沥青混合料疲劳损伤过程的劈裂剩余强度研究

李沛洪， 张 彪， 骆应就

(1.长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410114； 2. 广州市市政工程机械施工有限公司， 广东 广州 510060)

沥青混合料疲劳损伤过程的劈裂剩余强度研究

李沛洪1， 张 彪1， 骆应就2

(1.长沙理工大学 交通运输工程学院， 湖南 长沙 410114； 2. 广州市市政工程机械施工有限公司， 广东 广州 510060)

通过劈裂疲劳试验原理，研究经过疲劳损伤后沥青混合料劈裂抗拉剩余强度。依据劈裂疲劳试验方法，设定4个应力比2个加载频率试验条件得出沥青混合料S—N疲劳方程。根据疲劳方程结果与线性损伤理论，规定疲劳损伤程度分别为20%、40%、50%、60%、80%，确定各试验条件下不同损伤程度的疲劳作用次数。经过不同损伤程度疲劳试验后，对各沥青混合料试件进行劈裂剩余强度试验，并建立各试验条件劈裂剩余强度 — 损伤程度变化规律。为量化计算AC — 13型沥青混合料剩余强度随损伤的变化规律，引入指数函数y=keax关系式拟合各试验条件坐标，得出劈裂剩余强度 — 损伤程度的指数表达式。

道路工程； 沥青混合料； 劈裂试验； 疲劳损伤； 劈裂剩余强度

沥青混合料劈裂疲劳试验是研究沥青混合料疲劳性能的典型试验之一。疲劳性能是指在规定荷载对沥青材料进行反复作用使沥青混合料发生损伤直至破坏，从而研究沥青混合料抵抗重复作用能力，疲劳过程也是材料在不断损伤的过程[1-3]。劈裂强度试验或劈裂疲劳试验使圆柱体试件处于二维应力状态，该种受力状态相似于车辆荷载作用沥青面层的受力形式，同时规范规定：沥青路面材料抗拉强度测定以劈裂强度为依据。因此使用劈裂疲劳试验研究沥青路面疲劳性能是合理的[4-6]。

研究沥青混合料疲劳特性往往关注于各种条件下疲劳寿命研究并得出疲劳演化方程，却较少关注于某一疲劳状态即某一损伤程度时沥青混合料试件的剩余强度或剩余寿命[7,8]。本文首先得出各试验条件的疲劳方程，根据疲劳方程定义损伤程度，进行各损伤状态的劈裂剩余强度研究，该研究对于预测材料损伤规律，强度规律，疲劳寿命等具有重要意义。

1 沥青混合料劈裂疲劳试验

1.1 劈裂疲劳试验过程分析

选取细粒式密级配沥青混合料AC — 13C为研究材料，试件尺寸Φ101.6 mm×63.5 mm的标准马歇尔试件。经配料，加热，搅拌，成型后得出AC — 13C沥青混合料试件。配备专门进行劈裂疲劳试验的液压伺服系统UTM试验机。试验过程分为两步进行，其一：对AC — 13C试件进行劈裂抗拉强度试验，劈裂抗拉强度RT，MPa，RT=0.006287PT/h，PT表示试验压头施加荷载，N，h为试件高度，mm。经试验得AC — 13C沥青混合料平均劈裂抗拉强度为1.232 MPa。其二：确定劈裂疲劳试验应力比、加载频率，以劈裂强度为基准应力比分别为0.3、0.4、0.5、0.6，加载频率5 Hz、10 Hz。试验温度保持在15 ℃，加载波形为正弦波。

1.2 沥青混合料劈裂疲劳寿命测定

沥青混合料疲劳过程是在重复机械荷载下材料内部沥青胶结料与粗细集料粘结区域发生开裂或粗细集料被荷载复杂力学状态破坏而发生材料损伤直至破坏的过程，这个过程能抵抗荷载作用的次数称为疲劳寿命。按要求将试件安装于UTM材料试验机，已知AC — 13C劈裂抗拉强度1.232 MPa以及试验条件4个应力比2个加载频率，在试验机中设定各个试验条件参数进行多组试验，得出不同应力水平下疲劳试验结果如表1。

