常應力條件下老化瀝青抗疲勞性能研究

楊凱呂 姜立帥 范森勇

摘要：文章以動態剪切流變試驗（DSR）為基礎，采用應力控制模式，討論老化瀝青在無間歇正弦加載條件下的疲勞壽命問題，列出四種疲勞參數Nf50、NDR、Np、Np20在相同荷載作用下的疲勞壽命。研究發現：老化瀝青常應力疲勞的累積破壞過程中，其復數模量的降低呈現倒“S”型，且“S”的拐點，即為疲勞加速破壞的起點，標志著瀝青微小損傷開始形成貫穿裂紋;老化瀝青疲勞壽命隨著應力的增大會顯著降低，且Nf50、NDR兩種疲勞壽命明顯高于Np、Np20。

關鍵詞：老化瀝青;疲勞壽命;疲勞參數;應力控制

0 引言

瀝青混凝土路面主要是由瀝青膠漿與集料膠結組成。瀝青膠漿是一種粘彈性材料，具有很強的溫度敏感性，因此在低溫環境中的微小變形將會難以恢復，經過積累容易形成微裂縫，最終貫穿路面形成宏觀的疲勞裂縫[1-3]。對于老化瀝青疲勞的研究方法很多，目前應用最廣泛的手段就是基于動態剪切試驗（DSR）的評價方法[4]，也衍生出很多評價指標，如G*·sinδ，Nf50，Np，Np20，NDR，NDER等。以上評價指標均能作為評價瀝青疲勞壽命的指標，但部分指標離散性較大，對瀝青的種類有很強的依賴性，不能廣泛推廣和應用。單麗巖博士研究發現瀝青的疲勞性能隨著應力的增大而降低，當控制應力較大時，模量隨著荷載作用次數的增加而減小;當控制應力較小時，出現硬化現象[5-6]。本研究擬采用動態剪切試驗獲取相關參數，以累計耗散能比（DER）和耗散能變化率（DE）為疲勞性能指標，研究老化瀝青的疲勞損傷規律。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本研究中老化瀝青來源為重慶市某高速公路銑刨路面破碎回收舊瀝青，經過三氯乙烯溶液離心抽提，旋轉蒸發得到。瀝青材料的相關性能參數見下頁表1。回收舊瀝青紅外光譜檢測結果見下頁圖1，官能團解析情況見下頁表2。在紅外光譜圖中965 cm-1處未發現明顯振動，說明該瀝青不含有聚丁二烯雙鍵振動，即該瀝青并非SBS改性瀝青。根據紅外光譜檢測和該標段設計、施工資料顯示，該瀝青為中交70#基質瀝青。

1.2 試驗原理及方法

動態剪切流變儀法（DSR）是美國SHRP計劃中用來評價瀝青高溫性能和疲勞性能的常用手段。其原理是施加一個應力σ=σ0·sinωt，瀝青樣品將會產生一個相應的應變：γ=γ0sin（ωt+δ），但由于瀝青是一種非牛頓體，具有明顯的粘彈性特征。雖然其角頻率相同，但其應變相對于應力會出現一個相對滯后，滯后的相位為δ。對于純黏性材料其相位角δ=90°，對于純彈性材料其相位角δ=0°，即應變與應力同時產生同時結束，不會產生任何延遲和滯后效應。在剪切試驗中存在復數剪切模量G*，其本質是應力與應變的比值。即：

式中，G*由實部G′和虛部G′′構成;G′表示在正弦模式下被存儲并且能夠釋放出來，用于恢復變形的部分模量又被稱為彈性模量或存儲模量;G′′表示應力作用下，由于內部做功或者摩擦發熱等形式被耗散掉的那一部分模量，被稱為損失模量。本實驗擬從應力控制探討其疲勞特征。應力控制模式是通過保持應力不變，重復加載，樣品每次會消耗掉一部分損失模量G′′，直至其下降到初始模量的百分數為止，對比其加載次數就可以觀察到其抗疲勞性能的優劣。

本試驗采用動態剪切流變儀（DSR），在應力控制模式下進行循環剪切試驗，試驗溫度為20 ℃，剪切頻率為10 Hz。應力條件分別為0.1 MPa，0.15 MPa，0.20 MPa，0.25 MPa。平行板夾具選擇8 mm直徑，Gap值為2 mm。

