瀝青混合料疲勞損傷試驗表征綜述

王佳妮, 高世杰, 董元帥, 田佳磊

(1.北京城市交通基礎設施建設工程技術研究中心, 北京 100044; 2.北京建筑大學土木與交通工程學院, 北京 102616; 3.中咨數據有限公司, 北京 100089)

瀝青路面在車輛重復荷載和環境因素的綜合作用下,性能逐漸劣化,產生損傷累積并最終發展為開裂破壞的過程,是一種典型的疲勞損傷現象[1-2]。疲勞壽命是指結構層達到疲勞破壞時所能承受的重復荷載作用次數[3]。目前國內外的瀝青路面設計方法,多是以瀝青混合料的疲勞性能參數為主要控制指標而建立的,且采用力學和經驗相結合的方法[4-8]。近幾十年來,世界各地的研究人員已開展了大量的試驗和理論分析來了解瀝青路面疲勞開裂的原因,并通過建立疲勞損傷模型來預測疲勞壽命。

疲勞損傷理論最早應用在金屬材料中,主要是研究在重復荷載作用下材料內部的應力、應變以及細微結構變化(損傷)隨循環加載次數演變的規律。該理論在興起不久后,就引起道路工程專家的重點關注,并逐漸應用于研究瀝青混合料的疲勞破壞與損傷演化[9-12]。為了表征和評價瀝青混合料疲勞性能,研究工作者提出了一系列分析方法,傳統上采用的是基于現象學的疲勞方程,之后發展起來的耗散能和黏彈性連續損傷方法也有較大的應用前景。目前疲勞性能試驗方法有現場測試、足尺路面試驗和室內小型試驗等,為了保證性能評估的可靠性,在實驗室進行的疲勞試驗需要模擬現場瀝青層所承受的載荷和環境條件。然而,由于瀝青混合料的復雜特性,精準設計瀝青混合料疲勞試驗面臨著重大挑戰。隨著計算機仿真、數字圖像處理等技術的發展,從細觀尺度分析和模擬瀝青混合料的疲勞損傷也成為道路研究領域的一個熱點。

現從路面材料與結構疲勞開裂機理、疲勞損傷表征和試驗方法幾方面,系統梳理瀝青混合料及路面疲勞損傷在國內外的研究現狀,探討瀝青混合料疲勞損傷在宏觀和細觀尺度上研究的新進展。

1 瀝青路面疲勞開裂機理

瀝青路面長期承受重復交通荷載和自然環境條件影響,疲勞開裂是最常見的表面損壞形式之一,路面結構的疲勞損傷決定著路面使用壽命。

1.1 路面疲勞開裂形式

在車輪荷載作用下,瀝青結構層不同部位的受力狀態如圖1所示[13]。車輪正下方的瀝青層層底受拉而頂部受壓,而薄路面的彎曲特性會使路面頂部在車輪周圍區域產生張拉力,重復荷載作用下便會產生自下而上開裂和自上而下開裂兩種類型的疲勞裂縫[14-16]。

圖1 車輪荷載作用下路面瀝青層的應力狀態[13]Fig.1 Stress state of pavement asphalt layer under the action of wheel load[13]

自下而上裂縫是一種典型的瀝青路面疲勞裂縫。當重復荷載作用引起的重復拉伸應力超過瀝青混合料的疲勞抗拉強度時,就會在瀝青層層底的軟弱區域累積損傷,并產生細而短的微觀裂縫。微觀裂縫逐漸擴展為宏觀裂縫,沿著與最大彎拉應力正交的方向,進而從瀝青結構層底部發展到路表面。自下向上開裂除了受車輛重復荷載產生的彎拉應變影響外,受溫度、濕度變化等環境因素的影響也較大。在承載能力較弱的路基和基層中存在水分也會增加面層產生自下而上裂縫的可能性。自上向下的裂縫通常從面層的頂部傳播到底部,主要是由兩方面原因導致的:重載作用下,薄層及中等厚度層(1.5～5 inch,1 inch=2.54 cm)中由輪胎處發展的彎拉應力;較厚的瀝青層中從輪胎邊緣產生的剪切應力[17]。

