余 峰 許 苑

(武漢市交通工程建設(shè)投資集團有限公司1) 武漢 430063) (武漢理工大學交通學院2) 武漢 430063)

0 引 言

開裂是造成瀝青路面服役壽命下降的主要原因之一，它包括低溫開裂和疲勞開裂，通常低溫開裂由溫度因素引起，疲勞開裂由路面不斷承受車輛的重復(fù)荷載產(chǎn)生[1-2].由于車輛荷載是必須影響因素，疲勞開裂通常被認為是常溫下造成路面裂縫的主要原因，疲勞開裂的發(fā)展過程為在重復(fù)剪切作用下產(chǎn)生疲勞至逐漸產(chǎn)生微裂紋，最后發(fā)展至宏觀裂紋，裂紋開裂至一定程度后造成瀝青路面的破壞使其不能繼續(xù)承受荷載作用，這種抵抗裂縫發(fā)展所持續(xù)的時間被稱為疲勞壽命.

瀝青作為瀝青混合料的重要組成部分，瀝青混合料的疲勞開裂很大程度取決于瀝青的抵抗疲勞性能，現(xiàn)有關(guān)于瀝青疲勞的試驗體系逐漸建立，探究合理的疲勞指標更利于全面準確地評價瀝青的抵抗疲勞性能.隨著研究的不斷深入，瀝青疲勞開裂發(fā)展過程中力學參數(shù)的明顯突變點普遍被認為瀝青發(fā)生質(zhì)的變化.基于此不同的疲勞壽命定義方法也被確定，這些疲勞壽命的評價方法實質(zhì)是對一定條件下瀝青疲勞發(fā)展階段的定義，其主要目的和作用是設(shè)定瀝青疲勞破壞的判定標準并方便不同類型瀝青疲勞壽命的比較[3-5].Mitchell等[6]對瀝青進行疲勞試驗，采用基于耗散能的評價方法計算出瀝青疲勞裂縫不同發(fā)展程度的能量耗散數(shù)值，確定了微裂縫和宏觀裂縫的過渡點，明確了評價方法的物理意義.孫大權(quán)等[7]對瀝青不同疲勞壽命評價方法的一致性進行分析，并采用區(qū)分度衡量了不同評價指標的敏感性，同時根據(jù)不同的應(yīng)力水平建立了瀝青的疲勞壽命預(yù)估方程.由于一些評價方法的計算公式復(fù)雜，其數(shù)據(jù)處理困難，同時有些方法基于固定的試驗?zāi)Ｊ剑溥m用性不夠廣泛.目前缺少各評價方法的對比和相關(guān)性分析，這不利于有效準確地評價瀝青抵抗疲勞性能.

文中通過對四種瀝青進行重復(fù)剪切試驗，對比了不同瀝青的抵抗疲勞性能，分析了不同應(yīng)力水平下瀝青的疲勞壽命變化規(guī)律；采用不同評價方法計算其疲勞壽命，并對比出各方法的差異性，同時采用關(guān)系式進行不同疲勞壽命的轉(zhuǎn)化擬合，實現(xiàn)不同評價方法的轉(zhuǎn)換，并解決適用性受限這一困難.

1 材料與試驗

以50#基質(zhì)瀝青、70#基質(zhì)瀝青、改性瀝青A及改性瀝青B這四種瀝青作為研究對象，其中改性瀝青的制備方法如下：對兩種70#基質(zhì)瀝青分別加熱至150 ℃，加入質(zhì)量分數(shù)為4%的改性劑.在控溫裝置下采用高速剪切機對瀝青和改性劑進行充分攪拌，在3 000～4 000 r/min的轉(zhuǎn)速下攪拌45～60 min，制成改性瀝青A和改性瀝青B.

對四種瀝青進行20 ℃，10 Hz條件下的時間掃描試驗，直至瀝青破壞，剪切試驗采用直徑為8 mm的板進行，控制瀝青試樣厚度為2 mm.

2 評價方法及數(shù)據(jù)分析

2.1 疲勞壽命評價方法

2.1.1模量控制法

模量控制法是一種基于動態(tài)剪切模量變化情況來定義瀝青疲勞壽命的表象評價方法，此指標是目前使用相對廣泛的經(jīng)驗性指標.Raithby等[8]根據(jù)經(jīng)驗性分析，認為瀝青的動態(tài)剪切模量下降為初始值的50%時瀝青發(fā)生疲勞破壞，并將此時所對應(yīng)的加載次數(shù)作為瀝青的疲勞壽命.該判定模式雖然采用瀝青的流變力學指標進行判定，簡單直觀，易于確定，但對于破壞標準的確定具有推測性，缺乏理論依據(jù)，沒有明確的物理意義，且在不同瀝青疲勞壽命的比較中可以發(fā)現(xiàn)其受初始動態(tài)剪切模量影響較大.

