基于临界裂纹尖端位移的沥青胶结料抗疲劳性能评价

罗浩原, 欧阳铖霏, 冷慧康, 丁海波, 邱延峻

(1.西南交通大学 土木工程学院, 四川 成都 610031; 2.西南交通大学 道路工程四川省重点实验室, 四川 成都 610031)

沥青路面疲劳开裂一直是困扰工程技术人员的常见病害之一,大量的路面实测和室内试验表明，沥青混凝土路面的抗疲劳开裂性能主要取决于沥青胶结料的抗疲劳性能[1].目前中国对于沥青混凝土的抗疲劳性能控制主要集中在沥青混合料阶段,但混合料试件成型工作量大,试验周期长,试验复杂,若可以在胶结料阶段就对沥青疲劳性能进行控制,可以有效降低试验的工作量与成本[2].美国SHRP计划提出用疲劳因子(G*·sinδ)来表征沥青的中温疲劳性能;其他诸如动态剪切流变仪时间扫描测试[3]、应变控制疲劳扫描试验[4]、基于胶结料屈服能的BYET疲劳测试[5]、线性振幅扫描试验(LAS)[6]等都形成了各自的沥青疲劳性能评价方法,但以上测试方法都高度依赖动态剪切流变仪(DSR).与国外相比,中国一直没有使用G*·sinδ作为标准测试方法.一方面,这是由于中国的道路沥青交货质量控制中没有直接在胶结料层面控制疲劳性能的测试指标,且G*·sinδ对于中国广泛采用的SBS改性沥青来说也并不适用[7];另一方面,动态流变疲劳测试对试验操作人员要求较高和所需的设备专利技术垄断价格昂贵[8],中国大多数一线实验室的配备很难支持上述包括G*·sinδ在内的各类流变测试.因此,本文引入材料学中的双边缺口拉伸试验(DENT),该试验仅依靠测力延度仪配合自制硅胶模具就可以完成,并在此基础上,提出了临界裂纹尖端位移(CTOD)作为沥青胶结料抗疲劳性能的评价指标.利用该方法对7个沥青胶结料进行了测试,通过对应沥青混合料小梁的四点弯曲疲劳测试从混合料层面对CTOD表征的疲劳性能加以验证,并讨论了温度对CTOD区分度的影响.以期该方法能助力提升中国沥青路面的疲劳质量控制水平.

1 基本原理与试验

1.1 CTOD指标下的沥青疲劳性能表征

1977年,Cotterell等[9]根据Broberg[10]提出的基本断裂功理论设计了预制双边缺口的薄片试件(DENT试件)的拉断试验,并将其用于韧性材料的抗断裂评价.图1为基本功理论中试件上的能量区域划分.通过恒定速率的拉伸加载,计算测力-位移曲线所包络的面积可以得到作用在缺口试件上的总功WT[11].在DENT试验和WT的基础上,加拿大学者Andriescu[12]提出以基本断裂功we作为沥青胶结料疲劳性能评价体系的核心指标,但we与路面实际疲劳开裂的相关程度较低,仅为0.55[13].

近年来,基于断裂力学的材料疲劳研究认为[14-15]：带裂纹的韧性材料在循环荷载作用下,绝大多数荷载能量都消耗在了图1中裂纹截面周围的塑形变形区(预制双边切口附近一个长方体形状的区域),而不会影响到断裂核心区(裂纹集中的切口附近区域);只有当反复荷载的能量无法在塑形变形区内被消耗时,才会在断裂核心区内进行释放,其切口附近的先天裂纹就会在过剩的能量下逐渐张开,并让裂纹尖端周围的材料屈服钝化,钝化区域材料会发生与荷载垂直方向的颈缩位移Δa0,但裂纹尖端截面并未失稳;当荷载进一步增大,裂纹尖端截面全面屈服,应力不再增大,裂纹即将失稳;荷载继续扩大,过剩的能量只能通过材料撕裂进行释放,即对应材料的疲劳破坏状态.张含语等[16]提出采用临界裂纹尖端位移(CTOD)表征在裂纹失稳拓展前尖端两表面的极限张开位移(如图2所示),并将该指标作为韧性材料疲劳性能的判断指标.该理论认为CTOD能反应材料本身的性能特性,理论上不受试件尺寸的影响,其与we存在以下关系：

(1)

式中：σnet,5 mm为试件拉伸过程中韧带截面的最大净截面应力(5mm韧带宽度下的净截面应力),Pa.

