基于雙邊缺口拉伸試驗的SBS改性瀝青抗疲勞性能評價

艾長發(fā) 顏 薇 陶雅樂 任東亞 歐陽鋮霏

(1.西南交通大學土木工程學院 成都 610031； 2.道路工程四川省重點實驗室 成都 610031)

現(xiàn)行研究中對瀝青的評價體系可分為3類：針入度分級、黏度分級和基于性能的PG (performance grade)分級，但只有PG分級提出了比較明確的瀝青結合料疲勞性能評價指標和方法，即采用疲勞因子G*·sinδ[1-2]來表征瀝青的中溫疲勞性能。但相關研究表明[3-4]，該指標與瀝青混合料的疲勞性能相關程度很低，且不適用于SBS等改性瀝青。除G*·sinδ外，現(xiàn)行研究中，J.P.Planche[5]提出的基于動態(tài)剪切流變儀時間掃描測試、Carl M.Johnson[6]提出的應變控制疲勞掃描試驗、基于膠結料屈服能的BYET疲勞測試[7]、線性振幅掃描試驗(LAS)[8]等都形成了各自的瀝青疲勞性能評價方法，但上述評價手段都高度依賴動態(tài)剪切流變儀，該試驗流程繁瑣、儀器價格昂貴，普通的一線工地實驗室尚未普及[9-10]。相較國外，我國沒有直接引入G*·sinδ作為標準測試方法，大多數(shù)實驗室配備都不支持此類測試。因此，上述測試都很難直接引入并作為我國工程界瀝青膠結料的疲勞性能評價方法[11]。

基于此，本研究引入斷裂力學中的雙邊缺口拉伸試驗(double-edge-notched tension testing,DENT)[12]和基于基本斷裂功的臨界裂紋尖端位移(crack tip opening displacement,CTOD)評價指標用于瀝青膠結料的中溫下疲勞性能評價。雙邊缺口拉伸試驗最初用于高分子材料的韌性斷裂研究[13]，通過計算預制缺口試件在拉伸條件下的測力-位移曲線面積，提出了基本斷裂功(essential work of fracture,We)作為瀝青疲勞性能的評價指標[14]，DENT試驗簡單，借助測力延度儀即可完成。CTOD是材料本身屬性的真實反映，不受試件幾何尺寸的影響[15]。本文基于該基本原理及試驗操作的具體過程，測試一組不同溫拌劑摻量的SBS改性瀝青，并與疲勞因子G*·sinδ的測試結果進行對比，同時，進一步通過混合料四點彎曲疲勞試驗，從瀝青混合料路用性能層面對CTOD表征的膠結料疲勞性能結果進行驗證。

1 雙邊缺口拉伸試驗(DENT)

1.1 DENT與延度、直接拉伸試驗的對比

圖1為3種試驗的試模和試件示意圖(同比例繪制)，其中，直接拉伸試件尺寸最小，且需要的拉伸設備條件較為嚴苛。DENT試件的加載方式、長度與延度類似，通過測力延度儀完成加載。一組雙邊缺口拉伸試驗需同時制作3個缺口截面處韌帶寬度l分別為5，10，15 mm的試件，見圖2。其他澆模、刮模，以及水浴養(yǎng)護操作與延度試件的制作基本相同，在規(guī)定溫度的水浴養(yǎng)護條件完成后，對試件進行恒定速率條件下的拉伸加載，記錄試件拉斷前的測力-位移數(shù)據(jù)，作為計算瀝青膠結料CTOD值等參數(shù)的基礎數(shù)據(jù)，圖3為未添加溫拌劑的SBS改性瀝青DENT試驗的測力-位移曲線圖。

圖1 雙邊缺口拉伸、延度、直接拉伸試件對比

圖2 雙邊缺口拉伸試驗試件成型示意圖

圖3 SBS改性瀝青DENT試驗的測力-位移曲線

1.2 基于基本斷裂功的DENT測試原理

通過測力-位移曲線可以進一步計算瀝青膠結料的基本斷裂功we。基本斷裂功的概念由Broberg[16]提出。拉伸試件時，預置的缺口截面處因應力集中造成試件拉斷，作用在試件上的總功WT可以通過恒定速率拉伸加載的測力-位移曲線(見圖3)的包絡面積得出，實際計算時取2次拉力-位移曲線包括面積的平均值。Cotterell等[17]認為試樣獲得的加載能主要包括耗散在斷裂核心區(qū)域的斷裂功和耗散在斷裂核心區(qū)外圍的塑性變形區(qū)域的塑性功Wp。即斷裂功We、塑性功Wp和總功WT，三者間的關系為

