田小革, 黃雪梅, 李光耀, 竇文利, 昶慧芹, 李慧珍, 郭常輝, 羅楚鈺

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410114; 2. 河北省高速公路京雄籌建處, 保定 071700; 3. 承德市交通局交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院, 承德 067000; 4. 河北高速公路集團(tuán)有限公司, 石家莊 050031; 5. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)國(guó)際工學(xué)院, 長(zhǎng)沙 410114)

半剛性基層瀝青路面是中國(guó)主要應(yīng)用的路面結(jié)構(gòu)形式,符合“交通強(qiáng)國(guó)”和“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略。半剛性基層出現(xiàn)開裂之后,在行車荷載和自然環(huán)境的耦合作用下,裂縫逐步向面層擴(kuò)展,形成反射裂縫[1-2]。反射裂縫是一種常見的道路病害,受交通荷載、時(shí)間、材料服役性能、外界環(huán)境等因素影響。探究瀝青混合料的反射裂縫擴(kuò)展行為,對(duì)于完善瀝青路面設(shè)計(jì)及其耐久性評(píng)價(jià)具有重要意義。

目前針對(duì)瀝青混合料反射裂縫的研究,中外學(xué)者已從靜力學(xué)分析法、有限元分析法、斷裂力學(xué)分析法以及模型試驗(yàn)等方面展開[3]。周水文等[4]基于(overlay tester,OT)試驗(yàn),研究了級(jí)配類型、溫度、試件厚度等因素對(duì)瀝青混合料加鋪層抗反射裂縫能力的影響,結(jié)果表明溫度對(duì)其影響程度最為顯著。翟瑞鑫等[5]對(duì)3種常用的大粒徑透水瀝青混合料抗反射開裂性能進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)采用荷載周期數(shù)、最大荷載損失率這兩種指標(biāo)能更加精確地反映瀝青混合料的抗裂性。顏可珍等[6]發(fā)現(xiàn)改性瀝青應(yīng)力吸收層經(jīng)過水侵蝕和長(zhǎng)期老化后,其抗反射裂縫性能大大降低。劉燕燕等[7]通過三點(diǎn)彎曲小梁試驗(yàn)對(duì)比分析了5種不同類型路面應(yīng)力吸收層混合料的抗裂性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)纖維橡膠瀝青碎石封層的復(fù)合斷裂能最大,抗裂性能最好。Olumide等[8]通過漢堡車轍試驗(yàn)研究了不同溫度下(10、20、30 ℃)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的抗裂性能,研究發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)抗裂性能影響顯著,橡膠瀝青應(yīng)力吸收層在10 ℃時(shí)的抗裂性最差。夏蕊芳[9]基于有限元分析法研究了溫度梯度和交通荷載對(duì)半剛性基層瀝青路面反射裂縫的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)低溫收縮應(yīng)力可以抵消一部分由于交通偏載造成的剪切型應(yīng)力強(qiáng)度因子。方俊[10]利用擴(kuò)展有限元法建立了半剛性基層瀝青路面反射裂縫的三維擴(kuò)展有限元模型,研究了動(dòng)載和溫度兩者作用下的反射裂縫擴(kuò)展情況。由此可見,以往的研究主要集中于利用宏觀試驗(yàn)或者有限元分析結(jié)果評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗反射裂縫能力,而瀝青混合料是一種多相復(fù)合材料,僅從宏觀角度并不能對(duì)其裂紋擴(kuò)展行為進(jìn)行全面了解,亟須結(jié)合細(xì)觀手段深入分析。

