基于紅外光譜的瀝青混合料抗疲勞性能快速評(píng)估

■洪茂枝

（1.福建省交通科技發(fā)展集團(tuán)有限責(zé)任公司，福州 350004；2.近海公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)新材料技術(shù)應(yīng)用交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，福州 350004）

紅外光譜技術(shù)作為一種重要的測(cè)試手段，可以通過檢測(cè)瀝青中的特定化學(xué)鍵和官能團(tuán)來分析其成分，包括瀝青的瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、芳香分和飽和分。這種分析可以幫助確定瀝青的組成和濃度，從而評(píng)估其質(zhì)量和性能。 瀝青路面作為我國高等級(jí)公路的主要表現(xiàn)形式，其在服役過程中由于持續(xù)的車輛荷載作用，加之環(huán)境不利因素影響，瀝青混合料產(chǎn)生疲勞開裂導(dǎo)致路面使用壽命縮短的現(xiàn)象十分普遍，降低行車舒適性，并嚴(yán)重影響瀝青路面的服役耐久性。 因此，采用紅外光譜技術(shù)對(duì)瀝青混合料的抗疲勞性能進(jìn)行快速檢測(cè)受到了廣泛關(guān)注[1-3]。 楊三強(qiáng)[4]通過葉紅外光譜技術(shù)對(duì)90#A 級(jí)瀝青和SBS 改性瀝青進(jìn)行測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)通過對(duì)比分析瀝青紅外光譜圖的特征峰可實(shí)現(xiàn)瀝青材料優(yōu)劣的快速評(píng)判，可大大縮短檢測(cè)評(píng)價(jià)瀝青材料各項(xiàng)指標(biāo)的試驗(yàn)時(shí)間。 孫大權(quán)[5]制備不同SBS 含量的SBS 改性瀝青，結(jié)果表明，699 cm-1處的吸收峰為SBS 改性劑的特征吸收峰，且二者面積比（A699/A810）與SBS 摻量之間呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，認(rèn)為據(jù)此繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線可快速、準(zhǔn)確檢測(cè)SBS 改性瀝青中SBS 的含量。馬子嶸[6]通過對(duì)紅外譜圖計(jì)算PCA 得分和峰面積，對(duì)入庫樣本與標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行比對(duì)；選定吸光度PCA 得分的余弦相似度和皮爾森相似度兩個(gè)指標(biāo)及合格閾值作為基質(zhì)瀝青質(zhì)量監(jiān)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)瀝青質(zhì)量的快速監(jiān)測(cè)。 陳穎娣等[7]分析不同瀝青種類以及不同摻量的SBS 改性瀝青的峰位置及峰高，發(fā)現(xiàn)不同種類瀝青特征吸收峰的峰位置都相同，而峰高卻明顯不同，通過紅外光譜可以檢測(cè)SBS 改性瀝青的改性劑摻量。 楊龍清等[8]采用基于衰減全反射紅外光譜法對(duì)同一瀝青樣品分別進(jìn)行4 種不同制樣方式的檢測(cè)，建議使用熔融成膜法作為最優(yōu)檢測(cè)方式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)基質(zhì)瀝青質(zhì)量的快速檢測(cè)。張亮等[9]通過紅外光譜儀對(duì)經(jīng)過光、熱、水耦合下不同時(shí)長老化的3 種瀝青的微觀特征進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)3 種基質(zhì)瀝青的化學(xué)成分都發(fā)生了一定的變化，得出結(jié)論：3 種基質(zhì)瀝青的抗老化性能為90# 優(yōu)于70# 優(yōu)于50#。 汪澤星[10]采用紅外光譜儀，定性定量分析Sasobit 溫拌劑及多聚磷酸（PPA）改性劑的摻入對(duì)基質(zhì)瀝青化學(xué)組成、官能團(tuán)和分子結(jié)構(gòu)的影響，證明了Sasobit 溫拌劑與瀝青具有良好的相容性，并且提高了溫拌瀝青的高溫性能和熱穩(wěn)定性。 錢樹波等[11]利用紅外光譜法，對(duì)不同施工階段的瀝青取樣后進(jìn)行檢測(cè)，求取特征峰積分面積，發(fā)現(xiàn)了瀝青在施工過程中以熱氧老化為主，SBS 改性劑在施工過程中由于高溫、老化等因素影響，可能產(chǎn)生降解現(xiàn)象，同時(shí)也驗(yàn)證了紅外光譜法作為瀝青路面施工控制手段的可行性。 呂松濤等[12]使用紅外光譜試驗(yàn)探究了甲基苯乙烯共聚物（SMC）再生劑對(duì)老化瀝青的再生效果和再生機(jī)理， 使用鍵合指數(shù)評(píng)價(jià)瀝青的氧化硬化或老化程度，得出結(jié)論：再生劑對(duì)老化瀝青具有良好的恢復(fù)作用，且紅外光譜中無新官能團(tuán)產(chǎn)生，即SMC 再生劑沒有與瀝青發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，兩者僅是物理共存。李九蘇等[13]通過紅外光譜試驗(yàn)，研究十溴二苯乙烷（DBDPE）阻燃劑與反應(yīng)型常溫瀝青的相容性，得出結(jié)論：DBDPE 與反應(yīng)型常溫瀝青未發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，且兩者之間具有良好的相容性。 現(xiàn)有的研究中，大多數(shù)為采用紅外光譜對(duì)瀝青性能進(jìn)行檢測(cè)，而缺少在瀝青混合料方面的應(yīng)用， 本文將通過制備不同原材料的瀝青混合料，嘗試建立紅外光譜與其疲勞性能之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)瀝青混合料抗疲勞性能的快速評(píng)估。