WT=We+Wp

(1)

基本斷裂功we為發(fā)生在韌帶斷面上的單位面積功，其值越大，材料的抗韌性斷裂能力越強，是一個材料性能常數(shù)。其可由式(2)表達。

we=We/(B·l)

(2)

式中：B為韌帶截面的實測厚度；l為韌帶寬度。

基本塑性功wp為發(fā)生在韌帶周圍塑性變形區(qū)域的單位體積功，其值越大，材料的塑性變形能力越強，該指標既受材料性質(zhì)影響，又與試件的幾何尺寸緊密相關。基本塑性功可由式(3)計算。

wp=Wp/(l2·B·β)

(3)

式中：β為試件的幾何特征參數(shù)。

將式(2)、式(3)代入式(1)，等式兩側(cè)同除以韌帶截面面積l×B，得到斷裂總單位功wt僅關于韌帶寬度l變化的表達式，得式(4)。

wt=we+β·wp·l

(4)

由式(4)可知，斷裂總單位功wt是關于韌帶長度l的一次直線擬合方程，該直線與y坐標軸的截距即為基本斷裂功we，斜率為βwp。

1.3 臨界裂紋尖端位移CTOD指標下的瀝青疲勞性能表征

進一步根據(jù)得到的基本斷裂功we計算臨界裂紋尖端位移CTOD。已有研究認為可以通過裂紋尖端的應變量來表征裂紋體的擴展[18]，但由于裂紋尖端的應變量難以測量，而裂紋尖端張開位移不僅與應變量直接相關且易于直接測量，故提出臨界裂紋尖端位移CTOD的定義：指帶裂紋的試件承受拉伸荷載后，裂紋尖端附近區(qū)域出現(xiàn)材料屈服，在裂紋失穩(wěn)拓展前尖端2表面的張開位移即為CTOD，其反映的是材料本身的特性，其與之前的基本斷裂功存在以下計算關系

(5)

式中：σnet為試件拉伸過程中充分屈服的韌帶截面的最大凈截面應力。

通過DENT試驗可以得到的表征瀝青樣品內(nèi)部裂紋極限拉應變的CTOD值，當選用材料的相對CTOD值越大，意味著形成瀝青混凝土后，其在中溫條件(0～30 ℃)黏結集料間的瀝青膜則可以承受更大的應變。只要反復拉荷載的最大應變值不超過CTOD所表征的極限應變量，集料間瀝青中存在的先天裂紋缺陷不會產(chǎn)生失穩(wěn)性拓展，當反復荷載的能量無法在塑性變形區(qū)內(nèi)被消耗時，就只能在核心斷裂區(qū)進行釋放，其中包含的先天裂紋就會在過剩的高應變荷載下逐漸張開。因此，若某種瀝青的測試CTOD值越大，可認為該種瀝青對于高應力狀態(tài)下的疲勞裂縫產(chǎn)生的抗力也越大。不同于傳統(tǒng)疲勞試驗的反復加載，只需要通過一次DENT破壞拉伸試驗使韌帶截面處的核心斷裂區(qū)拉至失穩(wěn)直至破壞，就可以將瀝青材料的CTOD值測出。通過對比不同瀝青試樣在同一測試條件下的CTOD值，即可對其抗疲勞性能的優(yōu)劣做出評價。

在裂紋發(fā)生失穩(wěn)拓展前，試件的韌帶寬度l越小，韌帶截面凈應力就越大(見圖4)，整個韌帶截面的屈服程度也就越全面，CTOD測試值受到試件尺寸等外部因素的影響也越小，越接近該材料的CTOD常數(shù)值。故后續(xù)計算中σnet使用5 mm韌帶寬度下的最大凈截面應力進行計算。

