基于CMOD法和LLD法的沥青混合料抗裂性能评价研究

2022-01-12莫达有

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2021年6期

莫达有

(广东交科检测有限公司广州 510420)

0 引言

开裂是沥青路面的主要破坏形式之一，开展沥青混合料的抗裂性能研究，提出简单、准确的室内试验方法及评价指标，以区分不同混合料的抗裂性能，对于提高沥青混合料的路用性能意义重大.

国内外学者提出了多种方法评价沥青混合料抗裂性能.美国战略公路研究计划(SHRP)[1]开发了温度开裂预测系统，并将J积分作为评价指标.郝培文等[2]提出使用低温抗裂系数ρ以评价沥青混合料抗裂性能.我国规范则采用低温弯曲试验得到的破坏应变作为评价低温性能的指标.但随着断裂力学在道路工程领域中的应用，部分学者提出通过断裂能来评价沥青混合料抗裂性能，典型的试验方法包括半圆弯曲试验(SCB)和圆盘拉伸试验(DCT)等[3-4].罗培峰[5]基于SCB试验研究了温度和切口深度对沥青混合料抗裂性能的影响.Wagoner等[6]采用DCT试验评价了沥青混合料低温性能.陈正伟等[7]基于SCB试验研究了老化对再生沥青混合料抗裂性能的影响.陈正伟[8-9]等还采用韧性指数和柔度指数表征沥青混合料的断裂性能.

现有研究表明:从能量的角度通过计算断裂能以评价沥青混合料低温抗裂性能，得到众多学者的青睐.但计算断裂能的试验方法较多，计算原理差异较大，同种材料、不同试验方法得到的断裂能结果相差较大.却少有学者开展不同试验方法的差异对比及适用性评价研究，而提出便捷、准确评价沥青混合料抗裂性能的试验方法和评价指标.

基于此，文中从受力机制角度对比分析各种测试方法的原理及优劣性，确定力学原理明确作为计算准确断裂能的原则，将开口位移更改为与荷载加载同方向的竖向线位移(LLD)，提出采用荷载P与LLD包络曲线面积来计算沥青混合料的断裂能，并选用AC-10、AC-13和AC-16三种沥青混合料同时进行SCB和DCT试验，比较不同试验方法计算的断裂能，以验证所提出计算断裂能方法的合理性.在此基础上，进行了不同温度下的改进SCB试验，给出推荐的区分不同沥青混合料断裂特性的最佳试验温度，确定采用SCB试验为主体、P与LLD包络曲线面积来计算断裂能的试验方法及试验温度的整套试验方法.

1 沥青混合料断裂能测试方法

常见的试验断裂能测试方法主要有圆盘拉伸试验(DCT试验)、半圆弯曲试验(SCB试验)、间接拉伸试验和小梁弯曲试验[10].各试验方法的示意图见图1.

图1 各试验的试验图(单位：mm)

四种不同试验方法的对比分析见表1.

表1 不同试验方法对比

间接拉伸试验沿试件直径方向进行测试，应力状态复杂且与实际受力状态相差甚远，评价指标(应变、劲度模量)规律性较差；小梁弯曲试验通过预设裂缝来模拟沥青混合料的抗裂性能，但预制裂缝精确度对试验结果影响较大，且没有综合考虑沥青混合料的强度、变形、松弛等特性[11].

DCT试验试件制作比较复杂，试验装置要求高；SCB试件制作简单，更为便捷.DCT和SCB均是通过计算断裂能来评价沥青混合料的断裂特性，但两种试验的断裂能计算机理完全不同.DCT试验受力模式为垂直于裂缝路径对试件施加直接张力，而SCB试验是通过作用于试件顶部的荷载弯曲试件，从而沿着裂缝尖端产生间接张力使裂缝扩展.

在物理学中，功被定义为作用在物体上的力乘以作用点在力的方向上的位移[12-13]，为

W=F×d

(1)

式中：F为作用在物体上的力，N；d为位移，mm.

在DCT和SCB试验中，通常采用施加在试件上的力和开口位移(crack mouth opening displacement，CMOD)的乘积来表征断裂能.但由上文分析可知，对于DCT试验，通过加载孔向试样施加拉伸载荷，并在施加载荷的相同方向上测量得到CMOD.因此，作用在物体上的力和位移方向一致，两者的乘积便是所做的功，采用该功定义断裂能，其物理意义明确.

对于SCB试验，开口位移方向与加载力的方向不一致，两者的乘积只能称之为形式上的功，该功与能量的基本定义不符，并非真正意义的断裂能，准确性较低.因此，可以推断DCT和SCB试验测得的断裂能相差较大.

综上，DCT试验中断裂能物理意义明确，试验结果准确，但试件制作方法复杂，开展试验困难；SCB试验试件制作简单，但其断裂能的定义不符合功的定义.因此，本文结合两个试验方法的优点，基于SCB试验方法不变，定义线位移(load-load line displacement，LLD)为荷载P为加载始、终试件的总竖向位移，提出采用荷载P与线位移LLD的乘积来计算沥青混合料的断裂能，试验图见图2.

