于曉鵬

摘 要：反復(fù)載重作用造成的疲勞破壞，是目前國內(nèi)外瀝青混凝土鋪面的主要破壞模式之一，單就目前國內(nèi)柔性鋪面而言，重車超載情形相當(dāng)嚴(yán)重，相形之下，增加鋪面再維修的機(jī)率與國家工程建設(shè)成本。以鋪面所受車輛載重而言是具間歇性，以溫度效應(yīng)而言，瀝青混凝土材料特性極具感溫性，可說是瀝青混凝土自我愈合的能力。不同溫度下，疲勞破壞所產(chǎn)生的勁度損失皆有明顯的回復(fù)，愈合效應(yīng)在低溫時(shí)較為顯著，破壞率在低溫時(shí)，勁度損失較為快速。

關(guān)鍵詞：瀝青 混凝土 疲勞 破壞 愈合

中圖分類號：U4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（c）-0053-02

1 瀝青混凝土的愈合效應(yīng)

瀝青材料為一種同時(shí)具有黏性與彈性性質(zhì)的黏彈性體，在受高速剪應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生彈性變形，當(dāng)外力消失后，仍將回復(fù)原狀；在受低速剪應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生黏性變形，當(dāng)外力消失后，不易回復(fù)原狀。在低溫時(shí)，瀝青材料呈現(xiàn)固體性狀，當(dāng)溫度逐漸上升時(shí)，性狀也由黏狀而成液狀。在低溫固體狀下，受長時(shí)間荷重，此固體狀會發(fā)生變形，此為瀝青的另一特殊流性。由此可知，當(dāng)高溫且荷重停止作用時(shí)，瀝青膠泥的軟化流動會使瀝青混凝土產(chǎn)生愈合作用。愈合作用是來自于瀝青混凝土本身自愈的能力，因?yàn)r青混凝土鋪面易受溫度，或載重作用的影響，故當(dāng)溫度上升及卸除時(shí)的靜置期間，瀝青混凝土的可流動性會因此而增強(qiáng)，將使已存在的裂縫漸漸閉合裂縫范圍減少，此種愈合作用與荷重、溫度及靜置期間等因素有關(guān)。因此，愈合作用可減緩瀝青混凝土鋪面中，裂縫的開始、延伸及成長行為。

2 載重對愈合與疲勞破壞的相關(guān)性

對于非線性粘彈性材料，Schapery 假設(shè)一基本方程式同非線性彈性體，認(rèn)為粘彈體中的應(yīng)力與位移物理量為非必要的，而是以虛擬應(yīng)力及虛擬位移來作回旋積分，如下所示

及=物理量E（t）及D（t）=松弛模數(shù)及潛變?nèi)岫菶R=參考模數(shù)當(dāng)粘彈性材料受到反復(fù)荷重時(shí)，可在應(yīng)力-應(yīng)變圖中觀察遲滯回圈，根據(jù)非均質(zhì)應(yīng)力體的對應(yīng)原則理論，以含有裂縫的梁試體而言，在荷重歷時(shí)期間若破壞成長是微量的，在其應(yīng)力-虛擬應(yīng)變圖中的遲滯循環(huán)將不存在，因此，應(yīng)力與虛擬應(yīng)變的關(guān)系為單值函數(shù)，若當(dāng)愈合發(fā)生時(shí)，靜置期間前后的荷重路徑可維持似彈性行為。非線性彈性-粘彈性對應(yīng)原則為依據(jù)的虛擬應(yīng)變觀念，可表現(xiàn)在損壞過程中微損壞及愈合的特性，虛擬勁度的改變可被使用來定量疲勞試驗(yàn)中的微損壞及愈合，虛擬勁度隨荷重次數(shù)的增加而減少，由此可知，疲勞試驗(yàn)中有微損壞發(fā)生，若在靜置期間后虛擬勁度有明顯回復(fù)，則可證明愈合效應(yīng)的影響。損壞及愈合可由消散虛擬應(yīng)變能量來定量，高程度的累積消散虛擬應(yīng)變能量表示有高程度的疲勞破壞發(fā)生，低程度的累積消散虛擬應(yīng)變能量表示具疲勞破壞的抵抗性。