圖4 韌帶截面凈應力大小與韌帶寬度的關系

2 試驗與結果分析

2.1 試驗材料與試驗設計

本次試驗共分為3個階段。①選取研究所依托的某高速公路項目采用的SBS改性瀝青，添加Evotherm?型的溫拌劑M1，溫拌劑M1采用0.2%，0.5%，0.8% 3個摻量級別，并進行RTFOT+PAV老化；②分別在路面代表溫度15，25 ℃的水浴條件下進行DENT試驗，目前的試驗尚未考慮拉伸速率對于測試CTOD的影響，為了能夠適配于我國的測力延度設備，采用的拉伸速率和試件長度(安裝孔中心距)和延度試驗相同，后期的試驗將對比拉伸速率對于測試結果的影響，故此次試驗的加載速率均選定為50 mm/min；③在15 ℃條件下，使用溫拌劑含量不同的瀝青膠結料分別制作油石比為5.8%的SMA-13混合料小梁試件進行四點彎曲疲勞性能驗證。四點彎曲疲勞測試儀器采用UTM-100試驗機，其位移和力控制精度高，并帶有溫控箱。試件采用ASTM D7460標準，380 mm(長)×63.5 mm(寬)×50 mm(厚)的混合料小梁試件，采用我國路面當量疲勞溫度15 ℃，標準加載頻率10 Hz，通過預實驗后采用800×10-6應變控制的連續(xù)偏正弦加載模式，每組平行試件4個。

2.2 PG分級測試結果分析

經(jīng)RTFOT+PAV老化后的瀝青試樣的主要性能指標見表1。通過25 ℃的G*·sinδ測試值可以發(fā)現(xiàn)，隨著溫拌劑摻量的變化，疲勞因子G*·sinδ的測試值從小到大排序為：SBS+0.8%M1

表1 試驗用瀝青主要技術性能(試樣個數(shù)n=3)

2.3 DENT測試結果分析

基于基本斷裂功的DENT測試原理、臨界裂紋尖端位移CTOD指標下的瀝青疲勞性能表征，利用式(1)～式(5)，分別得到15 ℃和25 ℃下4種瀝青試樣總單位功wt、韌帶寬度l、βwp、臨界裂紋尖端位移CTOD等參數(shù)的變化關系，其對應的主要數(shù)據(jù)值見表2。

表2 雙邊切口拉伸試驗結果(試樣個數(shù)n=3)

根據(jù)式(4)，繪制圖5所示的2種溫度下總單位功wt關于韌帶長度l的線性關系。圖中各直線的截距值即基本斷裂功we與溫拌劑摻量并沒有表現(xiàn)出明顯的線性關系。無論是15 ℃還是25 ℃下，隨溫拌劑摻量的提升，基本斷裂功we的數(shù)值從小到大排序為：SBS+0.2%M1

圖5 基本斷裂功隨韌帶長度的變化關系

添加溫拌劑M1后，擬合直線斜率有明顯提高，即βwp增大。其對比數(shù)據(jù)見圖6。

圖6 2個溫度下βwp值隨M1摻量的變化關系

由圖6可見，15 ℃條件下瀝青試樣的βwp值均較25 ℃時大；無論是15 ℃還是25 ℃條件下，添加了溫拌劑瀝青試樣的βwp值比純凈瀝青的大，但加了溫拌劑摻量的瀝青試樣之間βwp值差距很小，沒有明顯的區(qū)分度；15 ℃條件下，βwp的數(shù)值從小到大排序為：SBS< SBS+0.2%M1