數(shù)字圖像相關(guān)(digital image correlation,DIC)技術(shù)因其具有精度高、非接觸、全場(chǎng)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于瀝青混合料的變形測(cè)量[11]。Li等[12]將半圓彎拉試驗(yàn)與DIC技術(shù)相結(jié)合研究瀝青混合料的開裂行為,發(fā)現(xiàn)荷載作用下瀝青與粗骨料結(jié)合界面區(qū)最容易發(fā)生開裂。王嵐等[13]通過DIC技術(shù)觀測(cè)荷載作用下改性瀝青混合料半圓試件表面的位移場(chǎng)變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于DIC技術(shù)評(píng)價(jià)瀝青混合料的抗裂性能是可行的。郭慶林等[14]基于DIC技術(shù)探究不同纖維對(duì)瀝青混凝土斷裂特征的影響,對(duì)試件的全場(chǎng)位移與應(yīng)變進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。李佳[15]基于DIC技術(shù)測(cè)試結(jié)果,對(duì)瀝青混合料疲勞開裂拉應(yīng)變的變化速率進(jìn)行擬合,提出采用拉應(yīng)變變化率可大致判斷瀝青混合料疲勞裂縫穩(wěn)定擴(kuò)展階段的臨界點(diǎn)。于海利等[16]通過數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)不同衰減階段粗集料傾角進(jìn)行分析,能夠揭示粗集料空間分布狀態(tài)對(duì)抗滑性能的影響,表明DIC技術(shù)能夠分析集料間接觸,也能描繪出裂縫的發(fā)展。洪哲等[17]應(yīng)用DIC技術(shù)精確捕捉瀝青混合料裂縫尖端的斷裂過程,提出了將開口位移矩陣作為開裂特征量化指標(biāo),用以評(píng)價(jià)瀝青混凝土斷裂過程中裂縫尖端復(fù)雜的斷裂特性。

綜上,半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗反射裂縫能力評(píng)價(jià)方法已基本明確,但瀝青混合料在荷載作用下的反射裂縫擴(kuò)展行為尚不清楚。因此,現(xiàn)通過室內(nèi)試驗(yàn)方式,利用MTS萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)合梁試件進(jìn)行彎拉型和復(fù)合型反射裂縫模型加載,并結(jié)合DIC技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)瀝青混合料裂紋萌生及擴(kuò)展的全過程,從裂紋寬度、裂紋擴(kuò)展路徑、裂紋擴(kuò)展高度及疲勞反射裂紋擴(kuò)展速率深入分析其擴(kuò)展行為。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1 瀝青混合料

所選用的瀝青為東莞泰和瀝青有限公司生產(chǎn)的70#A級(jí)道路石油瀝青,基本性能指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indexes of asphalt

瀝青混合料類型為密級(jí)配AC-25C,其中,粗細(xì)集料均為石灰?guī)r石料,礦粉選用干燥、潔凈的石灰?guī)r磨細(xì)的礦粉,油石比采用3.6%,瀝青混合料級(jí)配組成如圖1所示。

圖1 AC-25C級(jí)配曲線Fig.1 AC-25C grading curve

1.1.2 水泥穩(wěn)定碎石混合料

水泥品種和性能直接影響水泥穩(wěn)定碎石混合料的強(qiáng)度、抗裂性和抗收縮性等。水泥采用P.C42.5復(fù)合硅酸鹽水泥,按照技術(shù)規(guī)范進(jìn)行相關(guān)檢測(cè),結(jié)果如表2所示。

表2 水泥基本物理指標(biāo)Table 2 Basic physical indexes of cement

水泥穩(wěn)定碎石混合料中水泥劑量為5%,含水率為5.2%,其級(jí)配組成曲線如圖2所示。

圖2 水泥穩(wěn)定碎石混合料級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curve of cement stabilized macadam mixture

1.1.3 乳化瀝青

為模擬反射裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展過程試驗(yàn),成型水泥穩(wěn)定碎石混合料-瀝青混合料復(fù)合梁試件,層間需涂刷乳化瀝青透層油,采用噴灑型中裂陽(yáng)離子瀝青,經(jīng)檢驗(yàn)符合規(guī)范要求。

1.2 試件制備

根據(jù)已有文獻(xiàn)[18-19]的相關(guān)成果,采用如圖3所示的兩種試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠砟M彎拉型與復(fù)合型(彎拉型和剪切型同時(shí)包括)荷載作用下反射裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展過程。

圖3 反射裂縫試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Reflection crack test model

如圖3所示,彎拉型和復(fù)合型試驗(yàn)?zāi)Ｐ褪峭ㄟ^改變鋼塊作用位置實(shí)現(xiàn)的,在荷載下方墊一塊長(zhǎng)6 cm × 寬 2 cm的鋼塊實(shí)現(xiàn)條形荷載施加,彎拉型試驗(yàn)?zāi)Ｐ弯搲K位置在預(yù)制裂縫正上方,復(fù)合型試驗(yàn)?zāi)Ｐ弯搲K位置偏離預(yù)制裂縫一定的距離。