1 試驗(yàn)測(cè)試方法

1.1 瀝青混合料抗疲勞性能測(cè)試

目前，普遍使用的疲勞試驗(yàn)包括直接拉伸試驗(yàn)、四點(diǎn)小梁疲勞試驗(yàn)、劈裂試驗(yàn)、半圓彎曲試驗(yàn)及兩點(diǎn)彎曲試驗(yàn)等。 考慮到試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性、夾具特殊性及操作便捷性，最終選擇四點(diǎn)小梁疲勞試驗(yàn)作為疲勞測(cè)試方法。 該試驗(yàn)是一種常用的材料疲勞性能評(píng)價(jià)方法，可以用來研究材料在受循環(huán)加載下的疲勞壽命和疲勞裂紋擴(kuò)展性能。 在試驗(yàn)中，試件通常采用長條狀的形狀，通過在試件的兩個(gè)支撐點(diǎn)之間施加加載，試件會(huì)發(fā)生彎曲變形，產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。 由于試件的幾何形狀和加載方式，該試驗(yàn)?zāi)軌虍a(chǎn)生較大的應(yīng)力梯度，使得試件的中心部分受到較大的彎曲應(yīng)力。 這種應(yīng)力分布有利于研究材料的疲勞性能和疲勞裂紋擴(kuò)展行為。 在試驗(yàn)中，試件經(jīng)歷了循環(huán)加載，即反復(fù)施加和卸載加載。 通過在每個(gè)加載循環(huán)后測(cè)量試件的應(yīng)變和載荷，可以得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線和載荷-位移曲線。通過四點(diǎn)彎曲小梁疲勞試驗(yàn)，可以得到較為完整的瀝青混合料疲勞性能數(shù)據(jù)，為壽命預(yù)估模型的建立提供可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，方便后續(xù)理論計(jì)算，相對(duì)于其他試驗(yàn)方法，它更具可行性和實(shí)用性。