對比最為核心的CTOD值，見圖7，無論是15 ℃還是25 ℃，隨摻量的提升，CTOD持續(xù)增大，且CTOD隨摻量的增大趨勢也呈線性。

圖7 2個溫度下CTOD值隨M1摻量的變化關系

由表2中CTOD值的計算對比可知：25 ℃條件下，0.8%M1、0.5%M1、0.2%M1摻量的溫拌SBS瀝青的CTOD分別為純凈SBS瀝青的4.3倍、3.3倍、2.1倍，15 ℃條件下分別為1.8倍、1.5倍和1.2倍。說明摻添溫拌劑后的瀝青膠結料能承受更大的應變，而只要其服役期間承受的最大應變不超過該值，其本身存在的裂紋缺陷就不會發(fā)生失穩(wěn)性的拓展，這種提升隨溫拌劑摻量的增加更為顯著，表明瀝青的抗疲勞性能得到了增強。此變化趨勢與25 ℃疲勞因子G*·sinδ表征的趨勢相同。除此之外，4種試樣的CTOD值變化區(qū)間從15 ℃時的18～32 mm變化范圍擴大至25 ℃時的58～252 mm，對于該系列溫拌瀝青的抗疲勞性能相對優(yōu)劣的區(qū)分度擴大約8倍，說明采用CTOD值在進行路面中溫疲勞性能測試時，適當?shù)靥嵘郎囟葘r青的抗疲勞性能區(qū)分度更高。

通過以上綜合對比，基于基本斷裂功的DENT測試原理、臨界裂紋尖端位移(CTOD)指標下的瀝青疲勞性能表征相關的測試參數(shù)基本斷裂功we、瀝青試樣的βwp值、CTOD值可以發(fā)現(xiàn)：一方面，25 ℃條件下CTOD值與G*·sinδ表征疲勞性能的結果具有一致性；另一方面，25 ℃下CTOD指標對于選用溫拌瀝青疲勞性能的區(qū)分度是15 ℃時的8倍，即適當?shù)靥嵘郎囟葘r青的抗疲勞性能區(qū)分度更高。故CTOD指標在瀝青的抗疲勞性能評價方面具有很大的優(yōu)勢。

2.4 混合料四點彎曲疲勞壽命測試結果

四點彎曲疲勞試驗的結果見表3。由表3可見，添加0.2%，0.5%和0.8%的溫拌劑M1后，疲勞循環(huán)壽命Nfnm分別增加20.6%，34.3%和39.4%，說明在考慮測試變異系數(shù)的影響下，隨溫拌劑摻量增大，瀝青混合料的抗疲勞性能增長效果較明顯，見圖8。混合料疲勞循環(huán)壽命和對應膠結料的CTOD值隨溫拌劑摻量的增長趨勢基本相近，可見由CTOD所表征的該系列溫拌瀝青膠結料的抗疲勞性能在對應的混合料層面也有很好的體現(xiàn)。

表3 不同溫拌劑摻量的溫拌瀝青混合料四點彎曲疲勞試驗結果(試樣個數(shù)n=7)

圖8 15 ℃下的CTOD和瀝青混合料疲勞循環(huán)壽命Nfnm的關系

3 結論

1) 本研究采用雙邊缺口拉伸試件并采用測力延度儀進行加載，基于臨界裂紋尖端位移對中溫下的SBS改性瀝青抗疲勞性能進行評價。通過DENT試驗一次性加載拉伸3個預制韌帶寬度不同的雙邊缺口瀝青試件，測試得到其拉力-位移曲線，基于斷裂理論計算得到基本斷裂功和韌帶截面應力，并進一步計算CTOD值作為瀝青膠結料的疲勞性能評價指標。DENT試驗所需設備簡單，具有較好的現(xiàn)場工程推廣應用價值。

2) 對比不同溫拌劑摻量的SBS改性瀝青試驗數(shù)據(jù)，CTOD與25 ℃下G*·sinδ表征疲勞性能的結果具有一致性；此外試驗數(shù)據(jù)表明，25 ℃下CTOD指標對于選用溫拌瀝青疲勞性能的區(qū)分度是15 ℃時的8倍，該測試方法中溫度因素對瀝青疲勞性能的區(qū)分影響極大，故在進行路面中溫疲勞性能測試時，適當?shù)靥嵘郎囟葘r青的抗疲勞性能區(qū)分度更高。

3) 混合料四點彎曲小梁疲勞試驗數(shù)據(jù)表明：基于CTOD膠結料疲勞性能變化趨勢與對應混合料的疲勞壽命Nfnm的變化趨勢相近，進一步驗證了基于CTOD在SBS改性瀝青膠結料階段的抗疲勞性能區(qū)分評價的有效性。