盐冻融和重复荷载作用下沥青混凝土开裂的细观分析

2021-09-08闫景晨李瀚翔

建筑材料学报 2021年4期

闫景晨, 李瀚翔

(内蒙古工业大学土木工程学院, 内蒙古呼和浩特 010051)

裂缝是沥青混凝土的主要破坏方式之一,对于疲劳开裂而言,材料当中微裂纹的生成与扩展规律是裂缝形成的主要原因.目前国内外的学者大都采用宏观方法进行相关研究,这些方法不能精确地在疲劳荷载全受力过程中分析裂纹扩展的规律特性,只能通过线弹性力学原理及有限的位移传感器进行变形研究,很难在微观层面观测裂纹形态发展,也很难精确掌握裂纹扩展规律.

数字图像相关(DIC)技术使用的是图像对比方法,可以准确测量观测区域内每一点的位移及应变,从而为使用统计研究手段创造了条件.DIC技术由Chu等[1]提出,初期应用于航天技术.至20世纪90年代,随着计算机技术的发展,出现了复杂的变形分析系统和高精度、高频率的数字图像采集技术,使得DIC技术精度不断提高,逐渐扩展应用于包括沥青混凝土在内的材料试验中.Yue等[2]研究了压实度和级配曲线对密级配沥青混凝土混合料中粗骨料取向的影响.Read[2]用DIC技术检测了小梁疲劳过程中的裂纹扩展,并认为DIC技术可以解释小梁开裂机理.Birgisson等[3]使用DIC技术研究了沥青混凝土梁三点弯曲试验中的开裂行为,发现裂纹起始于应变集中度高的区域.Tschegg等[4]使用2台数码相机记录圆盘试件的循环拉伸试验,记录2个面的裂纹扩展长度,并取其平均值进行计算.Safavizadeh等[5]成功地用裂纹长度数据在沥青混凝土上验证了线弹性断裂力学原理，并结合有限元分析,引入节点刚度参数,确定了垂直和水平裂纹尖端的应力强度因子.虽然DIC技术在沥青混凝土研究中已经有一定的应用,但在纤维沥青混凝土和多种环境下的研究还较少.

目前为解决路面开裂问题采用的混合料改性方法主要有沥青改性剂和纤维添加剂.沥青改性剂应用最广泛的为SBS[6],而纤维添加剂中具代表性的是玄武岩纤维,它是一种力学性能非常优异的矿物纤维,同时具有耐酸碱、耐老化、不吸水、工作温度范围大等突出优势[7].

中国北方公路普遍使用融雪剂除雪.作为能源运输的主要途径,公路在冬季承受大量疲劳荷载的同时还需经受融雪剂冻融循环作用,从而使其承受重复疲劳荷载的能力下降.融雪剂冻融循环的作用主要表现在加速沥青混凝土开裂上[8];而根据Narasaiah等[9]的研究,重复荷载对于沥青混凝土的作用大致可分为3个阶段,即疲劳裂纹形成阶段、裂纹稳定扩展阶段和裂纹失稳扩展阶段，其中裂纹稳定扩展阶段是3个阶段中持续时间最长、最能反映材料抵御荷载能力的阶段.

本文选用普通沥青混凝土、玄武岩纤维沥青混凝土、SBS改性沥青混凝土、玄武岩纤维+SBS改性沥青混凝土为研究样本,采用DIC技术从细观角度对重复荷载作用下4种沥青混凝土小梁试件进行全局位移、应变测量,并对其裂缝发展进行时间及空间上的分析;以融雪剂冻融循环作用下裂纹稳定扩展阶段的应变集中速率为指标,研究盐冻融对不同改性沥青混凝土力学性能的影响.

1 试验概况

1.1 沥青指标和集配设计

基质沥青为A级90#道路沥青；SBS改性沥青中的SBS改性剂质量分数为4.5%.2种沥青的基本性能见表1.

表1 沥青基本性能

短切玄武岩纤维技术指标见表2,其表面为非完全光滑状态,能与沥青形成有效黏附[10].玄武岩纤维掺量选用沥青混凝土质量的0.3%[11].