1.2 路面力學響應分析

一般認為,瀝青面層的破壞源在結構層的層底,引起結構疲勞破壞的主要原因是層底拉應力,然而這一理論假設與實際路面結構的受力狀態不相符。王金鳴[18]對山西省重要高速公路路面裂縫的形貌特點和分布特征進行了大規模調研。結果表明,山西高速公路路面裂縫以貫穿橫縫、輪跡帶范圍內的縱縫為主,前者是典型的基層反射裂縫,后者是由于輪胎外緣剪切應力引起的自上而下裂縫,如圖2所示。

圖2 實際瀝青路面裂縫取芯[18]Fig.2 The core with cracks in actual asphalt pavement[18]

為此,鄭健龍[19]通過力學分析探究了瀝青路面近表面的應力分布特征,論證了以路表荷載作用區邊緣作為瀝青路面破壞源的合理性。王旭東等[20]比較分析了足尺環道不同結構類型試驗路段表現出的疲勞損傷狀態類型,提出瀝青路面雙向疲勞損傷的模式,即行車荷載作用下,瀝青路面同時產生自上而下和自下而上的疲勞損傷,對于自上而下的疲勞損傷,以路面非線性力學分析模型計算路面結構內部不同深度位置的應變分布。趙延慶等[13]利用三維黏彈性有限元模型計算了瀝青路面路表和瀝青層底的水平應力,并討論了荷載模式與溫度變化對路面黏彈性響應的影響,結果表明循環荷載作用下,路表和瀝青層底都受水平壓、拉應力作用,并各自產生少量殘余應力,可能是造成路面疲勞開裂的原因。

上述研究均是從路面結構的宏觀力學響應分析出發,通過力學模型計算來研究瀝青路面疲勞開裂機理。但從細觀的角度,疲勞開裂是由于材料所受最大重復拉應力超過了材料的疲勞強度,裂縫沿著材料薄弱界面擴展產生的。疲勞損傷破壞的過程經歷從材料內部微小損傷的萌生和擴展,再到損傷累積而引起材料強度下降和剛度衰減,直致結構發生破壞。材料的細觀分析為深刻理解瀝青混合料疲勞損傷開裂機理提供了有利的條件。

1.3 細觀疲勞損傷機理分析

X-ray 計算機斷層(computerized tomography,CT)掃描是一種常用的獲取瀝青混合料內部細觀結構圖像的方法[21]。采用X射線對試件斷層進行旋轉掃描,X-ray穿透斷層時強度會發生衰減,再經計算機解算就可以得到被測斷層的數字圖像。將不同物質的射線吸收率定義為CT數,物質的密度越大,CT數越大,在圖像上表現為亮度最高。X-ray CT掃描技術具有圖像精度高、無損檢測、獲取信息豐富的特點。李巖等[22]通過X-ray CT掃描技術獲取到不同空隙率的瀝青混合料試件在不同疲勞損傷階段的CT掃描圖像。由CT圖像分析瀝青混合料內部的疲勞損傷變化情況,根據雙峰法選定合適的閾值,將不同空隙率瀝青混合料試件的內部基體、粗集料分離開來,對CT圖像進行二值化處理,并提取其中粗集料顆粒和空隙的細觀特征參數。

由于宏觀力學試驗難以從細觀角度觀測到裂縫開裂和擴展機理,越來越多研究人員采用計算機數值模擬來輔助實際力學試驗,建立虛擬試驗的荷載和環境條件,并分析試件內部結構應力應變的變化,從細觀角度了解試件開裂過程和材料疲勞性能演化情況[23-24]。有限元和離散元仿真是目前普遍采用的兩種數值模擬方法。孫雅珍等[25]基于有限元模擬中的內聚力模型,以單元損傷模擬混合料開裂,對細觀尺度下瀝青混合料中裂縫的萌生、擴展與失效的全過程進行模擬,并探討了骨料物理力學性質和界面黏結強度對瀝青混合料抵抗拉伸開裂性能的影響。通過該模型得到瀝青混合料受拉時裂縫擴展過程的應力分布情況,如圖3所示。

