擇加鋪層常用的SMA-13瀝青混合料為上層材料，制備復合小梁，并對其進行彎曲破壞試驗與彎曲疲勞試驗，使用DIC技術對試件表面進行細觀觀測，以期為不同環境和不同荷載水平下的加鋪層設計提供實踐和理論借鑒.

1 試驗

1.1 原材料

采用AC-16瀝青混合料為下層材料模擬原路面，SMA-13瀝青混合料為上層材料模擬加鋪層，制備復合小梁；AC-16為盤錦90#基質瀝青，SMA-13及層間黏層油為苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物（SBS）摻量為4.5%（以基質瀝青質量計）的SBS改性瀝青，其技術指標如表1所示，合成級配如表2所示；集料為玄武巖碎石；礦粉為石灰石礦粉；SMA-13瀝青混合料中摻入玄武巖纖維，摻量為0.5%（以基質瀝青質量計），其性能指標如表3所示.

表1 基質瀝青和SBS改性瀝青技術指標Table 1 Technical specifications of base asphalt and SBS modified asphalt

表2 瀝青混合料合成級配Table 2 Synthesis gradation of asphalt mixture

表3 玄武巖纖維性能指標Table 3 Properties of basalt fiber

1.2 試驗方案

將AC-16瀝青混合料拌和好后置入尺寸為300 mm×300 mm×50 mm的單層車轍板模具中碾壓成型，冷卻脫模后進行相應的老化處理.然后，將單層車轍板置入尺寸為300 mm×300 mm×100 mm的雙層車轍板模具中，在其上表面均勻涂抹SBS改性瀝青黏層油，黏層油用量為0.65 kg/m2.最后，在黏層油上加鋪厚度為50 mm的SMA-13瀝青混合料碾壓成型，待其冷卻脫模后即得到尺寸為300 mm×300 mm×100 mm的雙層車轍板.

將雙層車轍板切割成尺寸為250 mm×40 mm×40 mm的復合小梁試件.對其進行彎曲破壞試驗和彎曲疲勞試驗，并用DIC技術同步觀察復合小梁的應變場，分析其開裂特性.基于內蒙古地區10～20 ℃范圍內的瀝青面層基準疲勞等效溫度［12］，將試驗溫度選擇為10、15、20 ℃.復合小梁彎曲破壞試驗采用控制位移加載，加載速率為50 mm/min，以獲得破壞時的峰值荷載.原路面加鋪瀝青層后通常更接近厚瀝青層，與控制應力加載模式的室內疲勞試驗更接近，故彎曲疲勞試驗采用控制應力加載，加載頻率為10 Hz，所加循環荷載與彎曲破壞時峰值荷載的應力比分別取0.2、0.3、0.4、0.5.瀝青路面在使用過程中因外界環境的影響會產生一定程度的老化［13］，為了更好地模擬真實情況，根據JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》對瀝青混合料進行長期老化處理，老化程度分為未老化（origin）、下層材料進行長期老化（age1）以及下層材料進行長期老化后復合小梁整體再進行長期老化（age2）3種情況.彎曲破壞試驗和彎曲疲勞試驗時的DIC數據采集頻率分別為10、1 Hz.

2 宏觀試驗結果與分析

2.1 復合小梁彎曲破壞試驗

對未做老化處理的復合小梁進行彎曲破壞試驗以獲得其峰值荷載， 同一溫度條件下的復合小梁彎曲疲勞試驗中所施加的循環荷載為峰值荷載的20%～50%，結果列于表4，其中P為峰值荷載，C為循環荷載，C/P為應力比.

表4 復合小梁彎曲破壞試驗中的峰值荷載及彎曲疲勞試驗中的循環荷載Table 4 Peak loads of bending failure tests and cyclic loads applied in the bending fatigue tests of composite small beams