图1 基本断裂功理论中试件上的能量区域划分Fig.1 Energy zones on DENT specimen in essential fracture work theory

图2 临界裂纹尖端位移(CTOD)的定义Fig.2 Definition of critical crack tip opening displacement

本文认为可以将CTOD指标应用于沥青胶结料的疲劳性能评价.一方面,这是由于沥青混合料的疲劳性能主要取决于沥青胶结料的疲劳性能,集料间胶结料中存在的先天裂纹缺陷将是混合料整体承受反复荷载时最为薄弱的环节,特别容易在反复弯拉荷载带来的拉应力下疲劳开裂;另一方面,沥青胶结料流变测试表明,在中温条件下(0～30℃),沥青胶结料的弹性性能占优,表现出很强的韧性性质,符合CTOD理论的应用条件.因此,可以通过设计统一化的DENT试验对沥青胶结料进行测试.若选用

本方法只需通过1次DENT破坏拉伸试验就可以将材料的CTOD值测出,且不需要反复进行加载,与现有的基于流变学胶结料疲劳评价测试是一致的[3-6].

1.2 试验

1.2.1原材料

4种代表性沥青样品：70号沥青(70#)、110号沥青(110#)、丁苯橡胶改性沥青(SBR)、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯改性沥青(SBS);添加Evotherm@M1温拌剂后配制的3个SBS-温拌改性沥青分别为SBS+0.2%M1、SBS+0.5%M1、SBS+0.8%M1，其中M1的添加量1)以SBS的质量计.CTOD和传统G*·sinδ测试时均采用旋转薄膜烘箱(RTFOT)+压力老化容器(PAV)老化后的沥青胶结料.各沥青胶结料的主要技术指标见表1.

表1 各沥青胶结料的主要技术指标

混合料级配均采用AC-13,设计级配如表2所示,油石比为5.8%,集料采用玄武岩碎石,填料使用矿粉,并通过体积分数3%～5%的空隙率控制其生产质量,混合料拌和采用的拌和温度参照JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》进行确定.

1)文中涉及的添加量、油石比等除特殊说明外均为质量分数或质量比.

1.2.2试验方法

根据DENT和CTOD的基本原理,设计了如图3所示的双边缺口拉伸试验的试件与试模,其中试模包含硅胶沥青试模与铝制端模.为了使DENT试件能够使用中国一线试验室配备较普遍的测力延度仪进行加载,将DENT试件拉伸加载孔中心间的距离与延度试件设计得完全相同.图4为DENT、延度和直接拉伸试件对比.

《庄子》有篇《不龟手之药》（龟通皲，皮肤皲裂之意），讲了一个故事：宋国有一个善于制造防治皮肤冻裂的药（类似于现在的防冻护手霜）的人，世世代代以在水中漂洗棉絮为业。有一个客人听说了，请求用百金购买这个药方。宋国人把族人召集在一起商量说：“咱家世世代代以在水中漂洗棉絮为业，不过赚几个小钱儿罢了。现在一下子卖掉技术就能得到百金，那就卖给他吧。”客人得到秘方以后，用它来游说吴王。正赶上越国向吴国发难，吴王派客人作大将，冬天与越国人在水中作战，因为客人有制作护手霜的秘方，将士们免受冻伤，吴军大获全胜。论功行赏，吴王赏给这个客人一块封地。

表2 AC-13沥青混合料设计级配

对同一种沥青胶结料进行测试时,需成型1组3个韧带宽度(缺口截面宽度)l分别为5、10、15mm的试件.制作过程如下：将沥青加热至流动状态,然后缓缓注入安放好端模的硅胶模具中冷却成型;冷却1.5h后,利用热刮刀刮平试件上表面并取出试件,用游标卡尺记录试件韧带位置处的厚度B,并继续在测试温度的水浴中养护1.5h.使用测力传感器采集频率不低于2次/s、测力精度不低于0.1N的具有测力功能的延度仪进行固定速率的拉伸加载,分别采集试件拉断前的测力-延度曲线作为后续计算的基本数据.DENT试件根据JTG E20—2011制作.