圖3 裂縫擴展過程的應力分布情況[25]Fig.3 Stress distribution of the crack expansion process[25]

在加載初期,骨料-砂漿界面以及砂漿內部黏結良好,粗骨料主要承受拉應力作用;到加載中期,骨料和砂漿黏結界面出現細小裂縫,界面起主要抗拉作用,同時裂縫的起裂方向大多垂直于荷載的作用方向;在加載后期,骨料-砂漿界面處已經完全開裂,應力集中在砂漿內部裂縫區域,此時粗骨料間瀝青砂漿部分起主要抗拉作用。

數字圖像相關(digital image correlation,DIC)技術是另一種分析瀝青混合料細觀疲勞損傷的方法,通過對變形過程中不同時段試件表面的散斑單元進行計算,測量其細觀尺度的位移與應變,從而對瀝青混合料內部結構進行定量或定性分析[26]。這種方法具有無損傷、無接觸、動態實時檢測等特點,可為研究材料的損傷演化提供必要的支撐條件。牛冬瑜等[27]、崔亞楠等[28]均采用彎曲疲勞試驗和DIC技術來分析瀝青混合料宏觀和細觀疲勞損傷特性,觀察水平應變場分布并以應變波動量為損傷因子來反映細觀的損傷演化,如圖4所示。從圖4中可以看到,初始損傷階段的水平應變分布雜亂無序;損傷發展階段的水平應變分布從不均勻變為均勻,在荷載作用處的底部,應變由小變大并產生細觀的損傷累積;疲勞破壞階段的水平應變分布均勻,損傷區域的應變驟增,裂紋大量聚集導致宏觀的開裂。

目前瀝青混合料及路面在疲勞開裂機理方面的研究傳統上還是基于宏觀疲勞試驗的力學分析方法,也有一些學者通過數值模擬、數字圖像處理等方法,從細觀尺度研究疲勞裂縫產生和擴展的整個過程。由于疲勞損傷細觀機理反映了材料的內在特性,采用細觀方法研究疲勞損傷開裂特性將是未來發展的一個趨勢。

2 混合料的疲勞損傷表征方法

表征瀝青混合料應力應變響應的疲勞損傷模型方法主要有現象學法、斷裂力學法、損傷力學法和能量法。通過對瀝青混合料進行疲勞試驗,找到能合理表征混合料疲勞損傷的參數,用這些模型來描述疲勞損傷隨循環加載次數增加而累積演化的規律。

2.1 現象學方法

現象學方法在材料疲勞性能研究中使用的模型即S-N(應力-壽命)疲勞方程[29],通常表示為疲勞壽命與拉伸應力或應變之間的冪函數關系,表達式為

(1)

式(1)中:Nf為發生疲勞破壞時的重復加載次數,即疲勞壽命;σ為應力水平;k、n為與材料特性相關的常數。

在雙對數坐標下,疲勞壽命與應力(或應變)水平呈線性相關。瀝青混合料的疲勞性能可通過參數k和n反映:k越大,疲勞曲線的線位越高,疲勞壽命越長則抗疲勞性能越好;n越大,曲線越陡,疲勞壽命對應力水平越敏感,其抗疲勞性能就越差。楊麗英等[30]采用控制應變的四點彎曲疲勞實驗測出普通熱拌、熱拌再生和溫拌再生瀝青混合料的疲勞壽命,通過現象學法,將數據擬合成冪函數形式的疲勞方程來比較它們疲勞性能的優劣。Pasetto等[31]、Islam等[32]基于現象學法開展了大量瀝青混合料疲勞性能研究,發現不同應力或應變水平、加載頻率下瀝青混合料內部應力的變化速率不同,而方程未考慮此差異對試驗及分析結果產生的影響。胡江三等[33]、孫良鈺等[34]基于統計學方法發現再生瀝青混合料疲勞模型中的系數與RAP(reclaimed asphalt pavement)摻量、試驗加載頻率和試驗溫度相關性較高,可通過非線性擬合將這幾個因素引入疲勞方程中。現象學方法雖能簡單直觀地評價瀝青混合料的疲勞性能,但只能比較材料在相同試驗條件下的抗疲勞性能,無法將不同加載模式下的疲勞方程統一起來,需要在原方程中引入相應的影響因素進行修正。