表2 玄武岩纤维的技术指标

依据JTG F40—2004《公路沥青路面施工技术规范》进行级配设计,制作AC-13C沥青混凝土,骨料为玄武岩,矿粉为石灰石矿粉.

根据马歇尔试验结果,以基质沥青、玄武岩纤维+基质沥青、SBS改性沥青、玄武岩纤维+SBS改性沥青为黏结料的4种沥青混凝土最佳油石比(质量分数)分别为4.9%、5.2%、5.6%、5.7%.沥青混凝土小梁试件由JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》中轮碾成型法(T 0703—2011)制作的车辙板试件切割而成,尺寸为250mm×30mm×35mm.

1.2 试验方案

为了测定冻融和重复荷载条件下不同改性沥青混凝土的宏、细观开裂特性,本次试验采用小梁试件,分组使用质量分数不同的融雪剂(盐溶液)进行不同次数冻融循环的试验方法.试验步骤为：小梁试件分组编号→盐溶液保水→冻融循环→散斑制作→三点弯曲多次重复加载→DIC系统图像采集→图像分析与数据处理.

由于涉及的因素及水平较多,为减少试验量,本文采用正交试验设计.目前公路上应用的融雪剂大多数是复合型融雪剂,包含多种成分.为了排除多因素干扰,本文使用了作为融雪剂有效成分的NaCl、CH3COOK、CaCl2进行盐冻融循环试验[12].

为提高试验精准度,考虑沥青混凝土试验数据样本数量问题,在正交表头设计上采用扩大的正交试验表L32(49),并且每组设置3个平行试验,结果取平均值;表头设计上留有3列空列以便进行方差分析[13].正交试验因素及水平见表3.

表3 正交试验因素和水平表

经实际测试,复合盐溶液冻结温度为-20℃左右,考虑到盐冻融破坏方式大多为盐溶液冰晶体刺入破坏,故采用-25℃下冰冻16h、60℃下解冻8h作为1个冻融循环.进行盐冻融循环前,以盐溶液浸泡试件96h[14]的方式保水.

力学试验方法选用应力控制的小梁三点弯曲重复加载,波形为半正弦波,频率为10Hz,选用应力比为0.2对应的加载力最大值0.25kN.试验温度采用沥青混凝土最易疲劳的中温区15℃.

在加载的同时进行数字散斑观测,以确定小梁试件表面各测点实时的位移、位移速率、应变、应变速率.以上压头加载中心为y轴,对基本涵盖所有样本裂缝的区域即y=±20mm范围内以间距1mm 设测点,提取每个测点的各项数据.使用在裂缝周边几个测点取值即范围取值的方法,能够保证区域范围内发生的应力集中均在研究范围内.

2 数据分析基本方法

2.1 极差分析基本方法

(1)

通过极差R可以分析出各作用因素的主次,极差大的因素意味着该因素不同水平指标造成的影响比较大,一般为主要因素;极差小的因素一般为次要因素.值得注意的是因素的主次顺序也与其选取的水平有关,故本试验选取盐溶液种类为因素时,以相同质量分数作为水平.

2.2 评价指标确定

采用以横向拉应变标准差作为损伤因子D[15]，对小梁试件的应变集中程度进行评价.D的计算式为：

(2)

式中：ε为小梁试件在x方向上的拉应变;n为拉应变测点个数.

以一次SBS改性沥青混凝土小梁试验为例,其损伤因子D随重复荷载作用次数N的变化曲线如图1所示.以图1中疲劳裂纹形成阶段 Ⅰ、裂纹稳定扩展阶段Ⅱ和裂纹失稳扩展阶段Ⅲ这3个阶段稳定区域拟合方差最小为原则，得到3条直线L1、L2、L3,并以3条直线的2个相交点横坐标为上述3个阶段的分界点.

图1 损伤因子D随重复荷载作用次数的变化Fig.1 Damage factor D varies with loading times

试验发现,几种小梁试件的D-N曲线都具有图1所示的3阶段特征,抵抗重复荷载作用的主要阶段为阶段Ⅱ.因此，本文以拟合直线L2的斜率K作为评价指标来评价小梁试件抵抗变形速率的性能，即应变集中速率，K的表达式见式(3).