2.1.2累積耗散能比法

由于瀝青黏彈性材料的特性，在受到正弦形式的加載時，應(yīng)變變化會滯后于應(yīng)力變化，因此，在受載過程中瀝青得到的能量與卸載過程釋放的能量并不平衡且前者大于后者，兩者能量之間的差值可采用滯后環(huán)形曲線的面積計算，由做功關(guān)系可知該曲線圍成的面積是每次加載過程中的耗散能.

累計耗散能比法(cumulative dissipated energy ratio method)通過計算耗散能的變化情況來分析瀝青的疲勞開裂發(fā)展過程從而確定其疲勞壽命，耗散能和累積耗散能比的計算見式(1)～(2).

(1)

(2)

圖1為累計耗散能比法示意圖，瀝青在初始受荷載階段內(nèi)每個加載周期所產(chǎn)生的耗散應(yīng)變能基本相同，此時瀝青的疲勞發(fā)展處于一個線性階段，隨著加載周期的增長，累積耗散能比曲線逐漸偏離線性直線，偏離程度慢慢變大，說明瀝青在承受不斷重復(fù)荷載的過程中產(chǎn)生了開裂，并且需要更多的能量用于發(fā)展開裂，累積耗散能比法定義瀝青的累積耗散能比曲線偏離線性曲線20%程度時的加載次數(shù)為疲勞壽命Np20.

圖1 累計耗散能比法示意圖

該方法從瀝青在加載周期中能量的耗散情況準確地推斷瀝青疲勞發(fā)展過程，比單一的靠模量數(shù)值變化程度進行判定更具有說服力，但其采用累積耗散能比曲線偏離線性直線20%時的加載次數(shù)為疲勞壽命的破壞標準仍然存在爭議.

2.1.3耗散能變化率法

耗散能變化率法是采用能量變化的規(guī)律來分析瀝青的疲勞破壞狀況，其具體示意見圖2，由圖2可知，瀝青的耗散能變化率大體經(jīng)歷三個階段，從初始階段的急劇下降至發(fā)展平緩，最后是陡然上升的趨勢.耗散能變化率法是根據(jù)相鄰周期耗散能變化率曲線的突變拐點來確定其疲勞壽命Nfm，耗散能變化率的計算公式為

(3)

式中：RDECa為第a次加載周期相對于第b次加載周期的平均耗散能變化率；wa,wb分別為第a次和第b次加載周期所對應(yīng)的耗散能.

圖2 耗散能變化率隨加載次數(shù)示意圖

與DER方法類似，RDEC方法同樣從能量角度出發(fā)分析瀝青的疲勞發(fā)展過程，其主要通過相鄰周期之間能量差的變化速率進行判定，消除了其它因素產(chǎn)生的能量，該計算方法對裂縫發(fā)展所需要的能量更具有針對性，計算更為準確有效.但其同樣存在不足，受試驗儀器精度計算和相鄰加載周期不穩(wěn)定的影響，在進行該曲線繪制時會產(chǎn)生一些噪點，這些噪點會影響到曲線的擬合從而影響拐點的確定，導(dǎo)致根據(jù)拐點確定疲勞壽命較為困難.

2.1.4簡化能量耗散率法

Rowe在對瀝青混合料疲勞性能的研究過程中，提出簡化能量耗散率(reduced dissipated energy ratio，RDR)的疲勞壽命計算方法，其具體計算公式為

(4)

繪制R曲線，發(fā)現(xiàn)能量耗散率在應(yīng)力控制模式下出現(xiàn)明顯拐點，見圖3，定義拐點處所對應(yīng)的加載次數(shù)為疲勞壽命NRDR.

圖3 簡化能量耗散率示意圖

將對瀝青混合料抵抗疲勞性能研究轉(zhuǎn)移到瀝青疲勞研究中，簡化能量耗散率法所確定的疲勞壽命對于疲勞方程擬合具有很好的適用性.但對于應(yīng)變與應(yīng)力控制模式下曲線的變化規(guī)律不一致，在應(yīng)力控制模式下曲線具有明顯拐點，采用出現(xiàn)拐點作為破壞標準易于確定疲勞壽命，因此該種方法一般適用于應(yīng)力控制模式下疲勞壽命的確定.