2.2 復合小梁彎曲疲勞試驗

對不同試驗溫度、應力比和老化程度條件下的復合小梁進行三點彎曲疲勞試驗，結果如圖1所示.由圖1可見：試驗溫度、應力比與老化程度和復合小梁的疲勞壽命呈負相關關系；復合小梁在試驗溫度從10 ℃提高到20 ℃的過程中，疲勞壽命均降低60%以上，這是因為在10～20 ℃這一典型的疲勞開裂溫度范圍內，溫度上升導致瀝青混合料剛度下降，從而削弱了其抗疲勞開裂的能力，降低了其疲勞壽命［14］；未經過老化處理的復合小梁在不同試驗溫度和應力比下均表現出最好的抗疲勞性能，下層材料經過長期老化處理的復合小梁的抗疲勞性能優于整體再經過長期老化處理的復合小梁，這是因為在老化過程中，瀝青中產生的大量羰基化合物使其變硬，因而瀝青及瀝青混凝土的延展性變差，更易發生疲勞破壞［15-16］；在應力比從0.2增加到0.5的過程中，各種試驗條件下的復合小梁疲勞壽命衰減率均達到80%以上，這是因為隨著應力比的增大，每次循環加載后復合小梁的累積損傷增多，縮短了其疲勞壽命；不同試驗溫度、不同老化方式對疲勞壽命的影響程度隨應力比的增大而減小.

圖1 不同試驗溫度、應力比和老化程度條件下復合小梁的疲勞壽命Fig.1 Fatigue lives of composite small beams under various temperatures， stress ratios and degrees of aging

3 DIC試驗結果與分析

DIC技術是近20 a來廣泛應用的一種新型非接觸式應變測量技術，與傳統的位移和應變測量方法相比，DIC技術可以對試件表面的目標區域進行細觀尺度的觀測，并可對所獲取的數字圖像進行后期處理和分析.由于加載過程中瀝青混合料的應變值更能反映其開裂特性，因此選擇其在加載過程中的應變特征云圖及應變值進行細觀分析.由于復合小梁存在層間且上、下層瀝青混合料的材料組成不同，在荷載作用下，上、下層材料的力學響應和變形特征有所不同，為從細觀尺度上分析兩者的差異，選用未做老化處理的復合小梁試件，散斑點計算區域選擇上、下層材料離層間遠1 mm、長40 mm、寬5 mm的矩形區域，分別代表加鋪層底部與原路面頂部，計算區域示意圖見圖2.

圖2 計算區域示意圖Fig.2 Schematic diagram of calculation area（size： mm）

3.1 復合小梁彎曲破壞細觀分析

復合小梁彎曲破壞試驗與DIC測試同步進行，通過對比分析宏觀尺度下的荷載-位移曲線（P-Δ）和細觀尺度下的水平應變-時間（εx-t）曲線，可以從宏觀與細觀相結合的角度得到瀝青混合料復合小梁的開裂特性，結果如圖3所示.

由圖3可見：開始加載后，施加于復合小梁上的荷載水平迅速增加并達到峰值，隨后緩慢下降；當加載到7.53 s（豎向位移為5.38 mm）時，加鋪層底部的εx-t曲線開始突變，水平應變快速增加，此時下層材料中的裂紋尖端穿過層間進入上層材料；以7.53 s為分界點，將P-Δ曲線分為區域Ⅰ與區域Ⅱ兩部分，分別主要由下層材料（原路面）和上層材料（加鋪層）抵抗荷載，其復合小梁的斷裂功分別為3.53、0.53 J，占總斷裂功的87%和13%；通過分析斷裂功水平可見，下層材料為主要的抵抗荷載部分，加鋪層主要起到恢復路面功能的作用，對路面承載能力的提升十分有限.

根據圖3所示的P-Δ曲線及εx-t曲線，選擇初始階段（0.20 s）、峰值荷載階段（3.72 s）、加鋪層底水平應變突變階段（7.53 s）和整體破壞階段（13.00 s）的水平應變特征云圖進行分析，結果如圖4所示.

圖4 復合小梁彎曲破壞水平應變特征云圖Fig.4 Characteristic cloud diagrams of bending failure horizontal strain of composite small beams

由圖4可見：加載初期（0.20 s）復合小梁的水平應變很小，并且分布不均勻，跨中沒有出現應變集中區域；當荷載達到峰值時（3.72 s），此時應變集中區域位于復合小梁梁底，復合小梁達到承載極限，若進一步施加豎向位移則梁底將出現裂紋，荷載水平減小；隨著裂紋的發展，水平應變集中區域由下向上擴展，水平應變由小變大；當裂紋尖端穿過層間進入加鋪層材料時，加鋪層底部的水平應變曲線迎來拐點，此時的復合小梁水平應變特征云圖如圖4（c）所示，加鋪層底部的水平應變明顯增加，且復合小梁撓度明顯，最后達到圖4（d）所示的整體破壞階段.

