基于耗散能方法評價硬質瀝青混合料抗疲勞性能

楊 光， 王旭東,2， 時敬濤

(1.哈爾濱工業大學 交通科學與工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150090；2.交通運輸部公路科學研究院， 北京 100088； 3.中石油燃料油有限責任公司研究院， 北京 100010)

高模量瀝青混凝土在歐洲尤其是法國應用十分廣泛，其在改善路用性能方面取得了很好效果[1].實現混凝土的高模量通常有2種方法：摻加高模量劑或使用硬質瀝青.相比高模量劑，硬質瀝青的質量更容易控制，且價格較低.通常把針入度為20～50(0.1mm)的瀝青稱為硬質瀝青.作為一種針入度小、黏結力強的基質瀝青，硬質瀝青與礦料拌和后生產出的瀝青混合料具有較高的模量，可有效提高路面的高溫穩定性，減小路面車轍的發生[2].同時，有研究表明硬質瀝青混合料的水穩定性也較好[3].

盡管硬質瀝青混合料有以上優勢，但由于瀝青延展性的問題，其低溫性能和疲勞性能尤其值得關注.通常認為硬質瀝青混合料的低溫性能不足，低溫彎曲蠕變試驗的極限彎拉應變較低，在混合料設計時需要滿足規范中不同區域的要求[4].而對于硬質瀝青混合料的疲勞特性，由于試驗方法和分析角度的不同，結論也不完全一致.有研究認為硬質瀝青混合料具有很好的抗疲勞性能.孫亦純等[5]發現采用應力控制模式下的硬質瀝青混凝土疲勞壽命明顯大于普通瀝青混凝土.劉朝暉等[6]發現高黏度硬質瀝青混合料疲勞壽命在相當于應力控制的APA(瀝青路面分析儀)試驗中表現優異，其壽命比普通重交瀝青混合料疲勞壽命平均增長42%，也比一般的改性瀝青混合料平均增長24%.劉宏富等[7]對4種瀝青混合料進行了三點彎曲對比試驗，發現A-30硬質瀝青混合料的疲勞壽命更高.然而，也有分析認為，高模量瀝青混合料的使用影響了路面的疲勞壽命.周慶華等[8]針對帶裂縫的半剛性基層高模量瀝青混凝土面層的結構形式進行了研究，發現反射裂縫的應力強度因子隨高模量層的增加而提高，在疲勞斷裂參數不改變的情況下，瀝青路面的疲勞壽命將降至原壽命的74.6%.同樣，如采用應變控制模式進行疲勞試驗，硬質瀝青混合料的抗疲勞性能并不理想.因此，對硬質瀝青混合料來說，試驗方法和評價指標均會對其抗疲勞性能結果產生重要影響.

鑒于此，本文結合工程中實際使用的硬質瀝青混合料，采用室內四點彎曲疲勞試驗方法，選取了2種荷載控制模式和不同試驗溫度，對硬質瀝青混合料的抗疲勞性能進行了全面比較與評價.

1 試驗

1.1 原材料與設備

1.1.1原材料

瀝青選用新疆克拉瑪依生產的30#硬質瀝青和山西宇通高速路面材料有限公司生產的SBS改性瀝青.2種瀝青的技術指標見表1.

表1 30#硬質瀝青和SBS改性瀝青技術指標

在實體工程中硬質瀝青混合料用于下面層，改性瀝青混合料用于表面層，因此直接選取了硬質瀝青混合料SAC25-30#和改性瀝青混合料SAC16-SBS為研究材料.對2種瀝青混合料分別進行配合比設計，最終得到生產級配，見表2.

表2 SAC25-30#和SAC16-SBS瀝青混合料生產級配

1.1.2試驗設備

疲勞試驗通常有3種：試驗路、加速加載試驗和室內小尺寸試件試驗.前2種試驗盡管與路面實際狀況接近，但由于設備昂貴、周期較長，通常難以實現；室內疲勞試驗技術因較為成熟、操作更為簡易，已成為測試瀝青混合料抗疲勞性能的主要技術，其有很多種類，如彎曲試驗、直接拉伸試驗、間接拉伸試驗、三軸試驗、斷裂力學試驗和輪轍試驗等.

