鹽凍融和重復荷載作用下瀝青混凝土開裂的細觀分析

閆景晨, 李瀚翔

(內蒙古工業大學 土木工程學院, 內蒙古 呼和浩特 010051)

裂縫是瀝青混凝土的主要破壞方式之一,對于疲勞開裂而言,材料當中微裂紋的生成與擴展規律是裂縫形成的主要原因.目前國內外的學者大都采用宏觀方法進行相關研究,這些方法不能精確地在疲勞荷載全受力過程中分析裂紋擴展的規律特性,只能通過線彈性力學原理及有限的位移傳感器進行變形研究,很難在微觀層面觀測裂紋形態發展,也很難精確掌握裂紋擴展規律.

數字圖像相關(DIC)技術使用的是圖像對比方法,可以準確測量觀測區域內每一點的位移及應變,從而為使用統計研究手段創造了條件.DIC技術由Chu等[1]提出,初期應用于航天技術.至20世紀90年代,隨著計算機技術的發展,出現了復雜的變形分析系統和高精度、高頻率的數字圖像采集技術,使得DIC技術精度不斷提高,逐漸擴展應用于包括瀝青混凝土在內的材料試驗中.Yue等[2]研究了壓實度和級配曲線對密級配瀝青混凝土混合料中粗骨料取向的影響.Read[2]用DIC技術檢測了小梁疲勞過程中的裂紋擴展,并認為DIC技術可以解釋小梁開裂機理.Birgisson等[3]使用DIC技術研究了瀝青混凝土梁三點彎曲試驗中的開裂行為,發現裂紋起始于應變集中度高的區域.Tschegg等[4]使用2臺數碼相機記錄圓盤試件的循環拉伸試驗,記錄2個面的裂紋擴展長度,并取其平均值進行計算.Safavizadeh等[5]成功地用裂紋長度數據在瀝青混凝土上驗證了線彈性斷裂力學原理，并結合有限元分析,引入節點剛度參數,確定了垂直和水平裂紋尖端的應力強度因子.雖然DIC技術在瀝青混凝土研究中已經有一定的應用,但在纖維瀝青混凝土和多種環境下的研究還較少.

目前為解決路面開裂問題采用的混合料改性方法主要有瀝青改性劑和纖維添加劑.瀝青改性劑應用最廣泛的為SBS[6],而纖維添加劑中具代表性的是玄武巖纖維,它是一種力學性能非常優異的礦物纖維,同時具有耐酸堿、耐老化、不吸水、工作溫度范圍大等突出優勢[7].

中國北方公路普遍使用融雪劑除雪.作為能源運輸的主要途徑,公路在冬季承受大量疲勞荷載的同時還需經受融雪劑凍融循環作用,從而使其承受重復疲勞荷載的能力下降.融雪劑凍融循環的作用主要表現在加速瀝青混凝土開裂上[8];而根據Narasaiah等[9]的研究,重復荷載對于瀝青混凝土的作用大致可分為3個階段,即疲勞裂紋形成階段、裂紋穩定擴展階段和裂紋失穩擴展階段，其中裂紋穩定擴展階段是3個階段中持續時間最長、最能反映材料抵御荷載能力的階段.

本文選用普通瀝青混凝土、玄武巖纖維瀝青混凝土、SBS改性瀝青混凝土、玄武巖纖維+SBS改性瀝青混凝土為研究樣本,采用DIC技術從細觀角度對重復荷載作用下4種瀝青混凝土小梁試件進行全局位移、應變測量,并對其裂縫發展進行時間及空間上的分析;以融雪劑凍融循環作用下裂紋穩定擴展階段的應變集中速率為指標,研究鹽凍融對不同改性瀝青混凝土力學性能的影響.

1 試驗概況

1.1 瀝青指標和集配設計

基質瀝青為A級90#道路瀝青；SBS改性瀝青中的SBS改性劑質量分數為4.5%.2種瀝青的基本性能見表1.

表1 瀝青基本性能

短切玄武巖纖維技術指標見表2,其表面為非完全光滑狀態,能與瀝青形成有效黏附[10].玄武巖纖維摻量選用瀝青混凝土質量的0.3%[11].

表2 玄武巖纖維的技術指標

依據JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》進行級配設計,制作AC-13C瀝青混凝土,骨料為玄武巖,礦粉為石灰石礦粉.