图3 双边缺口拉伸试验的试件与试模Fig.3 Specimens and moulds of double-edge-notched tension test

图4 DENT、延度、直接拉伸试件对比Fig.4 Specimens for DENT, ductility and direct tensile test(DTT)

DENT试验采用SYD-4508型测力延度仪进行加载,其配制的拉力传感器的采集频率为0.25s/次,拉力测试范围为0～300N,测力精度为0.1N,拉伸速率为50mm/min;试模采用图3所示的自制硅胶试模和铝制端模.PG中温疲劳测试采用TA公司的DHR-3型动态剪切流变仪配合8mm平板夹具完成.四点弯曲疲劳测试采用UTM-100试验机,参照ASTM 7460—2010《测定压实沥青混凝土在反复挠性弯曲情况下的疲劳断裂情况的标准试验方法》，制作380mm×63.5mm×50mm的混合料小梁试件进行应变控制加载,采用标准加载频率10Hz.在进行四点弯曲疲劳测试时,对2个基质沥青采用750、950μm/m 2个应变水平,对于SBS、SBR改性沥青采用950、1150μm/m 2个应变水平,平行试验量n=4.

1.2.3试验设计混合料疲劳测试中试验共分为3个阶段：

第1阶段,在15、25℃条件下,分别进行CTOD和G*·sinδ测试,并依据2个指标对选用沥青样本的抗疲劳性能做出排序.

第2阶段,利用7个沥青样本制作级配AC-13和油石比(5.8%)相同的混合料小梁试件(70#-ACB、110#-ACB、SBR-ACB、SBS-ACB等)进行四点弯曲疲劳测试,验证CTOD表征的胶结料疲劳性能对于混合料的疲劳性能控制是否具备实际意义.

第3阶段,运用显著性检验方法对15、25℃下4个SBS改性沥青的CTOD值进行分析,比较温度对CTOD的影响.

2 试验结果与分析

2.1 DENT测试结果

在15、25℃下,对沥青胶结料进行DENT加载,典型的DENT曲线如图5～7所示.由图5～7可见：每种沥青胶结料3个韧带宽度试件的DENT曲线形态相同,包络面积不同;不同温度下DENT曲线的形态也基本相同,拉力峰值不同,25℃下各沥青胶结料的拉力峰值明显低于15℃.沥青胶结料形成的DENT曲线按形态大致分为3类.

70#和110#沥青为第1类,以70#沥青为例,如图5所示.由图5可见,DENT曲线包括3个阶段：第1阶段,拉力随位移增大而不断增大,由线性变化逐渐降低变化率达到拉力峰值;第2阶段,拉力随位移增大而降低,其降低过程也基本为线性;第3阶段,当位移达到一定位置后,拉力的下降速度放缓,缓慢贴近零,直至拉断.3个阶段的位移区间长度较为均衡,其具有非常明显的塑形破坏特征.

SBR改性沥青为第2类,其DENT曲线如图6所示.由图6可见：相较于第1类,SBR改性沥青的第1阶段所占用的位移区间很短,在很短的位移范围内,拉力迅速达到峰值,基本没有出现变化率下降的过程;第2阶段,拉力又随位移迅速线性下降达到某一拐点,其占用的位移区间也很小;第3阶段,拉力随位移以另一种较小的变化率线性降低直至断裂,该阶段占据了较大的位移范围.