試件為長(zhǎng)200 mm × 寬60 mm × 高100 mm的小梁試件,分為上下兩層,下層為水泥穩(wěn)定碎石混合料層,厚度為50 mm,中間鋸有一條寬為3 mm貫穿水泥穩(wěn)定碎石混合料層的預(yù)制裂縫,上層為瀝青混合料層,厚度為50 mm。為了模擬土基作用,試件下方放置2 cm厚的橡膠墊塊。

按照成型順序,首先進(jìn)行水泥穩(wěn)定碎石混合料的配制,稱取相應(yīng)質(zhì)量的混合料將其裝入長(zhǎng)300 mm × 寬300 mm × 高50 mm的車轍板試模中,采用輪碾成型的方式成型,如圖4(a)所示。放置24 h后,進(jìn)行脫模,然后將其放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室養(yǎng)生28 d,養(yǎng)生結(jié)束后的試件如圖4(b)所示。然后將其放入10 cm高的車轍板試模中,按照規(guī)范要求進(jìn)行乳化瀝青透層油的涂刷,如圖4(c)所示。將拌和好的瀝青混合料按照相應(yīng)質(zhì)量添進(jìn)試模中,啟動(dòng)車轍成型儀,成型水泥穩(wěn)定碎石混合料-瀝青混合料復(fù)合板試件如圖4(d)所示。最后將成型的復(fù)合板切割成長(zhǎng)200 mm×寬60 mm×高100 mm的小梁,并且在水泥穩(wěn)定碎石混合料層預(yù)制一條寬3 mm的預(yù)制切縫,如圖4(e)所示。

圖4 試件制備過程Fig.4 Specimen preparation process

為提高DIC觀測(cè)瀝青混合料反射裂紋擴(kuò)展時(shí)的精度,需要對(duì)圖4(e)試件進(jìn)行人工散斑處理。具體做法是:先將瀝青混合料層表面用啞光白漆噴白,待完全干燥后,再用散斑制作工具對(duì)試件待測(cè)區(qū)域進(jìn)行覆蓋,使其形成高對(duì)比度、斑點(diǎn)大小一致的散斑。

1.3 MTS試驗(yàn)

采用美國(guó)MTS(Material Test System)公司生產(chǎn)的MTS-810材料試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行破壞荷載試驗(yàn)(復(fù)合型破壞和彎拉型破壞)以及反射裂縫疲勞試驗(yàn)(彎拉型疲勞和復(fù)合型疲勞)。破壞荷載試驗(yàn)采用位移控制,加載點(diǎn)的位移速率為2 mm/min,采樣頻率為100 Hz,試驗(yàn)溫度為15 ℃,試驗(yàn)數(shù)據(jù)由MTS試驗(yàn)系統(tǒng)自動(dòng)采集。

反射裂縫疲勞擴(kuò)展試驗(yàn)采用應(yīng)力控制模式,加載波形為正弦波,加載頻率為10 Hz,采樣頻率1 000 Hz。分別采用3種應(yīng)力比(0.4、0.5、0.6),谷值荷載與峰值荷載比值Smin/Smax= 0.1,試驗(yàn)溫度15 ℃。

1.4 DIC試驗(yàn)

DIC是一種非接觸測(cè)量技術(shù),它獨(dú)立于被測(cè)材料或試樣尺寸,通過匹配物體表面變形前的散斑圖像(稱為參考圖像)和變形后的散斑圖像(稱為變形圖像)來跟蹤試件表面各散斑點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),從而獲得試件不同階段的變形[20-21]。為了評(píng)價(jià)DIC處理過程中物體變形前樣本子區(qū)與變形后目標(biāo)子區(qū)的匹配程度,采用相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn),公式為

(1)

式(1)中:f(x,y)與g(x*,y*)分別為變形前圖像與變形后圖像的灰度分布函數(shù)。由式(1)計(jì)算所得的C越趨向于1,說明樣本子區(qū)與目標(biāo)子區(qū)匹配程度越高。