2 試驗結果分析

2.1 模量、應變變化規律

應力控制模式下復數模量和應變是兩個重要的參數，當前很多學者針對疲勞壽命的認定有著不同的看法，且指標眾多。目前應用最廣泛的指標是將復數模量下降至50%時對應的加載次數作為其疲勞壽命即Nf50。如圖2所示，0.1 MPa、0.15 MPa、0.20 MPa條件下復數模量變化曲線均呈現倒“S”型，該型為標準的疲勞破壞特征，但在0.25 MPa應力條件下復數模量迅速下降，表明應力過大，該破壞屬于直接破壞，并非疲勞破壞。從圖2中可以看出，隨著應力的增大，其疲勞壽命指標Nf50呈減小趨勢，這是因為應力控制條件下，每次加載過程中應力越大，變形也越大，單次作用對瀝青試件的破壞作用也越大，所以疲勞壽命會隨著應力的增加顯著降低。圖3顯示了老化瀝青在四種荷載作用下的應變情況，顯然由于瀝青作為一種粘彈性材料，在每次加載過程中都會有一部分殘余應變不可恢復，殘余應變會隨著荷載作用次數累加起來，使瀝青的累積變形超過其承載能力，發生破壞。該過程擁有明顯的轉折，轉折處即代表著瀝青的抵抗變形能力小時在常應力下發生大量變形。從圖3同樣可以看出，在0.25 MPa應力下，老化瀝青的初始應變量超過4%，隨著荷載繼續施加，變形呈指數上升，不屬于疲勞破壞特征。其他三種應力圖像呈“J”型，符合疲勞損傷特征，且轉折點左側屬于疲勞裂紋的發育和累積階段，右側屬于裂縫劇烈延伸及貫穿階段。

2.2 耗散能變化規律

瀝青在受到荷載作用的過程中發生變形，變形就意味著能量的耗散。能量的耗散包含彈性和塑性兩個部分，疲勞的過程很難用宏觀的方法表征出來，而采用計算能量耗散變化率和累計耗散能比的方法可以直觀形象地展示瀝青在循環荷載作用下其疲勞發育的各個階段[7]，是一種定量的評價手段。

由表3可知Np和Np20兩種指標在評價疲勞壽命方面具有很強的一致性，其疲勞壽命值極其相似。為了探究不同指標的疲勞壽命變化規律，將四種指標放在下頁圖5中進行對比。

如圖5所示，四種指標都反映出了一個普遍規律，即隨著應力的增大，疲勞壽命逐漸減小。在三種不同應力條件下，基于模量變化的Nf50和基于耗散能變化率的NDR值總是高于基于累積耗散能比的Np和Np20，相對于前者，后面兩種對疲勞壽命的預估更加保守，且不同樣品之間的變異性相對較小。

3 結語

（1）老化瀝青常應力疲勞的累積破壞過程中，其復數模量的降低呈現倒“S”型，且“S”的拐點，即為疲勞加速破壞的起點，標志著瀝青微小損傷開始形成貫穿裂紋。應力控制下破壞時應變曲線拐點明顯，易于判定。

（2）老化瀝青的常應力加載過程隨著應力增大，疲勞壽命大幅降低，可見超應力損傷對瀝青的破壞程度很大。

（3）Nf50和NDR明顯大于基于累計耗散能比的Np和Np20。基于同種指標的Np和Np20疲勞壽命極為接近，且變異性較小。

參考文獻：

[1]朱洪洲，范世平，盧章天.基于DSR時間掃描的瀝青常應力疲勞演化規律分析[J].公路交通科技，2017，34（11）：8-14，37.

[2]李 佳，張肖寧.瀝青混合料中膠漿疲勞破壞與變形分析[J].科學技術與工程，2012，12（35）：9 585-9 590.

[3]周慶福，劉 星，汪 林，等.高黏改性瀝青的流變性能分析[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2019，43（4）：687-691.

[4]胡金龍，孫大權，曹林輝.瀝青疲勞性能分析方法與評價指標[J].石油瀝青，2013，27（5）：58-64.

[5]單麗巖，譚憶秋，李曉琳.瀝青疲勞特性的研究[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2011，35（1）：190-193.

[6]單麗巖，譚憶秋，許亞男，等.應力、應變控制模式下瀝青疲勞損傷演化規律[J].中國公路學報，2016，29（1）：16-21，74.

[7]孟勇軍，張肖寧.基于累計耗散能量比的改性瀝青疲勞性能[J].華南理工大學學報（自然科學版），2012，40（2）：99-103.