(3)

3 试验结果与数据分析

3.1 沥青混凝土开裂机理分析

图2为DIC拍摄的基质沥青混凝土小梁试件水平应变云图.由图2可以看出基质沥青小梁试件在不同重复荷载次数作用下的应变变化特点.

图2 基质沥青混凝土小梁试件的水平应变云图Fig.2 Horizontal strain cloud picture of matrix asphalt concrete beam

第Ⅰ阶段：如图2(a)所示,此时小梁试件刚开始加载,研究区域内的横向应变分布无规律,数值非常小.主要原因是系统具有噪声,试件并未出现较大变形.当试件进入变形初期后,拉应变迅速在试件下部集中,压应变则在其上部集中,拉应变范围很大,但还是可以分辨出下方一些区域有更集中的应变.这是因为沥青混凝土由不同材料结合而成,其内部有很多天然孔隙和瑕疵,而不同集料的力学性能不尽相同,导致其在相同应力下的应变不同.

第Ⅱ阶段：如图2(b)～(d)所示,此时试件初期变形结束,试件内部应力基本达到平衡,应变集中速率变慢,这个阶段也是最能反映试件抵抗重复荷载能力的过程.N=93次时的最大拉应变约为0.001μm/m,N=3813次时的最大拉应变约为0.040μm/m,这说明由于试件内部微裂纹发展而导致的应变集中程度逐渐加大,已经发生变形的位置会集中更多应力,裂纹会进一步扩展.N=4313 次时宏观裂缝已经形成,应变最大值交替出现在几条主要裂缝尖端.

第Ⅲ阶段：如图2(e)、(f)所示,当N=4646次时，中间的1条裂缝取得竞争优势,其他裂缝则逐渐萎缩,应变值减小，至N=5523次时中间裂缝彻底失稳,试件基本破坏.

3.2 不同材料的3个开裂发展阶段

通过对未施加盐冻融作用的小梁试件进行DIC观测,可得到4种沥青混凝土小梁试件损伤因子D随重复荷载作用次数N的变化曲线,如图3所示.

由图3可以看出：SBS改性剂可以大幅增加沥青混凝土的最大加载次数,但并不能增大沥青混凝土可以承受的最大应变集中程度,说明其作用主要在阶段Ⅰ和阶段Ⅱ,作用对象主要为微裂纹;玄武岩纤维的加入提高了基质沥青混凝土和SBS改性沥青混凝土可以承受的最大应变集中程度及其疲劳寿命,作用对象是一定宽度内的宏观裂缝和微裂纹,其可以与SBS改性剂形成互补性;含玄武岩纤维的2种沥青混凝土在进入阶段Ⅲ后曲线波动比较大,说明玄武岩纤维在达到临界应变时会瞬间断裂或失效.根据试验结果,对4种沥青混凝土小梁试件在3个阶段的重复荷载次数NⅠ、NⅡ、NⅢ进行统计,结果见表4.

图3 4种沥青混凝土小梁试件的D -N曲线Fig.3 D -N curves of four kinds of asphalt concrete beam

表4 4种沥青混凝土小梁试件3个阶段重复荷载次数统计表

由表4可见：与普通沥青混凝土小梁试件相比,玄武岩纤维沥青混凝土小梁试件在各阶段的重复荷载次数增加,尤其是阶段Ⅱ增加了28.4%;与SBS改性沥青混凝土小梁试件相比,玄武岩纤维+SBS改性沥青混凝土小梁试件的重复荷载次数增加了37.0%.显然,玄武岩纤维与SBS复掺可使普通沥青混凝土增加更多的寿命,说明玄武岩纤维的增强作用不仅与自身力学性质有关,也与沥青混凝土中其他成分的力学性质有关.

从各阶段重复荷载次数所占比例来看,玄武岩纤维沥青混凝土与普通沥青混凝土在阶段 Ⅰ 差别不大,均在2%左右,说明玄武岩纤维在阶段 Ⅰ 并未起太大作用;玄武岩纤维沥青混凝土在阶段Ⅱ的占比减小而阶段Ⅲ的占比增加,说明玄武岩纤维阻止了裂缝的过快蔓延,在加速开裂状况下增加了材料的延性.