在考慮瀝青混凝土非線性黏彈性行為，且以虛擬應(yīng)變代替物理應(yīng)變忽略依時(shí)性的黏彈性行為，Lytton 表示，在重復(fù)荷重作用下只要循環(huán)未改變，材料仍假設(shè)為未破壞，此可證明Schapery所提出的彈性-粘彈性CP是成立的。然而，在未損害條件下材料的非線性行為，應(yīng)采用非線性修正因子即參考模數(shù)來忽略非線性行為，此修正因子為未損害非線性粘彈性瀝青混凝土的參考模數(shù)，此參考模數(shù)為荷重時(shí)間的函數(shù)，與瀝青混凝土非線性性質(zhì)有關(guān)；已損害非線性粘彈性材料的虛擬應(yīng)變是以線性粘彈性應(yīng)力除以非線性參考模數(shù)計(jì)算得到的，若量測得到的應(yīng)力與利用非線性參考模數(shù)的修正虛擬應(yīng)變圖形為直線關(guān)系，則假設(shè)此材料維持未損害。因此，消散虛擬-應(yīng)變能量在此循環(huán)中可描述材料的任何損害情形，包含塑性變形、熱能消散、破裂及愈合。以愈合效應(yīng)觀點(diǎn)來看，較硬混合物的愈合效應(yīng)較佳。

3 靜置時(shí)間對愈合與疲勞破壞的相關(guān)性

在靜置期間會有兩種不同機(jī)制發(fā)生于瀝青混凝土裂縫，一為瀝青混凝土粘彈性質(zhì)的應(yīng)力松弛，另一為瀝青混凝土材料性質(zhì)的化學(xué)愈合，此兩者機(jī)制皆可提高瀝青混凝土鋪面的疲勞年限。

評估瀝青混凝土鋪面裂縫的化學(xué)愈合是非常困難的，因?yàn)閼?yīng)力松弛及化學(xué)愈合幾乎會同時(shí)發(fā)生，此兩者的機(jī)制是依時(shí)性的。假設(shè)化學(xué)愈合及松弛在靜置期間有明顯的機(jī)制發(fā)生，為評估化學(xué)愈合的效應(yīng)，可以非線性粘彈性的CP來說明松弛過程的依時(shí)性，再由化學(xué)愈合機(jī)制中區(qū)分出松弛機(jī)制。在 Breysse[Breysse et al.，2003]研究結(jié)果顯示，當(dāng)瀝青混凝土試體在受到不同程度之疲勞破壞期間，將卸除時(shí)間作為試體愈合因子，由試體勁度回復(fù)的的結(jié)果，表現(xiàn)靜置期間對瀝青混凝土疲勞破壞的影響是有愈合作用的。

不同的靜置期間會引起不同的裂縫長度及損壞程度，須有方法將不同的損壞程度正規(guī)化，以評估不同損壞程度及靜置期間的愈合作用。以虛擬能量密度（pseudo energy density，）及愈合指標(biāo)（healing index，HI）來表現(xiàn)以靜置時(shí)間為函數(shù)的愈合能力，其可由式2表示。愈合指標(biāo)HI則用來表示不同粘結(jié)料在不同靜置時(shí)間的愈合能力。

4 結(jié)語

采用的愈合方式，是將經(jīng)過反復(fù)載重作用的試體至于30℃烘箱中，藉由溫度及卸除時(shí)間的增加，觀察Superpave 混合物愈合前后的回彈變形所示，即可看出微損壞即600次的載重周期之內(nèi)，不會引起微裂縫的開始及延伸，因愈合前后的回彈變形曲線幾乎是完全重合且可愈合的。一般密級配瀝青混凝土在靜置溫度77℉的條件下，只需三天，其初始的裂縫抵抗性便可回復(fù)90%，且在此溫度下，若要完全愈合則需要一個(gè)月的愈合時(shí)間。

在Kim的報(bào)告中[Daniel and Kim，2001]，是以沖擊共振法來評估兩種不同的瀝青混凝土混合物，在溫度與疲勞破壞成長作用下，所造成勁度的改變。沖擊共振法是以非破壞性方式，來決定瀝青混凝土試體的動彈模數(shù)。當(dāng)試體因疲勞而發(fā)生微裂縫破壞成長時(shí)，動彈模數(shù)會隨溫度的上升而減少；同時(shí)，亦發(fā)現(xiàn)試體在經(jīng)過靜置周期后，動彈模數(shù)有上升的趨勢。且藉由三點(diǎn)載重彎曲梁試驗(yàn)，量測微裂縫的停止發(fā)展，或愈合時(shí)間，可從中觀察獲取彎曲勁度。

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