表1 不同应力比不同频率下疲劳寿命应力疲劳寿命/次5Hz10Hz0.3595089300.4181049400.5139028600.65501280

1.3 建立沥青混合料疲劳方程

疲劳方程是量化材料疲劳性能的工具，不同试验条件下有不同疲劳方程，疲劳方程反映整个疲劳试验疲劳寿命变化过程。应力控制模式下的劈裂疲劳试验选用常用典型的疲劳方程S—N方程表示：

Nf=k×(1/S)n

(1)

式中：Nf为试件破坏时的加载次数；S为对试件施加的应力比，即每次施加的常量应力最大幅值与相同条件下劈裂破坏强度的比值，简称为应力比；n，k为取决于沥青混合料组成和特性的常数。

根据表1的试验结果，沥青混合料劈裂疲劳过程变化如图1。

图1 疲劳过程变化

由图1得出5 Hz和10 Hz频率下疲劳寿命随应力比的变化规律，结合S—N疲劳方程拟合回归方程结果如表2。

表2 疲劳寿命拟合结果频率/Hzkn回归方程相关系数R2/%51173.21Nf=117×(1/S)3.2196103712.72Nf=371×(1/S)2.7295

2 确定沥青混合料疲劳损伤程度

2.1 沥青混合料疲劳损伤数学模型

Miner损伤模型是沥青混合料疲劳损伤常用模型，认为在相同的荷载条件下损伤呈线性变化，而且每个周期荷载作用产生的损伤相等，即认为损伤是线性演化的[9,10]，表达式如下：

D(N)=N/Nf

(2)

dD(N)/dN=1/Nf=常数

(3)

D=D1+D2+D3+…+DN

(4)

式中：Nf为疲劳寿命；N为荷载循环作用次数；D(N)为荷载每一次作用的损伤值；D为总的损伤值。

2.2 确定疲劳损伤程度

沥青混合料在各试验条件下的疲劳寿命由表1得出，表明在整个疲劳过程中所能承受的荷载作用次数即损伤达到100%时的作用次数，此时试件完全破坏不能再承受荷载[11]。为便于损伤程度的确定根据线性疲劳损伤数学模型，划分5个损伤程度分别为20%、40%、50%、60%、80%，得各损伤程度的循环作用次数如表3。

表3 不同损伤程度的疲劳次数试验条件不同损伤程度的疲劳次数/次应力比频率/Hz20%40%50%60%80%0.351190238029753570476010178635724465535871440.45362724905108614481098819762470296439520.5527855669583411121057211441430171622880.65110220275330440102565126407681024

3 各损伤程度剩余强度分析

3.1 剩余强度的概念

本文选取一定疲劳损伤状态时对沥青混合料测定劈裂抗拉强度，确定在某一损伤时沥青混合料还能抵抗多大的劈裂强度。沥青混合料经过疲劳损伤后的剩余强度对于研究荷载作用在某一状态时沥青混合料所具有的力学特性具有重要意义。公路交通中经过行车荷载多年后沥青面层必然存在或多或少可用肉眼观察到或不能观察到的损伤和裂缝，如何评价该种状态下沥青混合料所具有的强度是研究的关键。

3.2 不同损伤程度的剩余强度

确定剩余强度时，设定每个试验条件(应力比及加载频率)，按照各损伤程度循环作用次数对试件进行疲劳试验，当达到需要的循环次数后，对损伤后的试验进行一次性劈裂抗拉强度试验测定劈裂强度。各损伤程度剩余强度试验结果如表4。

表4 劈裂剩余强度试验条件不同损伤程度的劈裂剩余强度/MPa应力比频率/Hz20%40%50%60%80%0.351.180.670.540.430.26101.130.610.460.310.240.451.080.610.430.320.25101.030.550.370.310.240.551.010.520.430.340.24100.980.490.420.290.230.650.970.470.370.310.21100.950.430.310.290.21