在綜合分析了上述各試驗方法的優缺點后，本文最終選用四點彎曲疲勞試驗方法.試驗采用UTM-100型材料試驗機的獨立伺服氣動四點彎曲小梁測試儀來進行瀝青混合料小梁試件的疲勞試驗.試件采用輪碾法成型，然后用巖石切割機將車轍板切割為64mm×51mm×380mm的棱柱形小梁；再選取密度均值在1.5倍標準差范圍內的試件備用，以減少因成型試件的不均勻性對試驗結果的影響；通過調整應力、應變水平，控制疲勞壽命Nf為103～106次，使得疲勞曲線更為可靠.試驗中可采集的主要數據有最大拉應力/拉應變、相位角、勁度模量、耗散能和累計耗散能等.

1.2 試驗

1.2.1試驗溫度

通常疲勞試驗選取的溫度為15℃或者20℃.由于瀝青混合料是一種溫度敏感性材料，且硬質瀝青隨溫度降低，延展性降低顯著.為了分析硬質瀝青混合料在不同溫度下的抗疲勞特性，綜合考慮設備的技術參數(負溫目前無法實現)，本文最終選取了20，15，5℃這3個溫度，來比較2種瀝青混合料在常溫和較低溫度下抗疲勞性能的差異.需要注意的是，試件在進行試驗前需在試驗溫度下保持恒溫4h以上，以確保試件內部達到試驗所需溫度.

1.2.2荷載控制模式

在疲勞試驗中，荷載控制模式分為常應力控制模式和常應變控制模式(簡稱應力控制模式和應變控制模式)，其對于不同勁度瀝青混合料的疲勞壽命會產生顯著影響.通常認為，在應力控制模式下，勁度模量大的瀝青混合料具有更好的抗疲勞性能；而應變控制模式對于勁度模量小的瀝青混合料更有利.從能量耗散的角度來說，它們的變化趨勢不同：應力控制模式下應變逐漸增大，每個周期的耗散能逐漸增加；而應變控制模式下應力逐漸減小，每個周期的耗散能逐漸減小，這就造成了材料疲勞損傷的歷程不同.

在實際路面中，材料受到的車輛荷載作用既不是完全的應力控制模式，也不是完全的應變控制模式，而是更接近應力逐漸減小、應變逐漸增大的過程.有研究以路面的厚度作為控制模式的分界線，認為面層厚度大于12.6cm時，由于基層剛度相對較小，荷載重復作用使面層應變增長較快，以致最后迅速增大而出現路面破裂，這一過程比較符合應力控制模式；當面層厚度小于12.6cm時，因面層較薄而更符合應變控制模式[9].這一觀點有一定的合理性，可操作性也很強，但是忽視了瀝青混合料勁度的影響.如硬質瀝青混合料這種勁度較高的材料，可能路面厚度并未達到這一臨界值，但是單獨以應變控制模式去評價其抗疲勞性能也是值得商榷的.

大量文獻在研究瀝青混合料的疲勞問題時，從不同角度說明了應力和應變控制模式均具有一定的合理性[10-13].文獻[14]表明材料在應變控制模式下的疲勞壽命是應力控制模式的2.4倍.對于相同材料，如采用不同的控制模式來評價其抗疲勞性能的，有可能就會得到截然相反的結果，這需要從疲勞試驗方法和原理上進行研究.

2 試驗結果與分析

2.1 疲勞壽命破壞標準的選擇

在疲勞試驗中，隨著荷載作用次數的增加，瀝青混合料勁度模量逐漸衰減，累計耗散能逐漸增加.通常在應力控制模式下，以試件斷裂對應的次數作為其疲勞壽命；在應變控制模式下，把試件勁度模量衰減到50%時對應的作用次數作為其疲勞壽命，這一標準較為簡便，但是50%這個數值具有一定隨意性，并不能完全反映材料的疲勞損傷臨界狀態.