如圖5所示,將制斑后的水泥穩(wěn)定碎石混合料-瀝青混合料復(fù)合梁試件置于加載設(shè)備上,底下放置2 cm厚的橡膠墊塊。試驗(yàn)開始時(shí),為了使MTS系統(tǒng)和圖像采集VIC-3D系統(tǒng)做到數(shù)據(jù)同步采集,需要同時(shí)開啟兩數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通道。應(yīng)用VIC-3D采集系統(tǒng)對(duì)試件進(jìn)行觀測(cè)時(shí),相機(jī)采樣頻率為2 s/張。

圖5 DIC圖像采集示意圖Fig.5 DIC image acquisition schematic diagram

2 裂縫擴(kuò)展測(cè)定方法

2.1 裂縫寬度的確定

將VIC-3D拍攝的圖像導(dǎo)入到DIC軟件中進(jìn)行處理,劃定整個(gè)瀝青混合料散斑覆蓋區(qū)域?yàn)榉治鰠^(qū)域。裂縫產(chǎn)生后,裂縫兩側(cè)附近的區(qū)域會(huì)發(fā)生相對(duì)移動(dòng),造成裂縫兩側(cè)附近區(qū)域位移的不一致,即位移值在裂縫張開方向?qū)l(fā)生跳躍。在預(yù)制裂縫口,沿水平方向做一階段線,提取階段線上各點(diǎn)的位移值,得到點(diǎn)坐標(biāo)-相對(duì)位移曲線,如圖6所示。可知相對(duì)位移曲線在R點(diǎn)和Q點(diǎn)會(huì)發(fā)生跳躍,即在荷載作用下產(chǎn)生相對(duì)“背離”,造成附近區(qū)域位移的不一致。裂縫兩側(cè)的相對(duì)位移差值,即跳躍點(diǎn)R和Q的相對(duì)位移差值就是裂縫寬度[22-23]。

圖6 裂縫寬度測(cè)定方法示意圖Fig.6 Schematic diagram of measurement method of crack width

2.2 裂縫擴(kuò)展路徑的確定

裂縫擴(kuò)展路徑的確定方法是在確定裂縫寬度原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的,在某一荷載水平時(shí),從預(yù)制裂縫尖端處開始每隔一定的距離沿著裂縫擴(kuò)展方向劃階段線,每條階段線跨越裂縫兩側(cè),如圖7所示。在該荷載水平下產(chǎn)生裂縫時(shí),跳躍點(diǎn)R和Q之間的數(shù)據(jù)會(huì)缺失,此時(shí)以R和Q點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)就可以確定左右裂縫面的位置。因此通過一系列沿裂縫擴(kuò)展方向的階段線就可以得到每一條階段線的R點(diǎn)和Q點(diǎn),即可繪制出裂縫擴(kuò)展路徑。

圖7 裂縫擴(kuò)展路徑測(cè)定方法示意圖Fig.7 Schematic diagram of measurement method of crack propagation path

2.3 裂縫擴(kuò)展高度的確定

裂縫擴(kuò)展高度指的是裂縫擴(kuò)展尖端至預(yù)制裂縫底端的垂直距離,因此要測(cè)量裂縫高度就需要確定裂縫擴(kuò)展尖端位置。ViC-3D可以觀測(cè)全場(chǎng)應(yīng)變,確定裂縫尖端位置可以從應(yīng)變角度入手,當(dāng)裂縫尖端處的應(yīng)變達(dá)到起裂應(yīng)變時(shí)就認(rèn)為裂縫尖端開始開裂,即為裂縫尖端所在位置[22-23]。起裂應(yīng)變的確定方法為在預(yù)制裂縫尖端畫一條階段線,得到各時(shí)刻階段線上計(jì)算點(diǎn)位的應(yīng)變情況,如圖8所示,其中每條曲線對(duì)應(yīng)不同時(shí)刻,表示了階段線上計(jì)算點(diǎn)位的應(yīng)變值。可知預(yù)制裂縫尖端附近不同時(shí)刻階段線的水平應(yīng)變曲線都類似拋物線,拋物線頂端正是應(yīng)力最集中區(qū)域,對(duì)應(yīng)了裂縫尖端。隨著時(shí)間推移,荷載增大,裂縫尖端應(yīng)力越來越集中,表現(xiàn)為水平應(yīng)變Exx增大,某一時(shí)刻拋物線頂端出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失,說明此時(shí)裂縫尖端發(fā)生開裂,與此時(shí)刻對(duì)應(yīng)的拋物線頂端水平應(yīng)變Exx就是起裂應(yīng)變。