重復荷載作用下,瀝青混合料損傷累積直至疲勞破壞過程中,勁度衰減演化過程經歷適應階段、準平穩階段及破壞階段3個階段[35],如圖5所示。Prowell等[36]通過線性、指數、對數和Weibull函數等不同數學模型擬合瀝青混合料的勁度模量衰減數據,結果顯示Weibull函數能相對較好地預測混合料整個疲勞試驗過程中的勁度模量變化。

圖5 瀝青混合料小梁勁度模量與循環次數關系曲線[35]Fig.5 Relationship curve between strength modulus of asphalt mixture beam and cycle numbers[35]

國內外學者基于全部衰減的勁度模量均對材料產生損傷變形的假定,將勁度模量的衰減值與初始值的比值作為損傷變量[37-38],并將相應的損傷曲線作為疲勞性能評價及壽命預測的重要理論依據。表達式為

(2)

式(2)中:D為瀝青混合料的疲勞損傷;E0為初始勁度模量;EN為加載次數為N時的勁度模量。

李伊等[39]采用幾種常用的瀝青混合料動態模量測試手段檢測了無損條件下的瀝青面層模量,以面層模量衰減量與無損條件下模量的比值來反映損傷累積,并建立了瀝青面層非線性的損傷演化方程。此外,考慮到瀝青混合料的黏彈性質,一些研究將全部勁度模量衰減分為兩部分,只有一部分會對瀝青混合料產生損傷變形,另一部分為黏彈性變形。這些研究認為以模量衰減相對變化率能更好地反映瀝青混合料的疲勞損傷演化。房辰澤等[40]根據累積勁度模量衰減量相對變化率CSMDR (cumulative stiffness modulus degradation ratio)分別建立了其與疲勞荷載次數的函數關系式和損傷模型,基于勁度模量衰減量與損傷演化速率的相關性分析建立了疲勞方程,預測橡膠瀝青混合料的Nf。陳瑞璞等[41]比較試驗得到的老化前后兩種瀝青混合料疲勞損傷的變化曲線,通過勁度模量損傷速率之比來評價瀝青混合料考慮自愈合的疲勞性能。勁度模量衰減模型能更直觀、科學地反映瀝青混合料的損傷演化規律,與傳統疲勞方程結合起來是今后需要長期發展和完善的。

2.2 斷裂力學法

在斷裂力學模型中,在重復荷載下的累積裂縫長度常被用于預測疲勞壽命。國外通常采用J積分方法來評價瀝青混合料的抗疲勞開裂性能[42],J積分定義為產生單位面積裂紋擴展時耗散能量的變化率,該值越大,表示混合料抗疲勞開裂能力越好。目前被廣泛用于研究混合料疲勞開裂特性的另一種模型為Paris裂縫擴展公式[43],表達式為

(3)

對于黏彈性材料,裂縫擴展參數A和m通常可以用Schapery參數方程來估計[44],從而評估瀝青混合料的疲勞性能。Zborowski等[45]對原來的Schapery通用黏彈性材料A參數方程進行了改進和修正,使原來的定值材料參數A成為一個動態參數,其值隨著溫度的變化和每個加載周期的變化而更新。周志剛等[46]應用斷裂力學方法,提出一種關于瀝青混合料對稱邊缺口試件拉伸疲勞損傷的封閉解法,并根據有限元計算與有關試驗結果的對比,確定了合適的瀝青混合料疲勞損傷特性參數,同時證明了在拉伸疲勞試驗情況下所提出的瀝青混合料非線性疲勞損傷模型的有效性。欒利強等[47]通過建立三維有限元路面模型,以斷裂力學為基礎,分析了單因素和多因素作用下路橋過渡段面層路面性能的變化規律,進而建立了結構組合和力學控制指標多因素的疲勞壽命預估模型。汪彪等[48]采用修正Paris公式分析瀝青混合料的疲勞性能,并分析了濕度對損傷密度增量的影響,提出了基于修正Paris公式的新指標lgA+m對其疲勞性能進行評價。然而,Paris公式忽略了瀝青混合料的裂紋起裂階段,與實際疲勞破壞過程不符,需要進一步的理論完善。

