湿度对沥青混合料疲劳性能的影响

汪 彪 侯 强 詹 斌 王 栋 谭秀娟 黄 玲

(武汉理工大学交通与物流工程学院1) 武汉 430063) (湖北省公路工程技术研究中心2) 武汉 430063)(湖北省路桥集团有限公司3) 武汉 430056)

0 引 言

沥青路面受到车辆荷载和自然环境(温度和湿度)共同作用，其使用性能不断下降，其中，疲劳开裂是沥青路面的主要病害形式之一[1-2].

外部影响因素对沥青混合料疲劳性能的研究主要是包括荷载、温度和水三个方面.汪福松等[3-5]从荷载作用类型、加载方式以及荷载级别三个角度对沥青混合料疲劳性能进行研究.温度对沥青混合料的疲劳性能的影响主要体现在低温条件下，沥青混合料更容易发生疲劳开裂[6-7].然而，目前有关湿度对沥青混合料疲劳性能的影响相关研究仍较少，且仅仅局限于经过液态水处理与未经水处理后疲劳性能的对比分析.

文中在20 ℃条件下，对两种沥青混合料试件进行不同相对湿度条件(分别为2%，50%，80%及100%)下的单轴重复直接拉伸试验.基于修正帕里斯公式，通过对耗散虚拟应变能(DPSE)和损伤密度(φ)的求解，确定修正帕里斯公式参数，并提出基于修正帕里斯公式参数的疲劳性能评价指标对不同湿度条件下的沥青混合料疲劳性能进行评价.

1 理论基础

1.1 修正帕里斯公式

目前普遍认为最适合描述沥青混合料疲劳开裂特性的疲劳性能表征方程是帕里斯公式[8]，其基本形式为

(1)

该公式描述了沥青混合料中裂缝扩展长度随加载周期的变化规律，能够将裂缝扩展速率与应力强度联系起来.但该公式研究对象是单一裂缝，与实际路面裂缝扩展的多条裂缝现象不符，具有一定的局限性.因此，引入损伤密度对其进行修正，为

(2)

在修正帕里斯公式中，模型参数A和n为与材料特性有关的固有参数，表征损伤发展的速率，参数nJR与损伤密度具有正相关关系，修正帕里斯公式作为沥青混合料开裂性能评价具有较好的代表性.

1.2 公式参数求解方法

假设加载过程中试样沿高度方向的拉伸长度和横截面积的收缩长度忽略不计,JR为

(3)

DPSE=πσ0ε0sin(φ-φLVE)

(4)

式中：φLVE为线性黏弹性阶段的相位角;σ0、ε0、φ为损伤阶段的应力振幅、应变振幅及相位角.

(5)

将式(3)代入式(2)中，可将修正Paris公式变换为以下形式

(6)

式(6)直接描述了损伤发展率与能量变化率间的关系.其中，周期次数N的关系通常通过建立幂函数模型DPSE=aNb进行拟合得到.对式(6)进行变换得到损伤密度，为

(7)

(8)

定义作用于试样完整横截面的应力为实际应力，作用于除空隙外真实材料的应力为表观应力，则损伤密度的求解过程为

(9)

式中：上、下标A为表观参数，上、下标T为实际参数.

结合式(4)和式(9)发现:DPSE和损伤密度φ均与应力振幅相关.为了建立能量DPSE与损伤密度φ间的联系，在此认为沥青混合料在疲劳过程中消耗的能量(表观耗散虚拟应变能，简称DPSEA)与沥青混合料除空隙、裂缝外真实材料在疲劳过程中消耗的能量(实际耗散虚拟应变能，简称DPSET)相等[9]，建立能量平衡方程为

(10)

应力振幅、应变振幅、相位角等参数均可通过试验获得，并计算得到DPSEA.基于式(10)，可得实际应力振幅表达式为

(11)

实际动态模量及相位角均为材料的力学特性，随加载周期不发生变化，可认为是随周期不变量.结合式(10)，将DPSE和φ的拟合模型代入，得到表观应力振幅的拟合模型为

(12)

2 试验设计

2.1 试件制作

试验采用石灰岩SBS改性沥青混合料和辉绿岩SBS改性沥青混合料，参数见表1，合成级配图见图1.

表1 室内成型两种沥青混合料试件材料参数

图1 试件合成级配曲线图

2.2 试件养生

由于文中研究的是湿度对疲劳性能的影响，不考虑温度因素，因此，制备的标准试样养生温度为20 ℃，设备为恒温恒湿箱和真空干燥箱.养生过程中发现试件内部并不能达到0%湿度，最终湿度保持在2%左右，因此将以2%作为真空干燥箱实际养生的湿度.在此基础上，共选取2%、50%、80%以及100%四种湿度水平对沥青混合料试样养生，每个湿度水平下养生数量各五个，养生6个月以上，以保证试样内部水气浓度与箱内的水气浓度达到平衡，养生方案见表2.

表2 湿度养生方案

2.3 单轴重复直接拉伸疲劳试验

试验仪器为多功能材料伺服系统(MTS)，试验温度20 ℃，加载频率1 Hz，试验控制应变水平为10×10-6和100×10-6.进行应变振幅为10×10-6的疲劳试验，间歇15 min，再进行振幅为100×10-6的疲劳试验，加载方案见图2.