3.2 復合小梁彎曲疲勞細觀分析

復合小梁的彎曲疲勞開裂過程與普通小梁相似，大致可分為3個階段，即損傷初始階段、損傷發展階段和損傷破壞階段，選擇每個階段具有代表性的水平應變特征云圖進行分析，結果如圖5所示.

由圖5可見：在加載前期的損傷初始階段，試件內部存在集料重新排列與空隙的變化，試件表面的水平應變雜亂無章；繼續加載，試件內部變化趨于平穩，水平應變集中于梁底并不斷累積，試件進入如圖5（b）所示的損傷發展階段；隨著損傷的持續進行，細觀損傷裂紋發展為宏觀裂縫，試件進入如圖5（c）所示的失穩破壞階段.

圖5 復合小梁彎曲疲勞水平應變特征云圖Fig.5 Characteristic cloud diagrams of bending fatigue horizontal strain of composite small beams

選擇應變波動量作為損傷因子［17］，可定量分析上、下層材料在循環荷載作用下的損傷情況.損傷因子的計算公式見式（1）和式（2）.

式中：D'為損傷因子；εi為區域內第i點的水平應變；εˉ為區域內水平應變的平均值；n為數據點個數；D（εx）為應變波動量；Dmax為D（εx）的最大值.

圖6為復合小梁上、下層材料在循環加載過程中的水平應變演化特征.由圖6可見：循環加載次數0～100、0～136次時分別為下層材料和上層材料的損傷初始階段，此時水平應變迅速變化，下層材料受拉，水平應變為正，上層材料受壓，水平應變為負；隨著循環加載次數至9 200、10 389次時，下層材料和上層材料的水平應變經過第1階段的劇烈變化后進入第2階段的平穩累積階段，即損傷發展階段，當循環加載次數為3 470次時，上層材料的水平應變開始由負值變為正值，完成了從受壓到受拉的轉變，這是因為隨著復合小梁損傷程度的加深，水平受拉的應變集中區域逐漸上移，加鋪層底部由受壓區變為受拉區；當循環加載次數超過9 200、10 389次時，微裂紋經過第2階段的累積已經發展為宏觀裂縫，裂縫由下層材料頂部向上發展，穿過層間，進入上層材料，原路面與加鋪層先后進入第3階段，即損傷破壞階段.

圖6 水平應變演化特征Fig.6 Evolution characteristics of horizontal strain

圖7為復合小梁上、下層材料在循環加載過程中的損傷因子演化特征.由圖7可見：損傷因子隨加載次數的演化曲線與圖6相似，也呈3階段變化；循環加載次數0～46次時為第1階段，此時試件在荷載的作用下發生變形，由于內部存在集料重排與空隙的變化，水平應變波動較大，損傷因子迅速增加，與圖5（a）所示的水平應變特征云圖表現一致；隨后混合料內部結構趨于穩定，試件進入第2階段，即損傷發展階段，此時損傷因子平穩增長，且上層材料的損傷因子比下層材料高，這與圖6中該階段加鋪層底部水平應變由負到正、發生由壓到拉的轉變、各點的應變離散性變大相關；循環加載9 118次后，下層材料出現宏觀裂縫，且隨著應變的增加迅速增長，損傷因子快速增加并超過上層材料，早于加鋪層進入第3階段，即損傷破壞階段；再次加載，至10 492次后，宏觀裂縫從下層發展到上層，上層損傷因子陡增，進入損傷破壞階段.

圖7 損傷因子演化特征Fig.7 Evolution characteristics of damage factor

4 結論

（1）在原路面上加鋪瀝青混合料，制備復合小梁，結合彎曲疲勞試驗，發現溫度與應力比是影響其疲勞壽命的主要因素.

（2）通過斷裂功定量分析原路面與加鋪層的差異，發現原路面為主要抵抗荷載的部分，加鋪層則主要起到恢復路面功能的作用.

（3）瀝青混合料復合小梁的疲勞開裂過程大致可分為3個階段，即損傷初始階段、損傷發展階段與損傷破壞階段.

（4）原路面的損傷發展階段為抵抗疲勞荷載的主要階段，當原路面由損傷發展階段進入損傷破壞階段時，復合小梁整體開始加速破壞.