2.3 損傷力學法

在經典損傷力學中,線性累積損傷理論(Miner準則)成為設計路面結構來預測疲勞壽命的基礎理論。該準則認為瀝青混合料產生的疲勞損傷與加載次數呈線性關系,一次疲勞加載循環造成的損傷可表示為:加載次數與相同荷載幅值下極限加載次數的比值。當多次循環作用累積的總損傷值超過1時,表示達到了100%的疲勞壽命,即材料發生破壞。但其計算得到的疲勞壽命結果偏高,而且沒有考慮加載作用順序的影響。

Chaboche模型[49]是采用宏觀方法建立的經典損傷演化方程,能考慮損傷的非線性累積和演化。即

(4)

式(4)中:f(D)為損傷度的函數,可表示為兩種形式f(D)=(1-D)-β,或者f(D)=[1-(1-D)1+α]β(β為材料參數);α、b為材料參數,其中α取決于最大應力和平均應力,b為平均加載應力的線性函數,其系數項可分別由平均應力σm= 0和σm= 0的S-N曲線來確定。

Chaboche模型由不可逆熱力學推導出,屬于非線性損傷演化模型。該模型能體現荷載大小、加載順序對材料損傷演化的影響,在中國瀝青路面疲勞損傷分析中廣泛應用。李盛等[50]針對剛柔復合式路面的結構特點和現有研究的不足,運用損傷力學中的Chaboche模型和斷裂力學理論,結合數值仿真方法分析了瀝青層的荷載疲勞損傷特性、開裂機理以及反射裂縫擴展等,并對實體工程進行了觀測。孫志林等[51]基于Chaboche模型建立了考慮路面材料非線性疲勞損傷的數值模擬模型,分析了瀝青路面疲勞損傷隨深度、溫度和模量變化的規律。但由于該模型最初應用于金屬材料的疲勞損傷,不能體現瀝青材料黏彈性和試驗加載速率對材料損傷演化特性的影響,在模型中引入相應的影響變量將是今后研究的一個發展方向。

連續損傷模型是在Schapery研究的損傷演化理論的基礎上發展起來的。根據Schapery理論,材料疲勞破壞過程中,損傷的演化速率與能量的耗散速率存在對應關系[52],表達式為

(5)

式(5)中:S為反映損失內部狀態的變量;t為時間;W為應變能密度函數;β為材料參數。

圖6 耗散偽應變能隨循環次數的變化曲線[55]Fig.6 Change curves of dissipation pseudo strain energy with the number of cycles[55]

Mello等[56]通過頻率掃描試驗對不同類型瀝青混合料進行線性黏彈性表征,評估了黏彈特性與疲勞損傷參數之間的關系。Ameri等[57]采用簡化黏彈性連續損傷法評價了含軟化瀝青、再生劑和廢舊聚合物改性瀝青的瀝青混合料疲勞性能。馬曉燕等[58]基于黏彈性連續損傷理論,采用改進的SVECD模型結合有限元計算預測了在給定的加載歷史中材料的損傷演化及疲勞壽命,并分析瀝青以及填料體積分數對瀝青膠漿疲勞性能的影響。基于黏彈性連續損傷理論方法研究瀝青混合料疲勞損傷演化反映了材料的黏彈特性,在實際應用中具有一定的優勢。