根據馬歇爾試驗結果,以基質瀝青、玄武巖纖維+基質瀝青、SBS改性瀝青、玄武巖纖維+SBS改性瀝青為黏結料的4種瀝青混凝土最佳油石比(質量分數)分別為4.9%、5.2%、5.6%、5.7%.瀝青混凝土小梁試件由JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中輪碾成型法(T 0703—2011)制作的車轍板試件切割而成,尺寸為250mm×30mm×35mm.

1.2 試驗方案

為了測定凍融和重復荷載條件下不同改性瀝青混凝土的宏、細觀開裂特性,本次試驗采用小梁試件,分組使用質量分數不同的融雪劑(鹽溶液)進行不同次數凍融循環的試驗方法.試驗步驟為：小梁試件分組編號→鹽溶液保水→凍融循環→散斑制作→三點彎曲多次重復加載→DIC系統圖像采集→圖像分析與數據處理.

由于涉及的因素及水平較多,為減少試驗量,本文采用正交試驗設計.目前公路上應用的融雪劑大多數是復合型融雪劑,包含多種成分.為了排除多因素干擾,本文使用了作為融雪劑有效成分的NaCl、CH3COOK、CaCl2進行鹽凍融循環試驗[12].

為提高試驗精準度,考慮瀝青混凝土試驗數據樣本數量問題,在正交表頭設計上采用擴大的正交試驗表L32(49),并且每組設置3個平行試驗,結果取平均值;表頭設計上留有3列空列以便進行方差分析[13].正交試驗因素及水平見表3.

表3 正交試驗因素和水平表

經實際測試,復合鹽溶液凍結溫度為-20℃左右,考慮到鹽凍融破壞方式大多為鹽溶液冰晶體刺入破壞,故采用-25℃下冰凍16h、60℃下解凍8h作為1個凍融循環.進行鹽凍融循環前,以鹽溶液浸泡試件96h[14]的方式保水.

力學試驗方法選用應力控制的小梁三點彎曲重復加載,波形為半正弦波,頻率為10Hz,選用應力比為0.2對應的加載力最大值0.25kN.試驗溫度采用瀝青混凝土最易疲勞的中溫區15℃.

在加載的同時進行數字散斑觀測,以確定小梁試件表面各測點實時的位移、位移速率、應變、應變速率.以上壓頭加載中心為y軸,對基本涵蓋所有樣本裂縫的區域即y=±20mm范圍內以間距1mm 設測點,提取每個測點的各項數據.使用在裂縫周邊幾個測點取值即范圍取值的方法,能夠保證區域范圍內發生的應力集中均在研究范圍內.

2 數據分析基本方法

2.1 極差分析基本方法

(1)

通過極差R可以分析出各作用因素的主次,極差大的因素意味著該因素不同水平指標造成的影響比較大,一般為主要因素;極差小的因素一般為次要因素.值得注意的是因素的主次順序也與其選取的水平有關,故本試驗選取鹽溶液種類為因素時,以相同質量分數作為水平.

2.2 評價指標確定

采用以橫向拉應變標準差作為損傷因子D[15]，對小梁試件的應變集中程度進行評價.D的計算式為：

(2)

式中：ε為小梁試件在x方向上的拉應變;n為拉應變測點個數.

以一次SBS改性瀝青混凝土小梁試驗為例,其損傷因子D隨重復荷載作用次數N的變化曲線如圖1所示.以圖1中疲勞裂紋形成階段 Ⅰ、裂紋穩定擴展階段Ⅱ和裂紋失穩擴展階段Ⅲ這3個階段穩定區域擬合方差最小為原則，得到3條直線L1、L2、L3,并以3條直線的2個相交點橫坐標為上述3個階段的分界點.

圖1 損傷因子D隨重復荷載作用次數的變化Fig.1 Damage factor D varies with loading times

試驗發現,幾種小梁試件的D-N曲線都具有圖1所示的3階段特征,抵抗重復荷載作用的主要階段為階段Ⅱ.因此，本文以擬合直線L2的斜率K作為評價指標來評價小梁試件抵抗變形速率的性能，即應變集中速率，K的表達式見式(3).

(3)

3 試驗結果與數據分析

3.1 瀝青混凝土開裂機理分析

圖2為DIC拍攝的基質瀝青混凝土小梁試件水平應變云圖.由圖2可以看出基質瀝青小梁試件在不同重復荷載次數作用下的應變變化特點.