图5 70#沥青的DENT曲线Fig.5 DENT curves of 70# asphalt

图6 SBR改性沥青的DENT曲线Fig.6 DENT curves of SBR modified asphalt

SBS类改性沥青为第3类,以未加温拌剂的SBS改性沥青为例,其DENT曲线如图7所示.由图7可见：未加温拌剂SBS改性沥青的第1阶段与基质沥青类似;但第2阶段的拉力下降并不剧烈,一定范围内的下降后就趋于平缓,达到第2峰值;第3阶段,第2峰值后的拉力迅速归零,出现断崖式下降;SBS改性沥青2个温度下的峰值拉力都很大,表现出一定的脆性破坏特征.

CTOD值越大，表示胶结料抗疲劳性能越好.通过对DENT曲线所包络的面积以及式(1)进行计算,得到沥青胶结料的CTOD值,每个沥青胶结料进行了6次平行试验,结果取平均值,如图8所示.由图8可见,7个沥青胶结料抗疲劳性能相对大小排序为SBR>SBS+0.8%M1>SBS+0.5%M1>SBS+0.2%M1>SBS>110#>70#.

G*·sinδ的值越小,沥青抗疲劳性能越好,根据动态剪切流变试验得到沥青胶结料的G*·sinδ,如图9所示.由图9可见,7个沥青胶结料抗疲劳性能相对大小排序为SBR>110#>70#>SBS+0.8%M1>SBS+0.5%M1>SBS+0.2%M1>SBS.

结合图8、9可知：(1)CTOD和G*·sinδ对SBS改性沥青的抗疲劳性能判断存在差异.其在SBR改性沥青、70#沥青、110#沥青的相对排序上结论一致,但在G*·sinδ指标下,SBS改性沥青的抗疲劳性能整体低于基质沥青,这与CTOD矛盾.为了验证两种方法下得出的胶结料抗疲劳性能对于混合料整体的抗疲劳性能是否具备指导意义,2.2节中将采用现阶段认可度较高的混合料小梁四点弯曲疲劳试验从混合料层面进行验证.

图7 SBS改性沥青的DENT曲线Fig.7 DENT curves of SBS modified asphalt

图8 沥青胶结料的CTOD值Fig.8 CTOD values of asphalt binders

图9 沥青胶结料的G*·sin δ值Fig.9 G*·sin δ values of asphalt binders

(2)温度没有改变2种方法给出的沥青胶结料抗疲劳性能的排序,15、25℃都可以作为试验温度.但是在15℃ 下,除SBR以外,其余6种胶结料的CTOD均值(n=6)较为接近,在随机误差的作用下,若只进行1次试验或试验数量较少的情况下将存在极大的误判风险;25℃下,各沥青CTOD的数值分布较均匀,减小了误判的风险,这一点将在2.3节中进一步深入讨论.

2.2 混合料四点弯曲疲劳寿命测试结果

沥青混合料小梁四点弯曲疲劳试验的结果如表3所示.由表3可见：7个沥青混合料的疲劳循环次数Nf50,除70#-AC13、110#-AC13在950μm/m水平下的数据有波动,其他沥青混合料的疲劳性能基本排序为SBR-AC13≫SBS+0.8%M1-AC13>SBS+0.5%M1-AC13>SBS-AC13>SBS+0.2%M1-AC13≫110#-AC13>70#-AC13.该结果只有SBS-AC13与SBS+0.2%M1-AC13疲劳寿命与CTOD给出的结胶结料疲劳性能评价结果不一致外,其他混合料疲劳性能排序结论与CTOD给出的胶结料性能排序基本相符;4个SBS改性沥青混合料的疲劳寿命远大于2个普通基质沥青混合料,这说明G*·sinδ对SBS改性沥青的疲劳性能存在误判.

表3 沥青混合料四点弯曲疲劳试验结果

综上,CTOD所表征的沥青胶结料抗疲劳性能与沥青混合料的抗疲劳性能的相关度较高,且适用于普通70#沥青、110#沥青、SBS改性沥青和SBR改性沥青;G*·sinδ指标下的排序偏差,根据文献[7,16]推测是由于G*·sinδ指标是在线黏弹性范围内区分不同沥青抵抗疲劳破坏的能力,但对模量较高的SBS改性沥青而言,G*·sinδ小应变的测试方式会导致其测试值过高,从而与对应沥青混合料的疲劳试验结果相关性较差,国内外学者也指出G*·sinδ并不适用于中国广泛使用的SBS改性沥青[1,17].