图2 荷载-线位移(LLD)试验图示

由图2可知，试验过程中记录施加在试件上的力与力的位移曲线，力的方向与位移方向一致，优化了原试验方法中力与位移方向不一致而带来的诸多问题，确保了计算得到断裂能的准确性.

2 方案设计

2.1 试验思路

约定：将DCT、SCB试验得到的荷载-裂缝张开位移曲线分别简称为CMOD-DCT、CMOD-SCB，将SCB试验得到的荷载-线位移曲线简称为LLD-SCB.

1) 有效性验证为充分验证所提出试验指标的有效性，对AC-10、AC-13、AC-16三种不同混合料在相同温度下分别进行SCB和DCT试验.进行SCB试验时，同时记录CMOD-SCB及LLD-SCB；进行DCT试验时，记录CMOD-DCT.

基于DCT和SCB的试验得到的荷载-裂缝张开位移曲线与荷载-线位移曲线面积不能直接比较的问题，考虑到两种试验的韧带长度不同，仍可通过采用荷载-裂缝张开位移曲线、荷载—线位移曲线面积下的面积(断裂功)除以韧带面积来计算每种沥青混合料的断裂能，断裂能Gf计算方法为

(2)

式中：Gf为断裂能，N/m；A为荷载-位移曲线图所包围的面积，荷载所做的功，J；b为试件宽度，mm；h为试件高度，mm；a为预制切缝长度，mm.

从而对比三种不同混合料在不同试验方法下计算得到的断裂能.

2) 合理的试验温度确定开展不同温度下的LLD-SCB试验，根据位移曲线计算断裂能，以确定能明显区分不同沥青混合料的开裂性能的试验温度.

2.2 试验内容

1) 选用花岗岩集料，石灰岩矿粉采用AC-10型、AC-13型和AC-16型三种级配沥青混合料，设计孔隙率为4%，根据马歇尔试验确定沥青最佳用量，分别为4.8%、4.6%和4.7%.各材料级配见表2.

表2 沥青混合料合成级配

2) SCB试验试件制作采用旋转压实成型三种级配下的沥青混合料圆柱体试件，并对称切割成半圆柱型，高度50 mm、厚度25 mm，在半圆形试件底部中间切缝，长度10 mm.在-12 ℃下进行试验，采用万能试验机采集数据.三种级配下的沥青混合料均进行三组平行试验.

3) DCT试验试件制作采用旋转压实成型三种级配下的沥青混合料圆柱体试件，将试件切割成圆盘型，圆盘直径150 mm、厚度50 mm.距离圆盘圆心35 mm处，对称钻取直径25mm的小孔，预切缝长度50 mm.试验温度为-12℃，采用MTS试验机以1.0 mm/min 的速率破坏试件并记录数据.三种级配下的沥青混合料均进行三组平行试验.

3 试验结果及分析

3.1 评价指标有效性

不同试验方法时各沥青混合料断裂能见图3.由图3可知：不同试验方法测得的沥青混合料断裂能规律基本一致.相同条件下，AC-16沥青混合料断裂能最大，AC-10沥青混合料断裂能最小；CMOD-SCB法测量计算得到的断裂能在421.4～541.8 N/m；LLD-SCB法测量计算得到的断裂能在337.4～395.3 N/m；CMOD-DCT法测量计算得到的断裂能在302.7～365.0 N/m.同时三种不同沥青混合料在三种方法下测量得到的断裂能范围较窄，尤其是CMOD-DCT和LLD-SCB的测量结果，难以明显区分不同沥青混合料的开裂性能.

图3 不同试验方法时各沥青混合料断裂能

为进一步对比试验结果，分别将CMOD-SCB法和LLD-SCB法计算得到的断裂能除以CMOD-DCT法计算得到的断裂能，计算结果见图4.

图4 不同试验方法计算所得断裂能对比结果

由图4可知:沥青混合料的类型不同，两种试验方法的断裂能之比也不同.CMOD-SCB法约比CMOD-DCT法计算得到的断裂能高30%，LLD-SCB法则和CMOD-DCT法的计算得到的断裂能值十分接近，这是因为CMOD-SCB法是通过测量间接位移计算得到断裂能，而CMOD-DCT法、LLD-SCB法则均是通过计算直接位移得到断裂能.因此，这些比率揭示了通过加载应力对位移的直接和间接测量之间的差异.此外，LLD-SCB法和CMOD-DCT法断裂能计算数值的微小差异，可能是由于荷载类型、DCT试验中荷载施加点和位移测量点的间距等因素造成的.

综上，LLD-SCB试验方法试件制作简单，且计算结果准确，断裂能与荷载施加方向相同，也可以反映试件在测量过程中的弯曲过程，是测量计算断裂能的最佳方法.但是，SCB试验中荷载—线位移曲线难以体现裂缝扩展路径，因此在描述裂缝尖端特征和裂缝扩展行为的研究中，仍应当采用荷载—裂缝张开位移曲线.

同时，考虑到低温下测量得到的LLD-SCB断裂能范围较窄，难以反映不同沥青混合料的开裂性能，进一步修改和调整试验参数，分析温度对区分沥青混合料断裂能的影响.