本文采用了2種控制模式，如采用不同的疲勞破壞標準，試驗結果將無法進行橫向比較，也無法統一.試驗中遇到以下幾種情況：(1)在較低溫度下，采用應力控制模式時試件勁度模量未衰減到50%就發生了破壞；(2)硬質瀝青混合料試件在 5℃ 時，采用較大的應變水平，會直接發生斷裂；(3)小應力/應變情況下，很難達到勁度模量的50%.這些情況均不能采用50%勁度模量或者試件斷裂作為疲勞破壞標準.針對這些情況，本文借鑒了美國材料與試驗協會ASTM 7460 “Standard test method for determining fatigue failure of compacted asphalt concrete subjected to repeated flexural bending”規范中的NM曲線(規格化模量×次數-次數曲線)峰值作為疲勞壽命的方法，其表達式見式(1)：

(1)

式中：NM為規格化模量×次數；S0和N0為初始勁度模量和對應的作用次數(通常為第50周期)；Si和Ni為荷載作用i次時的勁度模量和作用次數.

在疲勞試驗中發現NM曲線與勁度模量衰減曲線密切相關，而且NM曲線的峰值點恰好對應了材料損傷從平穩擴展到加速破壞的臨界狀態.無論是應力控制模式還是應變控制模式，NM峰值點均能很好地表征材料的臨界損傷狀態，同時避免了不同控制模式在損傷加速擴展階段的差異，將2種控制模式進行了有效的統一.這與采用50%初始勁度模量對應的疲勞壽命相比，物理意義更為明確.因此本文疲勞試驗結果均采用NM峰值所對應的載荷作用次數作為試件的疲勞壽命.

2.2 疲勞曲線

圖1為2種瀝青混合料在不同溫度、不同控制模式下的單對數疲勞曲線.

圖1 SAC25-30#和SAC16-SBS瀝青混合料疲勞曲線Fig.1 Fatigue curves of asphalt mixture SAC25-30# and SAC16-SBS

由圖1可以看出:不同溫度和不同控制模式下，2種瀝青混合料的疲勞性能差異明顯.采用應變控制模式時，在不同溫度情況下，SAC16-SBS的抗疲勞性能均優于SAC25-30#,但這種差異隨著溫度的降低有減小趨勢，5℃時2種混合料的疲勞曲線非常接近.這一結果表明，SAC16-SBS的黏彈性更好，隨著溫度降低，2種瀝青混合料的黏彈性均有所減弱.采用應力控制模式時，2種瀝青混合料20℃的疲勞性能存在交叉，在較大應力水平情況下，硬質瀝青混合料的疲勞性能更優；15℃時SAC16-SBS的疲勞性能更好，5℃時SAC25-30#的疲勞性能更好.結果表明，應力控制模式對于評價勁度模量較高的瀝青混合料十分有利.

2.3 累計耗散能-極限比

顯然，表象法只能對比同一控制模式下、某個溫度時2種瀝青混合料的疲勞性能，結果的差異性導致不能最終確定瀝青混合料疲勞性能的優劣.有研究提出耗散能的概念，認為累計耗散能Wf和疲勞壽命Nf具有很好的相關性(見式(2))，并進行了試驗驗證[15-17].

(2)

式中:A和Z均為系數.

累計耗散能可以將應力控制和應變控制2種模式有效地結合起來，統一評價材料的疲勞壽命.本文將2種瀝青混合料在不同溫度下的累計耗散能曲線進行了對比，結果見圖2.

圖2 不同溫度下的累計耗散能Wf曲線Fig.2 Accumulative dissipated energy curves at different temperatures

由圖2可以看出，20℃時相同疲勞壽命下SAC16-SBS的累計耗散能大于SAC25-30#，且隨著溫度的降低，2條曲線逐漸接近，在5℃時幾乎重合.然而，由于不同瀝青混合料的黏彈特性和剛度存在差異，其耗散能的特征各不相同，甚至相同材料在不同溫度下的耗散能都有很大差異，如果單獨比較瀝青混合料的累計耗散能，其結果會受到不同程度的干擾.在水泥混凝土疲勞性能分析過程中，通常使用應力強度比的概念，將應力水平與彎拉強度的比值作為疲勞曲線的橫坐標，這樣不同材料的疲勞性能能夠更好地進行比較.水泥混凝土強度較高，作為承重結構，采用應力控制模式進行疲勞試驗具有合理性，而瀝青混合料在路面中更接近何種受力模式并不確定.因此本文在進行疲勞試驗時，首先對2種瀝青混合料進行了四點彎曲強度試驗，結果見表3.以此來分析不同瀝青混合料在黏彈特性和剛度上的差異.