圖8 預(yù)制裂縫尖端處各時(shí)刻應(yīng)變曲線Fig.8 Strain curve at each time of prefabricated crack tip

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 破壞荷載試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1.1 彎拉型破壞模式DIC觀測(cè)

將彎拉型模型試驗(yàn)所得AC-25C復(fù)合小梁試件的時(shí)間-荷載變化曲線繪制如圖9所示。取6個(gè)不同加載時(shí)刻來分析預(yù)制裂縫尖端裂縫擴(kuò)展情況,按照裂縫擴(kuò)展測(cè)定方法,得到某一時(shí)刻裂縫擴(kuò)展方上全部階段線的跳躍點(diǎn)R和Q,試件在P1(20%Pmax)、P2(40%Pmax)、P3(80%Pmax)、P4(90%Pmax)、P5(Pmax)、P6(90%Pmax)荷載時(shí)刻的預(yù)制裂縫尖端階段線上R和Q計(jì)算點(diǎn)的相對(duì)位移變化如表3所示。其中,Pmax代表試件破壞最大荷載10.796 kN。

圖9 彎拉型破壞模式時(shí)間-荷載變化曲線Fig.9 Time-load curve of bending-tensile failure mode

表3 不同荷載階段下的裂紋寬度Table 3 Crack width at different loading stages

由表3可以看出,荷載水平在P1時(shí),R和Q兩點(diǎn)雖然發(fā)生跳躍,但是位移差值比較小,說明此時(shí)處于微裂紋發(fā)展階段。荷載水平達(dá)到P2時(shí),裂紋寬度繼續(xù)增加。P1、P2時(shí)刻為荷載施加初期,主要是預(yù)制裂縫尖端應(yīng)力集中和微裂紋的萌生。當(dāng)達(dá)到P3時(shí),裂縫寬度已經(jīng)是肉眼可見狀態(tài),由微裂紋向宏觀裂縫轉(zhuǎn)變。荷載水平從P4增長(zhǎng)至P6,預(yù)制裂縫尖端宏觀裂縫寬度急劇增大,屬于快速發(fā)展階段。取P4至P6荷載水平,利用裂縫擴(kuò)展測(cè)定方法畫出裂紋擴(kuò)展路徑,如圖10所示。

圖10 彎拉型裂紋擴(kuò)展路徑Fig.10 Bending-tensile crack propagation path

由圖10可以看出,AC-25C瀝青混合料復(fù)合小梁試件的彎拉型破壞模式裂縫擴(kuò)展是沿預(yù)制裂縫尖端位置垂直向上,產(chǎn)生一條豎向斷裂面。由DIC裂縫擴(kuò)展測(cè)定方法繪制的裂紋擴(kuò)展路徑與實(shí)際試件擴(kuò)展趨勢(shì)基本一致,進(jìn)一步說明采用裂縫擴(kuò)展測(cè)定方法較為準(zhǔn)確。在P4、P5、P6這3個(gè)荷載水平下,裂縫從預(yù)制裂縫尖端分別向上擴(kuò)展高度分別為15.22、 27.1、 27.5 mm,由P4至P5裂縫高度增加了78.05%,說明P4至P5荷載時(shí)刻,裂縫高度由短變長(zhǎng),裂縫在高度和寬度兩個(gè)維度呈現(xiàn)快速擴(kuò)展階段;由P5至P6,荷載從峰值開始減小,此時(shí)裂縫高度基本沒有增加,預(yù)制裂縫尖端處開口寬度增加了45.3%,說明在此階段裂縫高度基本不會(huì)再增加,主要表現(xiàn)為寬度的增加,裂縫由“細(xì)長(zhǎng)”向“粗”轉(zhuǎn)變。

3.1.2 復(fù)合型破壞模式DIC觀測(cè)