3.3 不同盐溶液对3个开裂发展阶段的影响

为了研究不同盐溶液(NaCl、CH3COOK、CaCl2)对开裂关键时间点的影响,选择盐溶液质量分数9%,冻融次数5次为固定参数,对玄武岩纤维沥青混凝土小梁试件施加重复荷载,可得到不同盐溶液作用下玄武岩纤维沥青混凝土小梁试件的D-N曲线,见图4.

图4 盐溶液对玄武岩纤维沥青混凝土的作用Fig.4 Effect of salt solutions on basalt fiber asphalt concrete

由图4可以看出：经不同盐溶液处理后的小梁试件寿命有不同程度的下降,说明融雪剂对玄武岩纤维沥青混凝土有一定的破坏作用,并且3种盐溶液都在不同程度上降低了玄武岩纤维沥青混凝土可以承受的最大应变集中程度,即损伤因子D;经盐溶液处理后,阶段 Ⅱ的切线斜率变大,反映出此次试验融雪剂的破坏速率排序为CaCl2>NaCl>CH3COOK.另外还可看出,融雪剂影响越大,阶段Ⅱ与阶段Ⅲ的界限越明显,在加速开裂阶段的开裂速率越快,从而使材料更易发生脆断,说明融雪剂可以加大路面的破坏速率并且使开裂时间点提前.

3.4 多种沥青黏结料的对比分析

3.4.1极差分析

按照表3的试验设计进行不同因素和水平的正交试验.根据正交试验所得极差,得到各因素的排序如下：沥青混凝土材料种类>冻融循环次数>w(CaCl2)>w(NaCl)>w(CH3COOK);各因素对K值的影响见图5.

图5 各因素对K值的影响Fig.5 Influence of each factor on K value

由图5(a)可知：对于沥青混凝土种类而言,在阶段Ⅱ,SBS改性沥青混凝土、玄武岩纤维+SBS改性沥青混凝土的应变集中速率都大幅小于普通沥青混凝土和玄武岩纤维沥青混凝土;掺加玄武岩纤维的沥青混凝土与不掺玄武岩纤维的沥青混凝土相比,其抵抗应力集中的能力有进一步的提升.这说明在盐溶液质量分数相同、冻融循环次数相同的条件下,玄武岩纤维可以在不同沥青环境中起到加强材料抗疲劳性能的作用.另外,冻融循环次数也是影响沥青混凝土应变集中速率的一大因素,随着冻融循环次数增加,材料性能降低、应变集中加速.原因主要是盐溶液结冰过程中体积膨胀,结晶刺入沥青混凝土造成破坏,当冰融化时盐溶液渗入裂缝更深处而造成了更大的微裂缝.

由图5(b)可知：NaCl与CaCl2溶液质量分数对几种沥青混凝土应变集中速率的影响差别不大,均是随着两者质量分数的增大而增大;CH3COOK溶液质量分数的影响较小而且不规律.融雪剂的侵蚀作用主要在于融雪剂溶于水后电离出的K+、Na+、Ca+和Cl-极性很强,比沥青对集料有更强的吸附能力.当水的冻胀力在沥青混凝土中造成裂缝后,上述离子将与沥青对新形成的集料界面进行抢夺吸附,产生剥离作用,引起黏结力下降;并且离子与集料的结合表面能更低,比沥青与集料的结合更紧密,从而减小了沥青混凝土的自愈合效应.

3.4.2方差分析

首先由《概率论与数理统计教程》[16]中查表得到各级检验统计量F的临界值F0.05(3,27)=2.96,F0.025(3,27)=3.65,F0.01(3,27)=4.60;经过计算,w(NaCl)、w(CH3COOK)、w(CaCl2)、沥青混凝土种类、冻融循环次数的F值分别为6.638、2.560、8.812、91.362、15.755.再与各条件下的F值对比,进行正交试验结果方差分析.结果可得w(CH3COOK)的检验统计量F小于临界值F0.05(3,27),说明其作用并不显著,其他各因素则均有显著作用.