凍融循環下的瀝青混凝土損傷機理研究

賀明明

(中交第一公路勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引 言

近年來，基礎交通網絡日益完善，公路項目建設規模也逐漸擴大。同時，相關統計資料表明，我國超過80%公路路面是瀝青混合料。瀝青混凝土路面在運營期間，受到車輛荷載、氣候變化等因素的作用下，容易出現各種類型的病害，影響行車安全和行車舒適度。尤其是在北方寒冷地區，瀝青混凝土還會受到經歷反復的凍結融化，破壞其內部結構，使路面使用壽命出現一定程度的降低。由于瀝青混凝土路面在凍融環境中的受力變形復雜，國內外學者也對此開展了一些研究，如李兆生等通過室內試驗分析了反復凍融對瀝青混合料高溫性能與疲勞壽命地影響，并將其損傷劃分成快速、穩定、發展三個階段；孫海蛟探討了瀝青混凝土的細觀損傷和宏觀性能間的關系，并推導出凍融損傷模型。因此，研究凍融循環作用下瀝青混凝土的損傷機理十分必要。

1 瀝青混凝土損傷概念及原材料性質

1.1 損傷概念

構件損傷概念最早源于20世紀50年代，隨著損傷力學的不斷發展，尚沒有普適性的損傷理論，各專業領域均結合自身工程特點提出了自己的損傷理論。瀝青混凝土的損傷理論有連續損傷理論和細觀損傷理論兩種，其中連續損傷理論重點關注瀝青混凝土的力學性能、變形等是否與試驗結果相吻合；細觀損傷理論是通過理論推導來得到瀝青混凝土宏觀損傷和細觀損傷間的關系。

瀝青混合料的損傷變量計算參考下式

D=(1-ψ)×100

式中：ψ為連續度，值為1表示混合料無損傷，值為0表示混合料完全破壞；D為損傷變量，值為0表示混合料無損傷，值為1表示混合料完全破壞。

1.2 原材料性質

為了研究凍融循環作用下瀝青混合料的損傷情況，參考《公路工程瀝青混合料試驗規程》(JTG E20-2011，通過馬歇爾法對AC-16瀝青混合料進行配合比設計，其中瀝青選擇70#基質瀝青，粗集料、細集料、礦粉等材料的技術指標也滿足規范要求。瀝青混凝土的最終配合比設計結果見表1。

表1 原材料試驗配合比

2 瀝青混凝土的凍融條件和損傷特性

2.1 凍融條件設定

瀝青混凝土所處地凍融條件，可設定為在封閉系統下快速凍融。開始凍融之前應當使用保鮮膜將制備好的試樣包裹，這樣可以確保土樣凍融時水分遷移較少，從而構造一個不補(散)水的密閉環境。當試驗達到規定的凍融循環次數之后，將瀝青混凝土試件取出，然后開展相應的抗壓強度、疲勞試驗等。

本次凍融試驗土樣凍結過程采用的儀器是DW-40型低溫試驗箱，該設備的制冷系統由進口壓縮機、冷凝器等組成。凍融參數主要有凍結溫度、融化溫度、凍結時長、融化時長、凍融循環次數等，試驗中凍融溫度可參考當地的氣候資料，一次凍融循環的時間定為24 h(凍結12 h，融化12 h)。同時，根據相關學者的研究成果可知，瀝青混凝土經過10次凍融循環之后，其物理力學性就基本處于一種較為穩定的狀態。但由于規范中要求的瀝青混合料路面使用年限可能超過10年(如高速公路瀝青路面使用年限不得低于15年)，10次凍融循環并不能完全反應瀝青路面在運營期間的損傷特性，故文章中凍結循環次數取16次。

2.2 混合料凍融損傷特性

在反復凍融循環作用下，瀝青混凝土內部可能出現損傷現象。隨著混合料損傷程度的不斷發展，其力學性能也發生動態變化。同時，宏觀力學性能變化對瀝青混合料的影響最終是體現其抗疲勞性能，故可通過回彈模量和抗壓強度的損傷度、抗疲勞性能的衰減來評價瀝青混凝土的損傷特性。