將復(fù)合型模型試驗(yàn)所得AC-25C瀝青混合料復(fù)合小梁試件時(shí)間-荷載曲線繪制如圖11所示,取6個(gè)不同加載時(shí)刻來描述裂紋擴(kuò)展過程,分別為P1(P=66.03%Pmax)、P2(P=72.5%Pmax)、P3(P=79.3%Pmax)、P4(P=82.1%Pmax)、P5(P=90%Pmax)、P6(P=Pmax)。圖12為基于DIC方法測(cè)得各時(shí)刻對(duì)應(yīng)荷載水平下的反射裂縫擴(kuò)展情況。

圖11 復(fù)合型破壞模式時(shí)間-荷載變化曲線Fig.11 Time-load curve of composite failure mode

如圖11所示,復(fù)合型模式下AC-25C瀝青混合料最大破壞荷載為11.458 kN,與彎拉型破壞最大荷載相比增大了0.662 kN,說明復(fù)合型模式所需破壞荷載更大。

如圖12所示,復(fù)合型破壞模式下其裂縫擴(kuò)展往往是曲折向上的,擴(kuò)展路徑比較長(zhǎng),產(chǎn)生2條裂縫的概率比較大,裂縫產(chǎn)生破壞的區(qū)域也比彎拉型大。P1時(shí)刻裂紋還處在萌生階段,屬于微觀裂紋萌生階段;P2時(shí)刻已經(jīng)由微裂紋轉(zhuǎn)化為宏觀裂縫擴(kuò)展,主裂縫擴(kuò)展高度為16.80 mm,此時(shí)在主裂縫左側(cè)也發(fā)生了應(yīng)力集中,出現(xiàn)藍(lán)色次裂縫擴(kuò)展區(qū)域。

當(dāng)達(dá)到P3時(shí)刻時(shí),宏觀裂縫此時(shí)已經(jīng)非常明顯,完全是肉眼可見狀態(tài),主裂縫左側(cè)的次裂縫擴(kuò)展區(qū)域(紅色虛線標(biāo)出)進(jìn)一步產(chǎn)生應(yīng)力集中。和主裂縫從預(yù)制裂縫尖端開裂并向上擴(kuò)展不同的是,次裂縫先從距離預(yù)制裂縫一定距離的上方產(chǎn)生應(yīng)力集中并開裂,此時(shí)主裂縫擴(kuò)展高度為26.71 mm,次裂縫尖端擴(kuò)展高度為20.68 mm。P4時(shí)刻除了次裂縫尖端應(yīng)力集中外,次裂縫擴(kuò)展區(qū)域的中部和端部也進(jìn)一步應(yīng)力集中并開裂,此時(shí)主裂縫擴(kuò)展高度為27.01 mm,次裂縫擴(kuò)展高度為20.76 mm,次裂縫尖端高度幾乎沒有增加,但是發(fā)生了次裂縫從上而下擴(kuò)展的情況,可以推斷從P3到P4時(shí)刻,次裂縫直上而下擴(kuò)展是承擔(dān)荷載作用的“主力”。

P5時(shí)刻時(shí),次裂縫已經(jīng)擴(kuò)展到預(yù)制裂縫尖端處,此時(shí)主次裂縫尖端擴(kuò)展長(zhǎng)度分別為27.76 mm和26.8 mm,主裂縫長(zhǎng)度僅僅增加0.75 mm,次裂縫尖端長(zhǎng)度增加6.04 mm,說明從P4到P5時(shí)刻還是以次裂縫擴(kuò)展為主。P6時(shí)刻的主裂縫已經(jīng)貫穿試件,主裂縫寬度從端部到尖端逐漸減小,而次裂縫寬度卻是尖端和端部小,中間大,這主要是由于次裂縫開裂后會(huì)向下擴(kuò)展,直至擴(kuò)展至預(yù)制裂縫尖端處,與此同時(shí)次裂紋尖端也向上緩慢擴(kuò)展。

3.2 疲勞反射裂紋試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 裂紋尖端擴(kuò)展高度

為研究密級(jí)配AC-25C瀝青混合料疲勞反射裂紋擴(kuò)展行為,對(duì)其疲勞試驗(yàn)也分為兩種加載模式,即彎拉型與復(fù)合型,采取3個(gè)應(yīng)力水平(0.4、0.5、0.6)。圖13為不同應(yīng)力水平下的瀝青混合料疲勞壽命與裂紋尖端擴(kuò)展高度之間的關(guān)系。