相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)力控制加載模式下，瀝青混合料由于屈服導(dǎo)致的塑性變形很小，而裂縫周圍的局部塑性變形十分顯著。 而疲勞裂縫的擴(kuò)展主要是由局部塑性變形造成的，因此相比于應(yīng)力控制加載模式，采用應(yīng)變控制的四點(diǎn)彎曲小梁疲勞試驗(yàn)研究瀝青混合料疲勞裂縫的擴(kuò)展過程更加合理。

為了探究瀝青混合料疲勞開裂規(guī)律，不僅需要測(cè)量得到瀝青混合料在損傷階段的材料性能，也需要無損階段的材料性質(zhì)作為參考依據(jù)從而確定損傷效應(yīng)損耗的力學(xué)性質(zhì)（包括模量和相位角），因此試驗(yàn)包括無損試驗(yàn)和損傷試驗(yàn)。 無損試驗(yàn)是為了獲得瀝青混合料的在線性黏彈性區(qū)間內(nèi)的力學(xué)性能，為后續(xù)疲勞損傷中的計(jì)算提供參考依據(jù)，采用的應(yīng)變水平為60 με，每次測(cè)試進(jìn)行600 個(gè)加載循環(huán)。損傷試驗(yàn)是為了獲得瀝青混合料疲勞開裂時(shí)的力學(xué)性能，采用的應(yīng)變水平為600 με，終止條件為模量降低至初始模量的20%，這樣設(shè)置可以確保疲勞試驗(yàn)具有足夠的試驗(yàn)周期，使得瀝青混合料能依次經(jīng)歷無損、部分損傷、疲勞失效等整個(gè)疲勞損傷階段，獲取相應(yīng)疲勞損傷階段的力學(xué)響應(yīng)數(shù)據(jù)。 相應(yīng)有損試驗(yàn)在無損試驗(yàn)結(jié)束后的1 200 s 后開始，保證試件完全恢復(fù)。

1.2 紅外光譜測(cè)試

在瀝青領(lǐng)域，紅外光譜技術(shù)通常被用于對(duì)瀝青材料進(jìn)行質(zhì)量控制、成分分析和性能評(píng)估。 紅外光譜技術(shù)已經(jīng)成為了瀝青領(lǐng)域的重要測(cè)試手段，紅外光譜技術(shù)可以通過檢測(cè)瀝青中的特定化學(xué)鍵和功能團(tuán)來分析其成分，包括瀝青的瀝青質(zhì)、膠質(zhì)、芳香分和飽和分。 這種分析可以幫助確定瀝青的組成和濃度，從而評(píng)估其質(zhì)量和性能。 同時(shí)，其可以對(duì)瀝青的物理和化學(xué)性能進(jìn)行評(píng)估，包括軟化點(diǎn)、黏度、抗老化性能等。 這些性能評(píng)估可以幫助確定瀝青適合的用途和施工條件。 其中，傅里葉紅外光譜儀是進(jìn)行紅外光譜測(cè)試的重要儀器。 不同于色散型紅外儀的工作原理，它沒有單色器和狹縫，利用邁克爾遜干涉儀獲得入射光的干涉圖，然后通過傅里葉數(shù)學(xué)變換， 把時(shí)間域函數(shù)干涉圖變換為頻率域函數(shù)圖（普通的紅外光譜圖）。 本文使用傅里葉紅外光譜儀對(duì)實(shí)驗(yàn)所用的70# 基質(zhì)瀝青、90# 基質(zhì)瀝青、SBS 改性瀝青進(jìn)行測(cè)試，獲得其紅外光譜數(shù)據(jù)，用于后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。

2 瀝青混合料試件制備

2.1 瀝青

瀝青是瀝青混合料的重要組成成分，在瀝青混合料中起到膠結(jié)的關(guān)鍵作用。 因此，不同的瀝青會(huì)對(duì)瀝青混合料的性能產(chǎn)生很大的影響，本文采用70# 瀝青、90# 瀝青和SBS 改性瀝青等3 種瀝青分別用于制備不同的瀝青混合料，測(cè)試其疲勞開裂性能。 按照J(rèn)TG F40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》[14]，本項(xiàng)目所采用的SBS 改性瀝青（I-D）、70# 瀝青和90# 瀝青性能及相關(guān)要求如表1所示。