2.2 數(shù)據(jù)分析

上述瀝青疲勞壽命的計算均根據(jù)瀝青發(fā)展至不同疲勞程度確定，它們之間的破壞標準不一致.為深入研究這些破壞標準之間的聯(lián)系，找到各疲勞壽命方法之間的相關(guān)性.本文對四種瀝青進行不同應(yīng)力水平下的時間掃描試驗，使其達到完全破壞狀態(tài)，計算出不同評價方法下的疲勞壽命，見表1.

表1 不同評價方法下的瀝青疲勞壽命

由表1可知，瀝青的疲勞壽命均隨著應(yīng)力水平的增大有所下降，說明荷載的增大會加速瀝青抗疲勞性能的下降.在160 kPa下，疲勞壽命Nf50的排序為70#>B改性>A改性>50#，在180,200以及220 kPa下，排序為70#>50#>B改性>A改性；而在240 kPa的應(yīng)力水平下，疲勞壽命Nf50的排序為50#>70#>B改性>A改性，這一變化說明應(yīng)力水平會改變?yōu)r青抵抗疲勞的能力，四種瀝青中50#基質(zhì)瀝青的抗疲勞性能受應(yīng)力水平影響最小.

同樣可以發(fā)現(xiàn)，采用模量控制法確定的疲勞壽命Nf50均高于另外三種方法確定的疲勞壽命，并且另外三種方法計算的疲勞壽命比較接近.這說明模量控制法所對應(yīng)的疲勞開裂程度比其它疲勞壽命方法的更為嚴重，對瀝青的疲勞破壞標準更低一些.為了更準確地說明不同疲勞壽命之間的關(guān)系，對它們采用量化形式的擬合分析.對上表中不同評價方法計算得到的疲勞壽命采用二維坐標進行繪制，采用關(guān)系式進行擬合，見圖4.

圖4 不同疲勞壽命的轉(zhuǎn)化關(guān)系

由圖4可知，不同疲勞壽命之間均存在良好的線性關(guān)系，均可采用y=kx+b的形式進行轉(zhuǎn)化，并且擬合度較高.其中Nf50與Np20，NRDEC，NRDR之間關(guān)系式的斜率值在0.8左右，而Np20，NRDEC，NRDR三者之間的斜率值在1左右，說明Nf50大于Np20，NRDEC，NRDR，而Np20，NRDEC，NRDR三者較接近，這一擬合結(jié)果與初步分析的結(jié)果一致.依據(jù)這一關(guān)系可以進行不同疲勞壽命相互之間的轉(zhuǎn)化，解決不同評價方法適用性受限的問題.不同類型瀝青在不同應(yīng)力水平下的各疲勞壽命均可實現(xiàn)相同關(guān)系式的轉(zhuǎn)化，說明評價方法破壞準則的確定與瀝青類型無關(guān).

3 結(jié) 論

1) 對比了四種瀝青疲勞壽命的評價方法，從物理意義的角度對它們的優(yōu)缺點進行分析，根據(jù)計算公式確定了它們的適用性.

2) 對比了四種瀝青在不同應(yīng)力水平下的疲勞壽命Nf50，發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力水平的增大，疲勞壽命的排序發(fā)生改變，其中50#基質(zhì)瀝青抵抗疲勞性能受應(yīng)力水平的影響最小；同時發(fā)現(xiàn)隨著應(yīng)力水平的增大，瀝青的疲勞壽命逐漸減小，抵抗疲勞性能降低.

3) 根據(jù)試驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)采用模量控制法計算的Nf50一般大于其他三種方法的計算值，Np20，NRDEC和NRDR三種評價方法采用的破壞準則較為接近，它們所對應(yīng)的損傷程度相似，Nf50相對來說有較低的破壞準則.

4) 通過對Nf50，Np20，NRDEC，NRDR進行關(guān)系式的擬合，發(fā)現(xiàn)它們存在線性轉(zhuǎn)化關(guān)系，Nf50與Np20，NRDEC，NRDR之間關(guān)系式的斜率值在0.8左右，Np20，NRDEC，NRDR三者之間的斜率值在1左右，這一結(jié)果可以實現(xiàn)不同評價方法的相互變換，同時解決了它們適用性受限的問題，也說明了評價方法與瀝青類型無關(guān).

下階段將針對不同方法的缺點進行相應(yīng)的改進，得到更為真實的疲勞壽命，使之能更加準確地表征瀝青抵抗疲勞性能，在采用能量方法評價疲勞開裂時需要考慮到其他損傷形式的能量耗散.