圖13 裂紋尖端高度與疲勞壽命相關(guān)關(guān)系Fig.13 Correlation between crack tip height and fatigue life

如圖13所示,應(yīng)力比越大,瀝青混合料的疲勞壽命次數(shù)越少。不同應(yīng)力比下的裂紋尖端高度與疲勞壽命曲線是由各分段曲線組成的,每條分段曲線間存在梯度,會(huì)發(fā)生突變,此時(shí)的物理含義是裂縫在某時(shí)刻突然大幅度擴(kuò)展,表現(xiàn)為裂縫高度出現(xiàn)“跳躍”?；贒IC觀測(cè)技術(shù)可以捕捉到裂縫高度突然大幅增加前后的圖像,以彎拉型加載應(yīng)力比為0.6的復(fù)合小梁為例,如圖14所示。

圖14 不同循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)變?cè)茍DFig.14 Strain cloud map at different cycles

圖14中的小于起裂應(yīng)變的區(qū)域會(huì)一直顯示為紫色,充當(dāng)背景板的作用,以最外圍起裂應(yīng)變等值線為分界線,等值線范圍之內(nèi)的應(yīng)變值大于起裂應(yīng)變,通過起裂應(yīng)變等值線使裂縫的擴(kuò)展路徑顯現(xiàn)出來,等值線最上端區(qū)域?yàn)榱芽p尖端區(qū)域。可以看出,彎拉型加載2 300次后試件在預(yù)制裂縫尖端發(fā)生初始開裂,4 420次時(shí)裂縫尖端區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中,加載7 120次時(shí)除主裂縫之外左上角還有一段細(xì)小的次裂縫,次裂縫此時(shí)已是宏觀可見狀態(tài),以次裂縫為核心,起裂應(yīng)變等值線為分界,形成了一個(gè)次裂縫擴(kuò)展區(qū)域。循環(huán)加載7 220次后可以發(fā)現(xiàn)之前的次裂縫已經(jīng)和主裂縫相連接,造成主裂縫長(zhǎng)度突然大幅增加。此外,可以發(fā)現(xiàn),由于瀝青混合料內(nèi)部骨料的存在,裂縫不是完全垂直地往上增長(zhǎng),但總體還是沿垂直方向擴(kuò)展。

3.2.2 疲勞損傷因子分析

基于DIC方法獲取瀝青混合料的水平應(yīng)變場(chǎng)與應(yīng)變局部集中化特征,以彎拉型加載應(yīng)力比為0.6的復(fù)合小梁為例,選擇應(yīng)變波動(dòng)量作為損傷因子,定量分析試件在循環(huán)荷載作用下的損傷情況。損傷因子公式如下。

(2)

(3)

如圖15所示,伴隨著荷載作用次數(shù)增加,損傷效應(yīng)逐漸增大,導(dǎo)致?lián)p傷因子不斷增大,裂縫也在不斷擴(kuò)展。循環(huán)加載次數(shù)0～2 300次為損傷發(fā)展階段,此時(shí)微裂縫萌生,處于損傷發(fā)展階段,該階段損傷因子平穩(wěn)增長(zhǎng)。當(dāng)循環(huán)加載4 420次后,主裂縫已經(jīng)達(dá)到肉眼可見狀態(tài),損傷因子的斜率增大,裂縫在高度和寬度進(jìn)入穩(wěn)定擴(kuò)展階段。循環(huán)加載6 320次后,次裂縫達(dá)到肉眼可見狀態(tài),損傷因子陡增,此時(shí)瀝青混合料的材料性能開始劣化,進(jìn)入斷裂失穩(wěn)階段。當(dāng)施加荷載7 120次,形成次裂縫擴(kuò)展區(qū)域,次裂縫進(jìn)入快速發(fā)展階段。再次加載100次后,此時(shí)主次裂縫相接,裂縫長(zhǎng)度持續(xù)增長(zhǎng),主次裂縫相連形成新的主裂縫,直至裂縫貫穿試件。