表1 瀝青性能指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

2.2 集料

粗集料在瀝青混合料中起著支撐、強(qiáng)度和穩(wěn)定性的作用，其特點(diǎn)是堅(jiān)固耐用，能夠承受交通負(fù)荷和環(huán)境變化。 細(xì)集料在瀝青混合料中起著填充、潤濕和增強(qiáng)瀝青膠黏性的作用。 其特點(diǎn)是顆粒細(xì)小，能夠填充瀝青混合料中的空隙，提高混合料的密實(shí)度和稠度。 細(xì)集料能夠增加瀝青混合料的黏結(jié)力和抗剪強(qiáng)度，提高其抗水性和耐久性。本文采用了2 種粗集料，分別為輝綠巖和石灰?guī)r，2 種集料的各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足規(guī)范要求。

2.3 瀝青混合料

將3 種瀝青與2 種集料進(jìn)行搭配，采用AC-13級(jí)配，制備AC-13 石灰?guī)r＋70# 瀝青混合料、AC-13輝綠巖＋70# 瀝青混合料、AC-13 石灰?guī)r＋90# 瀝青混合料、AC-13 輝綠巖＋90# 瀝青混合料、AC-13 石灰?guī)r＋SBS 瀝青混合料、AC-13 輝綠巖＋SBS 瀝青混合料等6 種瀝青混合料進(jìn)行疲勞測(cè)試。AC-13 級(jí)配設(shè)計(jì)曲線如圖1 所示，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，最佳油石比為4.5%，制備的所有瀝青混合料均滿足規(guī)范要求。 采用輪碾壓實(shí)成型儀制備瀝青混合料試件，按照規(guī)范要求切割，獲得長度為380 mm±5 mm、厚度為50 mm±5 mm、寬度為63.5 mm±5 mm 的小梁試件，按照上一章節(jié)中的試驗(yàn)方案進(jìn)行四點(diǎn)小梁疲勞試驗(yàn)。

圖1 AC-13 級(jí)配設(shè)計(jì)圖

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 瀝青混合料抗疲勞性能分析

瀝青混合料發(fā)生疲勞的能量可以分為兩部分，一部分用于發(fā)展線性黏彈性效應(yīng)，而另一部分則用于發(fā)展疲勞損傷。 運(yùn)用虛擬應(yīng)變的概念將線性黏彈性效應(yīng)消耗的能量從耗散應(yīng)變能中分離出來，從而只剩下由于非線性黏彈性效應(yīng)和損傷效應(yīng)而消耗的耗散應(yīng)變能，剩余這部分能量叫做耗散虛擬應(yīng)變能，表達(dá)式如式（1）所示：

式中，DPSE 為虛擬耗散能，J/m3；t 為加載時(shí)間，s；σ0N為應(yīng)力振幅，Pa；ε0N為應(yīng)變振幅，με；φ 為相位角，°；φLVE為線性黏彈性階段的相位角，°。

通過虛擬耗散應(yīng)變能，可以剔除線性黏彈性效應(yīng)的影響，從而得到用于發(fā)展疲勞損傷的能量。 在無損測(cè)試中，耗散虛擬應(yīng)變能為0，沒有能量用于發(fā)展損傷，在損傷測(cè)試中，其中產(chǎn)生的虛擬耗散應(yīng)變能即為用于發(fā)展疲勞損傷的能量。

根據(jù)瀝青混合料疲勞開裂發(fā)展規(guī)律，其在第二階段穩(wěn)定發(fā)展，帕里斯公式是使用最廣泛的用于描述單條裂縫發(fā)展規(guī)律的公式，同時(shí)公式中的參數(shù)A和n 與其抗疲勞性能密切相關(guān)。 然而在瀝青混合料內(nèi)部，其裂縫擴(kuò)展是多數(shù)量且隨機(jī)分布的，因此采用虛擬J 積分來對(duì)公式進(jìn)行修正，使公式能更好地描述瀝青混合料內(nèi)部的開裂情況。 修正后的帕里斯公式如式（2）所示：