2.4 能量法

在黏彈性材料的疲勞試驗中循環加載的每一個應變峰值會滯后于應力峰值一個相位角,應力應變曲線產生一個滯后環,能量法認為滯后環所包圍的面積代表了一個加載到卸載周期內的耗散能[59]。黏彈性材料的流變特性是影響其耗散能的根本因素,黏彈性材料吸收并儲存一部分變形能作為勢能,剩余的變形能通過黏性力耗散。圖7給出了黏彈性材料在加卸載過程中的應力應變響應和應力-應變滯回曲線[60]。

圖7 黏彈性材料的應力-應變曲線圖[60]Fig.7 Stress-strain curve diagram of the viscoelastic material[60]

Van Dijk等[61]首次使用耗散能分析瀝青混合料的疲勞響應,通過分析瀝青混合料小梁的重復彎曲疲勞試驗結果后發現,累積耗散能與疲勞壽命之間具有良好的冪函數關系,表達式為

(6)

式(6)中:W為累積耗散能;B、Z為材料參數。

此后,大量研究采用循環累積耗散能作為損傷因子來分析評價混合料的疲勞性能。Etheridge等[62]采用表觀損傷能參數預測和評定瀝青混合料的疲勞開裂性能,認為該參數能較好地反映混合料的疲勞開裂;Valdes-Vidal等[63]基于標準疲勞試驗和耗散能法研究了集料對瀝青混合料疲勞性能的影響。季節等[64-65]發現熱拌及溫拌再生瀝青瑪蹄脂碎石混合料 (stone mastic asphalt, SMA)瀝青混合料的疲勞壽命與累積耗散能的關系不會隨再生瀝青混合料RAP(reclaimed asphalt pavement)摻量、拌和方式的變化而變化。吉增暉等[66]通過疲勞壽命和累積耗散能這兩個指標來分析泡沫溫拌和熱拌橡膠瀝青混合料的疲勞性能,結果均表明泡沫溫拌橡膠瀝青混合料具有更優異的疲勞性能。楊光等[67]采用累計耗散能指標(Wf)分析了硬質瀝青混合料在不同溫度下的能量變化趨勢,發現不同材料的黏彈特性和剛度差異對其耗散能均有影響,進而引入累計耗散能-極限比指標(WfR)對Wf進行了修正。盡管基于累積耗散能的方法將疲勞損傷破壞與裂縫的萌生和擴展聯系起來,但該方法的局限性在于失效準則不能直接與材料的本構關系聯系起來。

疲勞損傷評價模型的建立基于不同的原理,關鍵是找到一個具有明確物理含義并易于取得的指標來表征疲勞損傷程度,建立與循環作用次數之間的損傷演化的關系。材料的損傷形態和機理研究,應和抗疲勞損傷的性能表征聯系起來,這對瀝青混合料疲勞損傷研究的發展具有重要的意義。另外,各種疲勞損傷預測模型分析的結果可能不一致,應當考慮到不同評價方法的差異性并進行修正統一。

3 混合料疲勞性能試驗方法

目前,瀝青混合料的疲勞試驗方法總結起來可以分為4類:一是實際路面在真實行車荷載作用下的疲勞試驗;二是足尺路面在模擬行車荷載作用下的疲勞試驗;三是試板試驗;四是室內小型試件疲勞試驗[68]。其中,足尺加速加載試驗由于能較好模擬路面全壽命周期內的疲勞損傷,也最接近實際行車荷載狀況,國內外許多研究基于這種試驗方法評價了試驗路面在重復荷載和環境作用下的耐疲勞性能,并建立了相應的疲勞模型[69-70]。試板試驗法采用上下面為直徑460 mm圓盤形或有一定寬跨比矩形的板式試件,并對其施加軸對稱中心荷載,加載方式可分為脈沖壓頭式、輪胎加壓式、動輪輪跡式和動板輪跡式等[71]。前三類試驗研究方法成本較高、周期較長,目前開展最多是室內小型試件疲勞試驗。