图2 加载方案示意图

此外，为了保证试验结果的准确性，试验期间需保证试件位置不作改变.以类型2混合料为例，试样外围包裹聚乙烯薄膜以减少水气的散失，2%相对湿度下试验过程见图3.

图3 石灰岩试件2%相对湿度实验过程图

3 试验结果与分析

3.1 修正帕里斯公式参数统计

在单轴重复直接拉伸试验结果的基础上，由式(8)确定修正帕里斯公式参数，所需模型参数DPSE可由幂函数模型DPSE=aNb拟合得到，表观应力振幅可由式(12)拟合确定.以第一个周期结束后的损伤密度作为初始损伤密度，而后每个周期计算的损伤密度均减去初始损伤密度，计算不同湿度条件下沥青混合料600个周期内的损伤密度增量，见表3.其中，为了保证试验数据的准确性，判定系数低于0.75的试验数据将被舍弃，这些数据将不再用于计算损伤密度增量.

表3 不同湿度条件下的损伤密度增量

3.2 湿度对损伤密度的影响分析

不同湿度条件下与损伤密度增量的关系，见图4.

图4 损伤密度增量随湿度变化柱状图

由图4可知：损伤密度增量随湿度增加呈现出明显上升趋势，同时相比于类型1石灰岩混合料，类型2辉绿岩混合料的损伤密度增量均较大.在相同的加载条件下，湿度越高，沥青混合料疲劳过程中损伤密度的累计程度也会越高，反映为沥青混合料产生更高的损伤度，抵抗疲劳开裂能力则表现更差.

3.3 基于评价指标lg A+n的疲劳性能评价

参数A的对数和n之间存在线性关系，且两者呈现负相关关系.由修正帕里斯公式可知，参数A和n作为评价指标的前提是确定JR的数量级大小.通过JR以及DPSE和表观应力振幅拟合的结果，计算得到JR的值介于10～100，且JR随湿度增大而减小.因此应该满足

(13)

从安全角度考虑，应取较大的值作为评价指标.即当n>0时，评价指标取lgA+2n；当n<0时，评价指标取lgA+n.为了验证评价指标的合理性，以评价指标(本文n<0取lgA+2n)作为横轴，以损伤密度增量作为纵轴，绘制曲线图5.

图5 lg A+n与损伤密度增量关系图

由图5可知：通过指数函数将lgA+n与损伤密度增量关系进行拟合，评价指标与损伤密度增量具有正相关关系.因此说明lgA+n作为损伤密度发展程度的表征具有一定的合理性.

取沥青混合料不同湿度条件下的评价指标lgA+n，结果见表4.统计不同湿度条件下沥青混合料疲劳加载周期内的损伤密度增量，见表5.以表4～5中结果绘制关系图，见图6.

表4 不同湿度条件下的评价指标lg A+n

表5 不同湿度条件下的损伤密度增量 单位：%

由图6可知，评价指标lgA+n及损伤密度增量与试件养生湿度具有较好的正相关关系.湿度对沥青混合料的疲劳性能具有较大的影响，并且，水气从无到有以及从水气到液态水(100%湿度即液态水环境)两个过程对沥青混合料的疲劳性能的影响较为显著.

图6 不同湿度条件下疲劳性能

综上所述，在荷载水平及加载时间相同的条件下，沥青混合料的疲劳性能随湿度的增加愈发降低.同时，有无水气及是否含有液态水的环境对沥青混合料疲劳性能最为显著.因此，可从这两个角度出发，遏制水气在沥青路面内部的积聚以及避免液态水侵入沥青路面内部，降低沥青路面中水的含量，可以使沥青混合料的疲劳性能得到改善，从而提高沥青路面的服役寿命.因此，在工程实际中通过选择水稳定性更优的沥青混合料类型、及时排出路表的液态水、及时性路面养护等措施以提高路面的服役寿命.

4 结 论

1)通过耗散虚拟应变能拟合及表观应力振幅拟合确定了求解修正帕里斯公式参数所需的参数，通过表观应力振幅拟合进一步确定了损伤密度的发展，并以第一个周期后的损伤密度为初始损伤密度，计算了加载600个周期后损伤密度的增加程度.结果发现，湿度增加引起了损伤密度增加程度的增大，导致损伤积累增多，产生了更多损伤.

2)提出采用lgA+n作为评价指标，并验证了评价指标与损伤密度增量的正相关关系，表明评价指标lgA+n可以量化表征沥青混合料的损伤发展率，可作为沥青混合料疲劳性能的评价指标.

3)采用评价指标lgA+n对不同湿度条件下沥青混合料的疲劳开裂性能进行评价，结果发现：湿度的增加引起了评价指标及损伤密度增量的增加.从评价指标看，总体呈现增加趋势，但相对湿度由2%增加至50%时增幅最大.从损伤密度增量看，相对湿度由2%增加至50%及由80%增加至100%时增幅较大.因此，表明了水气的产生和液态水的产生两个过程均对沥青混合料的疲劳性能影响显著.