修正帕里斯公式參數(shù)A′和n′能夠代表瀝青混合料疲勞裂縫的開裂趨勢(shì)，從而評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗開裂性能的優(yōu)劣。 通過理論分析，修正帕里斯公式參數(shù)n′與參數(shù)A′的對(duì)數(shù)形式確實(shí)存在線性關(guān)系，但是參數(shù)A′不僅與n′有關(guān)，還與材料的其他固有性質(zhì)指標(biāo)有關(guān)，同時(shí)也會(huì)隨著加載方式和環(huán)境因素的改變而改變，因此參數(shù)n′評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗開裂性能更為合適，也更具代表性。 n′的表達(dá)式如式（3）所示，其中b、d 均為計(jì)算參數(shù)，詳細(xì)計(jì)算過程可參考文獻(xiàn)[15]。

3.2 紅外光譜數(shù)據(jù)分析

采用OMNIC 軟件對(duì)瀝青試樣的紅外光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。 紅外光譜的預(yù)處理主要有數(shù)據(jù)平滑、數(shù)據(jù)求導(dǎo)、基線校正、標(biāo)準(zhǔn)化處理、扣除二氧化碳、矢量歸一化、選擇光譜區(qū)域等方法。 根據(jù)光譜受到的干擾情況，采用矢量歸一化（SNV）平滑（平滑點(diǎn)數(shù)為5） 和基線校正的方法對(duì)獲得的紅外光譜圖進(jìn)行預(yù)處理，最后獲得該樣品的最終光譜圖數(shù)據(jù)。 通過OMNIC 軟件對(duì)預(yù)處理過的紅外光譜圖進(jìn)行分析，經(jīng)過預(yù)處理后的70# 瀝青、90# 瀝青及SBS 改性瀝青的紅外光譜圖如圖2 所示。

圖2 3 種瀝青的紅外光譜圖

70#和90#基質(zhì)瀝青的紅外光譜特征吸收峰范圍為500～4 000 cm-1，其中比較明顯的吸收譜帶對(duì)應(yīng)的波數(shù)有2 920 cm-1、1 600 cm-1、1 376 cm-1、1 306 cm-1、1 031 cm-1、744 cm-1和721 cm-1等。 這些特征峰與瀝青各組分的吸收峰一致，表明基質(zhì)瀝青中含有較多—CH3與—CH2等官能團(tuán)。SBS 改性瀝青紅外光譜除了具有以上特征吸收峰外，在967 cm-1處和699 cm-1處產(chǎn)生了額外的特征峰，這2 個(gè)特征峰表明SBS 中添加的改性劑包含這2 個(gè)吸收峰對(duì)應(yīng)的官能團(tuán)成分，與SBS 改性劑的成分（苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物）相吻合。

3.3 紅外光譜與抗疲勞性能關(guān)系

采用70#、90# 及SBS 改性瀝青3 種瀝青，與輝綠巖、 石灰?guī)r2 種集料制備了6 種瀝青混合料試件，在級(jí)配類型與集料種類均相同的情況下，不同瀝青混合料之間僅有瀝青不同，正是瀝青的不同導(dǎo)致了瀝青混合料有著不同的疲勞性能。 以瀝青作為變量，探索獲得瀝青的紅外光譜特征峰瀝青混合料抗疲勞性能參數(shù)之間的關(guān)系。 根據(jù)圖2 可以發(fā)現(xiàn)，在1 500～1 650 cm-1區(qū)段內(nèi)，3 種瀝青具有明顯的特征峰差異， 分別為1 540 cm-1特征峰與1 600 cm-1特征峰，前者代表著C-C 的伸縮振動(dòng)，后者代表著C=C 在芳香烴中的伸縮振動(dòng)。 該部分的特征峰面積在3 種瀝青之間形成了明顯的區(qū)別，因此，將選用該區(qū)域的紅外光譜峰面積進(jìn)行計(jì)算，并探索其與瀝青混合料抗疲勞性能參數(shù)之間的聯(lián)系，最終得到輝綠巖瀝青混合料及石灰?guī)r瀝青混合料紅外光譜峰面積與抗疲勞性能參數(shù)n′的關(guān)系如圖3、4 所示。