瀝青混合料的室內小型疲勞試驗方法種類繁多,試件及荷載類型、所處的應力狀態存在差異。北美大多數國家采用梁式試件進行重復彎曲疲勞試驗[72-74],歐洲多采用端部施加正弦波荷載的懸臂梯形梁試件[75-77]。而采用圓柱體試件進行間接拉伸疲勞試驗[78-79]在日本開展得比較多,底面拉伸(overlay tester)試驗[80-82]主要在美國德州等地應用。半圓彎拉試驗[83-84]是近年來興起的一種試驗方法,該方法起初用于研究巖石力學性能,后來也用于評價熱拌瀝青混合料的抗疲勞斷裂性能。表1總結了瀝青混合料常用的幾種室內疲勞試驗方法[85]。

表1 瀝青混合料常用室內疲勞試驗方法[85]Table 1 Common indoor fatigue test methods for asphalt mixture[85]

由于不同國家和研究人員所采用試驗方法的設計原理、參數設置以及失效判據不同,經常出現同種材料在不同試驗方法,甚至同種方法在不同試驗條件下得出不同結果的情況。如表1所示,直接拉伸、彎曲疲勞試驗均為一維應力狀態,且小梁彎曲和半圓彎曲的試件最大拉應力都出現在底部跨中位置,與實際路面受力特點更為接近。劈裂試驗是二維應力狀態,但其試件中心最大水平壓應力大于拉應力,與路面的實際受力狀態仍存在一定的差異。通過現場實際路面取芯分析疲勞損傷,發現間接拉伸疲勞試驗結果與實際路面疲勞性能的匹配較好[86],由間接拉伸疲勞試驗得到的破壞勁度模量和疲勞方程特征參數,可以作為瀝青路面理論設計方法中的基本參數。基于長期的室內試驗與路面性能驗證,歐洲兩點彎曲試驗獲得的疲勞曲線和復合模量結果既可用于混合料疲勞性能評價,經修正后還可作為路面設計輸入參數;而美國四點彎曲疲勞試驗結果現階段僅用于混合料疲勞性能的評價[87]。

國內外規范針對不同疲勞試驗方法,結合疲勞損傷理論提出了一系列瀝青混合料疲勞性能評價標準的參考方法。這些試驗方法必須和特定的疲勞損傷表征模型和理論公式相聯系,并根據特定的失效準則確定疲勞壽命。前面列出的幾種試驗方法均適用于現象學模型。英國規范[88]首推兩點彎曲疲勞試驗,其原理是在梯形試件頂部施加等幅度正弦位移,并記錄頂部處力和應變的變化,然后測量達到疲勞破壞時的疲勞壽命,最后繪制不同位移幅值水平下混合料的疲勞曲線。由疲勞曲線確定相對于106次循環的平均應變和疲勞曲線斜率,并對試驗結果的誤差進行控制。直接拉伸試驗可通過測量循環加載過程的動態模量和相位角分析抗疲勞損傷特性。美國AASHTO(American Association of State Highway and Transportation Officials)設計規范[89]詳細闡述了利用瀝青混合物性能試驗儀AMPT (asphalt mixtures performance tester)中的直接拉伸疲勞試驗制備和測試瀝青混合料疲勞性能,并基于VECD方法確定損傷特性曲線和失效準則的整個流程,對試驗數據GR和Nf采用冪律分布進行擬合。當采用四點彎曲疲勞試驗時也經常將不同循環加載周期下試件的受力、撓度變形和相位角的數據,應用于耗散能模型進行疲勞性能分析[90-91];半圓彎曲和底面拉伸試驗可基于斷裂力學獲取斷裂能及應力強度因子等指標,評價瀝青混合料的抗疲勞開裂性能[92-93]。