(1)抗壓強度和回彈模量損傷

達到規定凍融循環次數之后，開展試驗來測定試件的抗壓強度及回彈模量，試驗結果及損傷變量如圖1所示。

圖1 凍融前后瀝青混凝土力學性能及損失度

由圖1可知，隨著凍融循環次數的增加，瀝青混凝土的抗壓強度和回彈模量均出現了一定程度的降低。當凍融循環次數達到16次，瀝青混凝土的抗壓強度和回彈模量分別降低了44.3%、47.5%。同時，瀝青混合料的損傷度逐漸增加，但增加速率逐漸變緩。當凍融循環次數達到16次，瀝青混凝土的抗壓強度損傷變量和回彈模量損傷變量分別增加了0.47、0.52。這表明凍融循環次數對瀝青混凝土回彈模量的影響程度是大于抗壓強度的。瀝青混凝土性能出現劣化的主要原因有兩方面：第一，在凍脹力的作用下，瀝青混凝土骨架顆粒間產生了劈裂，內部出現了一定數量的微觀裂紋，改變了混合料的內部結構；第二，瀝青混凝土內部微觀裂紋受到凍脹力的影響不斷擴展，使混凝土內部損傷不斷積累，從而引起混凝土力學性能出現衰減。

(2)疲勞性能損傷

要確定瀝青混凝土路面在凍融循環作用下的疲勞壽命損傷情況，必須建立精確的疲勞模型。目前，國內外模擬瀝青路面疲勞破壞一般是采用應變模型或應變-勁度模型來建立路面材料最大拉應變與其疲勞壽命的關系。應變疲勞模型中疲勞壽命(荷載累計作用次數)計算公式如下

N=Kσ-n

式中：N為瀝青路面疲勞壽命；σ為瀝青混凝土拉應力；K、n為擬合系數，K值越大材料抗疲勞性能越好，n值越大材料疲勞曲線斜率越陡。

通過疲勞試驗得到了凍融前后不同應力水平的瀝青混凝土疲勞壽命，并利用軟件origin進行了疲勞壽命擬合，得到疲勞壽命的擬合方程，如圖2所示。

圖2 凍融后瀝青混凝土疲勞壽命

由圖2可知，在反復凍融作用下，不同應力水平下的瀝青混凝土疲勞壽命均呈減小趨勢，且應力水平越小，減小幅度越明顯。凍融前后瀝青混凝土疲勞方程中的K值分別為664.37、486.04，n值分別為3.191 2、3.310 8，K值降低了27.7%，說明瀝青混凝土抗疲勞性能降低；n值提高了4.1%，說明瀝青混凝土的疲勞壽命曲線變陡，疲勞壽命對應力水平的變化也更加敏感。

3 凍融后瀝青混凝土細觀損傷

(1)CT掃描設置

目前，瀝青混凝土細觀損傷常采用CT技術，該技術以X線為放射源，X線穿透不同的物質后其衰減程度有一定的差異，使得接收端的X射線強度也不同。然后再將X線強度以CT值得形式顯示在圖像上，從而在不破壞瀝青混凝土的前提下觀察其內部結構。瀝青混凝土的掃描層厚度取0.6 mm，管電壓取130 kV，毫安秒為250 mAs，螺距為1，掃描時間、移動速度、重建算法等均選擇CT機內置參數。

(2)空隙率變化

CT掃描結果表明，瀝青混凝土的試件在凍融循環前空隙率分布較為均勻，在凍融循環后(凍融16次)的空隙率時沿著試件高度有明顯的規律性，即瀝青混凝土的空隙率分布曲線沿高度方向呈“凹形”變化，試件中間的空隙率小，兩端空隙率大，且上方空隙率>下方空隙率。同時，凍融后的瀝青混凝土空隙率有明顯的增加。

(3)空隙數量變化

瀝青混凝土的試件在凍融循環后的空隙數量分布與空隙率相反，呈“凸形”分布，試件中間空隙數量多，試件兩端空隙數量少，這表明瀝青混凝土試件兩端空隙體積較大，中間位置以小空隙為主。

4 結 語

在探討瀝青混凝土損傷概念的基礎上，分析了凍融循環前后瀝青混凝土的力學性能、疲勞壽命及細觀損傷情況，主要得到了以下結論：(1)瀝青混凝土損傷理論有連續損傷理論和細觀損傷理論，兩者側重點差異較大。(2)瀝青混凝土的力學性能會隨著凍融循環次數的增加而衰減，且回彈模量受凍融循環次數的影響更加明顯。(3)反復凍融作用下，瀝青混凝土疲勞壽命會降低，且對應力水平更加敏感。⑷凍融后，瀝青混凝土的空隙率和空隙數量提高。