3.3 损伤程度拟合分析

由于已得出各损伤程度的劈裂剩余强度，通过图像对比分析各试验条件剩余强度的变化状态。

通过图2各损伤程度剩余强度变化规律，随着损伤程度增加，劈裂剩余强度在递减，原因在于沥青混合料疲劳损伤过程中重复荷载作用使沥青混合料内部集料越来越松散。重复荷载作用造成的疲劳破坏不同于一次性作用的强度试验，一次性作用强度试验作用时间短且协调变形慢，主要倾向内部集料所能抵抗的强度破坏，所以劈裂试验后试件破坏较多是集料断裂出现破坏断面，而重复荷载疲劳试验作用时间长，荷载作用力小，材料通过协调变形使荷载更均匀传递。集料强度和刚度高长时间小荷载作用难以使其破坏，但沥青混合料是由沥青与骨料组成的非均匀材料，薄弱区域在沥青砂(沥青与小于2.36 mm以下细集料组成的沥青胶结料)与粗集料(大于2.36 mm的集料)相互连接的界面位置。

图2 各损伤程度剩余强度

劈裂疲劳试验在小荷载长时间的作用下使薄弱区域的沥青砂逐渐松散。当损伤程度在20%时，沥青混合料整体表现出来的损伤不大，各试验条件下劈裂剩余强度约在1 MPa附近，此时沥青混合料内部薄弱区域发生小范围松散，但对整体剩余强度还保持较高水平。随着疲劳作用达到40%～60%损伤程度时，沥青混合料内部损伤表现较为明显，松散的沥青混合料薄弱区域进一步扩散并发生相互连通，此时剩余强度迅速降低，并可用肉眼观察到试件外部曲折发展的裂缝，剩余强度在0.3～0.6 MPa间。

由剩余强度表4与图2可得，当应力比越小即荷载越小，加载频率越小即时间越长，沥青混合料表现的剩余强度越大，所以更小的荷载更长的作用时间更能使材料免于过快地松散和免于产生过大的损伤，使得薄弱区域的沥青砂强度衰减变得平缓。

当损伤程度达到80%时，可通过肉眼观察到明显的沥青混合料曲折开裂，无论此时试验条件如何材料表现的剩余强度非常接近，在80%损伤程度测得的各试验条件下剩余强度集中在0.21～0.26 MPa之间。

通过上述定性分析劈裂剩余强度随损伤程度的变化过程，为更好地研究剩余强度变化规律提供参考，使用数学方法将损伤程度与剩余强度建立指数关系。由于各试验条件变化规律表现在图2中，取各试验条件剩余强度线中部，使用指数函数表达式y=k×eax拟合变化趋势方程：

y=1.36×e-2.66 x

式中，y表示劈裂剩余强度，MPa；x表示为损伤程度，%，相关系数96%满足要求。拟合方程适用于量化计算AC — 13型沥青混合料各疲劳损伤程度的劈裂剩余强度，该方法值得推荐。

4 结论

1) 通过沥青混合料劈裂疲劳试验控制疲劳试验条件应力比与加载频率，得出不同应力比不同加载频率的疲劳寿命。建立疲劳寿命 — 应力比的疲劳寿命曲线，得出加载频率为5 Hz的疲劳方程Nf=117×(1/S)3.21和10 Hz的疲劳方程Nf=371×(1/S)2.72。

2) 疲劳损伤以线性演化为模型，得出各试验条件20%、40%、50%、60%、80%疲劳损伤程度的作用次数。对各个试验条件下对应的损伤程度进行劈裂抗拉强度试验，得出劈裂剩余强度 — 损伤程度变化规律：随着损伤程度增加劈裂剩余强度在降低。

3) 为量化各试验条件下劈裂剩余强度 — 损伤程度的变化规律，通过指数关系式拟合各损伤程度的剩余强度值，得出相关程度达96%的劈裂剩余强度与损伤程度的指数表达式y=1.36×e-2.66 x。

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2016-10-11

交通部道路与交通行业重点实验室开放基金项目(长沙)(kfj08023)

李沛洪(1993-)，男，硕士研究生，从事道路结构与材料研究。

1008-844X(2017)01-0048-03

U 414

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