在疲勞試驗結果的離散程度方面,半圓彎拉疲勞試驗數據離散性較小,間接拉伸疲勞試驗次之,小梁疲勞試驗較大,兩點彎曲疲勞試驗數據離散性小于四點彎曲疲勞試驗[86,94]。常用的幾種室內試驗方法測得的疲勞壽命數據均存在一定離散性,而且在應變控制模式下離散性會更大,很難找到準確定義疲勞壽命的失效點,通常用統計學的正態分布、對數正態分布、Weibull分布函數來擬合疲勞壽命概率分布。ASTM(American Society of Testing Materials)規范[74]提到了一種基于單階段Weibull函數估計疲勞壽命失效點的方法,對彎曲梁剛度比(stiffness ratio,SR)的負對數關于循環次數N的數據點,進行雙對數坐標下的線性回歸,如圖8所示,在剛度比為50%時確定出失效點。江照偉等[95]對AC-20瀝青混合料進行間接拉伸疲勞試驗,引入三參數Weibull分布擬合疲勞試驗結果,并建立了混合料在不同保證率下的應力疲勞方程,結果表明,小樣本試驗下Weibull分布可清晰地反映出瀝青混凝土的壽命概率分布。基于概率論擬合數據的方法預測疲勞失效和壽命是很有效的,但是由于缺少可以判斷其通用性的基礎,采用不同概率分布函數的分析結果可能會有較大的偏差,而且對多參數的分布其擬合過程也較為復雜。

圖8 單階段Weibull函數線性回歸曲線[74]Fig.8 The linear regression curves of the single-stage Weibull function[74]

室內小型試件疲勞試驗由于試驗方法各異且受不同試驗條件的影響,試驗結果存在較大差異,對數據離散性的處理也應考慮到。此外,室內測試方法與實際路面服役狀態不相符,需要更精細地設置試驗加載的模式、頻率和溫度,真實模擬瀝青混合料在實際現場條件下的疲勞行為。

4 結論與展望

通過系統梳理瀝青混合料及路面疲勞開裂機理的研究現狀,并討論目前常用的各種表征混合料疲勞性能的測試方法與疲勞壽命預估模型,揭示出了瀝青混合料及瀝青路面疲勞損傷研究仍存在的一些問題,指出了未來就瀝青混合料疲勞損傷機理和表征可能的發展方向,具體結論如下。

(1)長期以來瀝青路面自下而上的裂縫研究較多,但自上而下裂縫的產生機理還未深入研究,室內材料試驗對這種裂縫的模擬和表征存在一定的難度。目前的室內小型試件試驗方法仍不能反映真實荷載環境下路面的疲勞行為,評價指標和失效準則的選取也不統一,需要對試驗加載的模式、頻率和溫度等條件進行精細化設置。四點彎曲疲勞試驗是目前室內試驗應用最廣泛的一種,而間接拉伸更適合于評價現場路面疲勞性能,兩者試驗結果的匹配性并不高。瀝青混合料的室內疲勞試驗表征與現場路面結構損傷狀態之間的相關性,是未來要持續推進的研究方向。

(2)未來要不斷完善和發展瀝青混合料的疲勞損傷理論,最終指導實際路面設計。基于能量理論和黏彈性連續損傷(VECD)理論的方法不受加載條件影響,在揭示疲勞特性和歷史荷載條件下的疲勞損傷規律方面具有優越性。但這兩種方法理論不能直觀地從材料的應力應變響應反映出疲勞損傷的演變規律。目前的設計方法廣泛采用基于拉應變指標的現象學模型,有必要在此基礎上將耗散能和損傷因子等指標引入到瀝青路面設計中。由于勁度模量衰減是混合料疲勞損傷產生的根本機制,對于衰減規律表征的研究也將成為今后疲勞損傷理論發展的重要課題。

(3)發展先進、無損的宏細觀試驗方法對疲勞損傷機理的研究具有促進作用。宏觀試驗需開發符合實際路面三維應力狀態的加載設備,并適當增加試驗的尺度。細觀分析方法中通過CT掃描等手段獲取到瀝青混合料內部結構的圖像,結合數字圖像技術評價瀝青混合料的內部損傷演化特征;近年來虛擬試驗也發展為細觀損傷機理分析的一種常用方法。將宏觀試驗和細觀機理分析聯系起來,可以更清晰地理解宏觀性能試驗結果。