表3 四點彎曲強度試驗結果

由表3可以看出：2種瀝青混合料的極限彎拉應力σmax和極限彎拉應變εmax差異十分明顯，常溫下，硬質瀝青混合料SAC25-30#的極限彎拉應力更高，而極限彎拉應變處在一個很低的水平.如果采用應變控制模式去評價它的抗疲勞性能，顯然低于改性瀝青混合料.同樣，隨著溫度降低，改性瀝青混合料的強度逐漸增加，而極限彎拉應變卻逐漸減小，如果采用應變控制模式，其抗疲勞性能也會逐漸減弱；而采用應力控制模式，其抗疲勞性能會得出相反的結果.由此可見，瀝青混合料的黏彈性差異導致了單獨采用累計耗散能這一指標來評價材料的抗疲勞性能時，會造成評價結果不具有客觀性.而對于同種材料不同溫度或者同一溫度不同種材料來說，其極限彎拉應力或極限彎拉應變這一閾值，決定了疲勞試驗中的應力或應變水平對該材料疲勞損傷實際程度的大小.換言之，累計耗散能的大小不能完全反映材料抗疲勞性能的差異，該差異應該與上述閾值相關.材料的應力應變水平越接近這一閾值，說明其損傷的程度越大.所以，本文引入了極限彎拉應力×極限彎拉應變閾值(σmax×εmax)的概念，對累計耗散能進行修正，采用累計耗散能-極限比WfR這一指標來客觀反映瀝青混合料的疲勞性能，見式(3).

WfR=Wf/(σmax×εmax)

(3)

σmax×εmax數值越大表示瀝青混合料抵抗荷載和變形的能力越強.WfR相當于把累計耗散能指標進行了歸一化，便于不同材料之間的疲勞性能比較，同時把不同控制模式下材料的疲勞性能進行了統一.由此，重新建立WfR和疲勞壽命的關系，見圖3.

圖3 不同溫度下的WfR曲線Fig.3 WfR curves at different temperatures

由圖3可以看出，WfR曲線更為直觀地反映了2種混合料在不同溫度下的抗疲勞性能.在20℃時，隨著疲勞壽命的增長，SAC25-30#的WfR逐漸小于SAC16-SBS，說明在20℃時SAC25-30#的抗疲勞性能更優；15℃時2條曲線十分接近，在 5℃ 時SAC25-30#的WfR明顯超過了SAC16-SBS，說明隨著溫度降低，SAC25-30#的抗疲勞性能有減弱的趨勢.這一結果表明硬質瀝青混合料在常溫情況下，隨著服役壽命增加，抗疲勞性能更優，更具耐久性；隨著溫度的降低，瀝青延展性下降對硬質瀝青混合料抗疲勞性能產生了不利影響.

3 結語

(1)采用表象法分析時，硬質瀝青混合料和改性瀝青混合料在不同控制模式和溫度下的抗疲勞性能各有優勢，說明控制模式對瀝青混合料抗疲勞性能的評價有很大影響.

(2)基于耗散能理論，采用累計耗散能這一指標進行瀝青混合料抗疲勞性能評價時，可以將應力和應變2種控制模式統一起來，分析材料在不同溫度下抗疲勞性能的差異.結果表明，在20℃時相同疲勞壽命下，硬質瀝青混合料的累計耗散能更小，說明其抗疲勞性能更好；隨著溫度的降低，硬質瀝青混合料與改性瀝青混合料的累計耗散能曲線逐漸接近，5℃ 時趨于重合，兩者抗疲勞性能并無明顯差別.

(3)由于受材料黏彈特性和剛度差異的影響，采用耗散能指標評價瀝青混合料抗疲勞性能存在一定的局限性，因此引入了極限彎拉應力和極限彎拉應變這2個參數，提出了累計耗散能-極限比WfR這一指標對累計耗散能Wf進行了修正.硬質瀝青混合料在20℃時的WfR更小，具有更好的抗疲勞性能；在較低溫度下，WfR明顯增大，說明其抗疲勞性能有明顯衰減的趨勢.這一指標為評價硬質瀝青混合料的抗疲勞性能提供了參考.

(4)本文只分析了如何通過室內試驗來客觀評價硬質瀝青混合料的抗疲勞性能.材料在路面結構中實際的抗疲勞性能還需要采用其他手段進行進一步研究，同時WfR指標的適用性及可靠性還需加以完善.