2.3 温度对CTOD区分度的影响

对4个SBS改性沥青而言,尽管在15、25℃下的CTOD值排序都是正确且相同的,但其在数值分布上却存在较大差异;25℃下4个SBS改性沥青样本的CTOD均值差异巨大,但在15℃下却相差不大;进一步对比图8中2个温度下CTOD的测试误差线的长短可以发现,在考虑误差的影响后,15℃下各沥青胶结料的CTOD测试值范围是有一定交叠的,这意味着当采用15℃下的CTOD值对SBS改性沥青样本的抗疲劳性能进行比较时,若每个沥青样本只进行1次测试或平行测试的量较少,将存在对选用SBS改性沥青样本抗疲劳性能的排序造成误判的可能,即15℃下的CTOD值检验效能较低;而在25℃下,除70#与110#沥青考虑误差后的CTOD测试值范围有一定重叠,其余沥青胶结料的CTOD测试值范围均不在交叠,这说明25℃的CTOD测试值对于沥青胶结料疲劳性能的检验效能更高,拥有更好的区分度.

为量化温度造成的CTOD区分度变化,利用显著性检验方法对4个SBS改性沥青在2个温度下的CTOD数据进行分析.将相同沥青在1个温度下的6次平行试验数据称为1组,设立正假设如下：相同测试温度下,组与组之间测试均值没有显著差异(即在相同温度下,不同沥青的测试均值是相等的).通过双样本异方差下的t检验,比较相同温度下4个SBS改性沥青两两之间测试数据的差异程度,即检验温度对CTOD疲劳性能的区分程度影响，计算在相同温度下不同沥青测试数据的组间p值.CTOD与G*·sinδ数据的显著性分析结果如表4所示.根据推断统计原理：当p<0.001时,认为在该温度的CTOD表征下,可将2个被测沥青的性质极其显著地区分开来,记为***;当0.001≤p<0.01时,认为该指标能将2个被测沥青的性质显著地区分开来,记为**;当0.001≤p<0.05时,认为该指标能将2个被测沥青的性质区分开来,记为*;当p>0.05时,认为该温度下CTOD不能有效地区分2个被测沥青胶结料间的性质差异,其数据差别可能由测试的随机误差引起,记为ns.

表4 CTOD与G*·sin δ数据的显著性检验分析结果

由表4可见：15℃的CTOD针对选用的4个SBS改性沥青样本形成6组相对关系进行区分时,对其中2组(SBS+0.2%M1vsSBS+0.5%M和SBS+0.5%M1vsSBS+0.8%M1)不能做出具有统计意义的区分,对其中1组的区分(SBSvsSBS+0.2%M1)不够显著;25℃的CTOD对于所有沥青胶结料的相对疲劳性能都给出了明确的划分,显著性水平很高,即使在存在随机误差的情况下,对选用沥青胶结料的相对疲劳性能造成误判的可能极小.基于以上实测数据的显著性检验说明25℃下CTOD对沥青胶结料的疲劳性能区分程度更大,划分更明确.

3 结论

(1)CTOD适用于普通70#、110#、SBS改性和SBR改性沥青;与G*·sinδ相比,CTOD给出的评价结果与沥青混合料的疲劳性能有更好的相关性,解决了G*·sinδ不适用于SBS改性沥青的问题.

(2)尽管25℃和15℃下的CTOD测试均值都能对选用的7个沥青胶结料的疲劳性能做出正确评价,但在显著性水平α=0.05的条件下,15℃下的CTOD对其中2个近似SBS改性沥青样本不具有显著性区分,而25℃下的CTOD却对所有沥青胶结料都给出了极其显著(p<0.001)的区分.说明采用25℃下的CTOD评价更具区分度.

(3)CTOD作为沥青胶结料抗疲劳性能评价指标,试验简单,仅需测力延度仪就能实现加载,有较高的推广可能性.针对每类沥青给出符合实际的CTOD控制阈值是今后研究的重点.