圖3 石灰?guī)r瀝青混合料紅外光譜峰面積與抗疲勞性能參數(shù)關(guān)系

圖4 輝綠巖瀝青混合料紅外光譜峰面積與抗疲勞性能參數(shù)關(guān)系

從圖3、4 中可以看出，瀝青混合料抗疲勞性能參數(shù)n′與瀝青1 500～1 650 cm-1區(qū)段紅外光譜面積為負(fù)相關(guān)趨勢(shì)，石灰?guī)r瀝青混合料紅外光譜峰面積與n′關(guān)系擬合表達(dá)式為y=-0.3105x＋5.2932，相關(guān)性R2=0.90， 輝綠巖瀝青混合料紅外光譜峰面積與n′關(guān)系擬合表達(dá)式為y=-0.5386x＋5.8484，相關(guān)性R2=0.97，隨著1 500～1 650 cm-1區(qū)段紅外光譜面積的增加，抗疲勞性能參數(shù)n′逐漸減小。 紅外光譜峰面積與瀝青混合料抗疲勞性能參數(shù)之間表現(xiàn)出了較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，表明了使用紅外光譜表征瀝青混合料抗疲勞性能的快速性和準(zhǔn)確性，具有很廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

制備不同類別的瀝青混合料，通過四點(diǎn)小梁彎曲疲勞試驗(yàn)獲取瀝青混合料無損及疲勞損傷的性能數(shù)據(jù)，并采用紅外光譜技術(shù)對(duì)所用瀝青進(jìn)行測(cè)試，最終建立瀝青混合料抗疲勞性能與紅外光譜特征峰之間的關(guān)系，結(jié)論如下：（1）從不同試驗(yàn)中的瀝青混合料性能數(shù)據(jù)變化可知，在小應(yīng)變作用下，混合料處于無損階段，瀝青混合料內(nèi)部沒有產(chǎn)生損傷；在大應(yīng)變作用下，模量隨著加載周期而下降，相位角隨著加載周期而上升，此時(shí)混合料已經(jīng)產(chǎn)生了疲勞損傷；（2）本項(xiàng)目采用能量平衡方程作為理論前提，以修正帕里斯公式作為推導(dǎo)核心，結(jié)合耗散虛擬應(yīng)變能、損傷密度表達(dá)式及虛擬J 積分表達(dá)式等，求解得到了修正帕里斯公式的參數(shù)表達(dá)式，推薦使用參數(shù)n′用來表征瀝青混合料的抗疲勞性能；（3）使用紅外光譜技術(shù)獲得不同瀝青的特征峰數(shù)據(jù)，通過對(duì)比紅外光譜圖發(fā)現(xiàn)，在1 540 cm-1與1 600 cm-1位置特征峰在不同瀝青之間具有差異，選用該區(qū)域的紅外光譜峰面積進(jìn)行計(jì)算，用于表征不同瀝青之間性能的差異；（4）擬合得到n′與紅外光譜峰面積的關(guān)系，石灰?guī)r瀝青混合料的關(guān)系表達(dá)式n′=-0.3105A+5.2932，輝綠巖瀝青混合料的關(guān)系表達(dá)式n′=-0.3105A+5.2932，關(guān)系表達(dá)式R2可達(dá)90%，表現(xiàn)紅外光譜與瀝青混合料疲勞性能之間的強(qiáng)相關(guān)性。