圖2 基質瀝青混凝土小梁試件的水平應變云圖Fig.2 Horizontal strain cloud picture of matrix asphalt concrete beam

第Ⅰ階段：如圖2(a)所示,此時小梁試件剛開始加載,研究區域內的橫向應變分布無規律,數值非常小.主要原因是系統具有噪聲,試件并未出現較大變形.當試件進入變形初期后,拉應變迅速在試件下部集中,壓應變則在其上部集中,拉應變范圍很大,但還是可以分辨出下方一些區域有更集中的應變.這是因為瀝青混凝土由不同材料結合而成,其內部有很多天然孔隙和瑕疵,而不同集料的力學性能不盡相同,導致其在相同應力下的應變不同.

第Ⅱ階段：如圖2(b)～(d)所示,此時試件初期變形結束,試件內部應力基本達到平衡,應變集中速率變慢,這個階段也是最能反映試件抵抗重復荷載能力的過程.N=93次時的最大拉應變約為0.001μm/m,N=3813次時的最大拉應變約為0.040μm/m,這說明由于試件內部微裂紋發展而導致的應變集中程度逐漸加大,已經發生變形的位置會集中更多應力,裂紋會進一步擴展.N=4313 次時宏觀裂縫已經形成,應變最大值交替出現在幾條主要裂縫尖端.

第Ⅲ階段：如圖2(e)、(f)所示,當N=4646次時，中間的1條裂縫取得競爭優勢,其他裂縫則逐漸萎縮,應變值減小，至N=5523次時中間裂縫徹底失穩,試件基本破壞.

3.2 不同材料的3個開裂發展階段

通過對未施加鹽凍融作用的小梁試件進行DIC觀測,可得到4種瀝青混凝土小梁試件損傷因子D隨重復荷載作用次數N的變化曲線,如圖3所示.

由圖3可以看出：SBS改性劑可以大幅增加瀝青混凝土的最大加載次數,但并不能增大瀝青混凝土可以承受的最大應變集中程度,說明其作用主要在階段Ⅰ和階段Ⅱ,作用對象主要為微裂紋;玄武巖纖維的加入提高了基質瀝青混凝土和SBS改性瀝青混凝土可以承受的最大應變集中程度及其疲勞壽命,作用對象是一定寬度內的宏觀裂縫和微裂紋,其可以與SBS改性劑形成互補性;含玄武巖纖維的2種瀝青混凝土在進入階段Ⅲ后曲線波動比較大,說明玄武巖纖維在達到臨界應變時會瞬間斷裂或失效.根據試驗結果,對4種瀝青混凝土小梁試件在3個階段的重復荷載次數NⅠ、NⅡ、NⅢ進行統計,結果見表4.

圖3 4種瀝青混凝土小梁試件的D -N曲線Fig.3 D -N curves of four kinds of asphalt concrete beam

表4 4種瀝青混凝土小梁試件3個階段重復荷載次數統計表

由表4可見：與普通瀝青混凝土小梁試件相比,玄武巖纖維瀝青混凝土小梁試件在各階段的重復荷載次數增加,尤其是階段Ⅱ增加了28.4%;與SBS改性瀝青混凝土小梁試件相比,玄武巖纖維+SBS改性瀝青混凝土小梁試件的重復荷載次數增加了37.0%.顯然,玄武巖纖維與SBS復摻可使普通瀝青混凝土增加更多的壽命,說明玄武巖纖維的增強作用不僅與自身力學性質有關,也與瀝青混凝土中其他成分的力學性質有關.

從各階段重復荷載次數所占比例來看,玄武巖纖維瀝青混凝土與普通瀝青混凝土在階段 Ⅰ 差別不大,均在2%左右,說明玄武巖纖維在階段 Ⅰ 并未起太大作用;玄武巖纖維瀝青混凝土在階段Ⅱ的占比減小而階段Ⅲ的占比增加,說明玄武巖纖維阻止了裂縫的過快蔓延,在加速開裂狀況下增加了材料的延性.

3.3 不同鹽溶液對3個開裂發展階段的影響

為了研究不同鹽溶液(NaCl、CH3COOK、CaCl2)對開裂關鍵時間點的影響,選擇鹽溶液質量分數9%,凍融次數5次為固定參數,對玄武巖纖維瀝青混凝土小梁試件施加重復荷載,可得到不同鹽溶液作用下玄武巖纖維瀝青混凝土小梁試件的D-N曲線,見圖4.