3.2.3 裂紋擴(kuò)展量

裂紋擴(kuò)展量是指在同一條裂紋當(dāng)中,裂紋垂直方向擴(kuò)展的距離,包含主裂紋與次裂紋擴(kuò)展量的疊加。AC-25C瀝青混合料在不同應(yīng)力比下的裂紋擴(kuò)展量與疲勞壽命的關(guān)系如圖16所示,可以看出:裂紋擴(kuò)展量隨疲勞壽命次數(shù)的增加而逐漸增大,應(yīng)力比越大,曲線斜率越大。

圖16 裂紋擴(kuò)展量與疲勞壽命關(guān)系曲線Fig.16 Relation curve between crack growth and fatigue life

根據(jù)文獻(xiàn)[24],采用logistic函數(shù)形式來擬合裂縫擴(kuò)展量曲線,該函數(shù)表達(dá)式為

y=A2+(A1-A2)/[1+(x/x0)p]

(4)

式(4)中:y為裂縫擴(kuò)展量;x為疲勞壽命次數(shù);A1、A2、x0、p為擬合參數(shù)。

采用此函數(shù)對(duì)AC-25C瀝青混合料的裂紋擴(kuò)展量與疲勞壽命關(guān)系曲線進(jìn)行擬合,結(jié)果如表4所示?？芍?相關(guān)系數(shù)R2均在0.95以上,表明采用logistic函數(shù)進(jìn)行擬合是可靠的。

表4 裂紋擴(kuò)展量擬合結(jié)果Table 4 Results of crack propagation fitting

為了明確復(fù)合梁在疲勞加載破壞時(shí)主裂縫與從上方起裂自上而下擴(kuò)展的次裂縫占比例情況,利用DIC監(jiān)測(cè)了裂縫擴(kuò)展全過程,統(tǒng)計(jì)了兩種裂縫占比情況[25]。次裂縫擴(kuò)展量計(jì)算方法為主次裂縫相連生成的新主裂縫長(zhǎng)度減去接近主次裂縫相遇時(shí)對(duì)應(yīng)的舊主裂縫長(zhǎng)度。表5為AC-25C瀝青混合料復(fù)合小梁疲勞破壞時(shí)的主次裂縫比例。

表5 復(fù)合小梁疲勞破壞主次裂縫比例Table 5 Proportion of primary and secondary cracks in composite trabecular fatigue failure

如表5所示,AC-25C瀝青混合料的主次裂縫比例在彎拉型模式下隨應(yīng)力比變化更敏感,彎拉型疲勞加載模式下主次裂縫比隨應(yīng)力比減小而增大,表明次裂縫擴(kuò)展量占比減少,由于次裂縫擴(kuò)展速率比主裂縫擴(kuò)展速率大很多,這個(gè)變化是向有利于減緩總體裂縫擴(kuò)展速率提高疲勞壽命的。

4 結(jié)論

(1)基于彎拉型破壞模式DIC觀測(cè)結(jié)果,瀝青混合料反射裂紋擴(kuò)展行為經(jīng)歷4個(gè)階段,分別為:微裂紋萌生、微裂紋發(fā)展階段、微裂紋向宏觀裂縫轉(zhuǎn)變、宏觀裂縫快速發(fā)展階段。瀝青混合料反射裂紋擴(kuò)展沿預(yù)制裂縫尖端位置垂直向上。

(2)基于復(fù)合型破壞模式DIC觀測(cè)結(jié)果,復(fù)合型反射裂縫擴(kuò)展除了產(chǎn)生主裂縫還會(huì)發(fā)生次裂縫擴(kuò)展,次裂縫從尖端開裂后會(huì)自上而下擴(kuò)展,此時(shí)次裂縫擴(kuò)展是承擔(dān)荷載作用的“主力”。

(3)從瀝青混合料疲勞反射裂紋試驗(yàn)結(jié)果來看,裂縫擴(kuò)展量-疲勞壽命關(guān)系曲線接近“S”形曲線,用logistic函數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)相關(guān)性良好。AC-25C型瀝青混合料疲勞加載模式下主次裂縫比隨應(yīng)力比減小而增大,表明次裂縫擴(kuò)展量占比減少,由于次裂縫擴(kuò)展速率比主裂縫擴(kuò)展速率大很多,這個(gè)變化有利于提高疲勞壽命。