圖4 鹽溶液對玄武巖纖維瀝青混凝土的作用Fig.4 Effect of salt solutions on basalt fiber asphalt concrete

由圖4可以看出：經不同鹽溶液處理后的小梁試件壽命有不同程度的下降,說明融雪劑對玄武巖纖維瀝青混凝土有一定的破壞作用,并且3種鹽溶液都在不同程度上降低了玄武巖纖維瀝青混凝土可以承受的最大應變集中程度,即損傷因子D;經鹽溶液處理后,階段 Ⅱ的切線斜率變大,反映出此次試驗融雪劑的破壞速率排序為CaCl2>NaCl>CH3COOK.另外還可看出,融雪劑影響越大,階段Ⅱ與階段Ⅲ的界限越明顯,在加速開裂階段的開裂速率越快,從而使材料更易發生脆斷,說明融雪劑可以加大路面的破壞速率并且使開裂時間點提前.

3.4 多種瀝青黏結料的對比分析

3.4.1極差分析

按照表3的試驗設計進行不同因素和水平的正交試驗.根據正交試驗所得極差,得到各因素的排序如下：瀝青混凝土材料種類>凍融循環次數>w(CaCl2)>w(NaCl)>w(CH3COOK);各因素對K值的影響見圖5.

圖5 各因素對K值的影響Fig.5 Influence of each factor on K value

由圖5(a)可知：對于瀝青混凝土種類而言,在階段Ⅱ,SBS改性瀝青混凝土、玄武巖纖維+SBS改性瀝青混凝土的應變集中速率都大幅小于普通瀝青混凝土和玄武巖纖維瀝青混凝土;摻加玄武巖纖維的瀝青混凝土與不摻玄武巖纖維的瀝青混凝土相比,其抵抗應力集中的能力有進一步的提升.這說明在鹽溶液質量分數相同、凍融循環次數相同的條件下,玄武巖纖維可以在不同瀝青環境中起到加強材料抗疲勞性能的作用.另外,凍融循環次數也是影響瀝青混凝土應變集中速率的一大因素,隨著凍融循環次數增加,材料性能降低、應變集中加速.原因主要是鹽溶液結冰過程中體積膨脹,結晶刺入瀝青混凝土造成破壞,當冰融化時鹽溶液滲入裂縫更深處而造成了更大的微裂縫.

由圖5(b)可知：NaCl與CaCl2溶液質量分數對幾種瀝青混凝土應變集中速率的影響差別不大,均是隨著兩者質量分數的增大而增大;CH3COOK溶液質量分數的影響較小而且不規律.融雪劑的侵蝕作用主要在于融雪劑溶于水后電離出的K+、Na+、Ca+和Cl-極性很強,比瀝青對集料有更強的吸附能力.當水的凍脹力在瀝青混凝土中造成裂縫后,上述離子將與瀝青對新形成的集料界面進行搶奪吸附,產生剝離作用,引起黏結力下降;并且離子與集料的結合表面能更低,比瀝青與集料的結合更緊密,從而減小了瀝青混凝土的自愈合效應.

3.4.2方差分析

首先由《概率論與數理統計教程》[16]中查表得到各級檢驗統計量F的臨界值F0.05(3,27)=2.96,F0.025(3,27)=3.65,F0.01(3,27)=4.60;經過計算,w(NaCl)、w(CH3COOK)、w(CaCl2)、瀝青混凝土種類、凍融循環次數的F值分別為6.638、2.560、8.812、91.362、15.755.再與各條件下的F值對比,進行正交試驗結果方差分析.結果可得w(CH3COOK)的檢驗統計量F小于臨界值F0.05(3,27),說明其作用并不顯著,其他各因素則均有顯著作用.

4 結論

(1)瀝青混凝土壽命與應變集中程度有很大關聯性.在路面層狀結構體系設計中,應當主要考慮降低瀝青結構層中的應變集中情況.

(2)SBS改性劑在瀝青混凝土的微裂縫階段有效,玄武巖纖維則在裂紋展開的各個階段均有效,2種改性方式有互補性.在瀝青路面材料設計中,玄武巖纖維可以應用于溫度梯度較大的溫縮裂紋及荷載裂紋較大但對裂縫要求控制較嚴的工程中.

(3)玄武巖纖維延長了瀝青混凝土各開裂階段的壽命,并在加速開裂狀況下增加了材料的延性.玄武巖纖維瀝青混凝土路面應當進行預養護工作,避免因后期裂紋擴展引起的纖維失效.

(4)融雪劑可以加大路面的破壞速率并且使開裂時間點提前.各鹽溶液對瀝青混凝土應變集中速率的影響排序為：w(CaCl2)>w(NaCl)>w(CH3COOK),w(CaCl2)與w(NaCl)影響程度相近,而w(CH3COOK)的影響顯著性很小.

(5)相對于化學侵蝕的影響,鹽溶液凍融循環產生的冰凍結晶刺入更能影響瀝青混凝土性能.