常应力条件下老化沥青抗疲劳性能研究

　　摘要：文章以动态剪切流变试验(DSR)为基础，采用应力控制模式，讨论老化沥青在无间歇正弦加载条件下的疲劳寿命问题，列出四种疲劳参数Nf50、NDR、Np、Np20在相同荷载作用下的疲劳寿命。研究发现：老化沥青常应力疲劳的累积破坏过程中，其复数模量的降低呈现倒“S”型，且“S”的拐点，即为疲劳加速破坏的起点，标志着沥青微小损伤开始形成贯穿裂纹;老化沥青疲劳寿命随着应力的增大会显著降低，且Nf50、NDR两种疲劳寿命明显高于Np、Np20。

　　关键词：老化沥青;疲劳寿命;疲劳参数;应力控制

　　0 引言

　　沥青混凝土路面主要是由沥青胶浆与集料胶结组成。沥青胶浆是一种粘弹性材料，具有很强的温度敏感性，因此在低温环境中的微小变形将会难以恢复，经过积累容易形成微裂缝，最终贯穿路面形成宏观的疲劳裂缝[1-3]。对于老化沥青疲劳的研究方法很多，目前应用最广泛的手段就是基于动态剪切试验(DSR)的评价方法[4]，也衍生出很多评价指标，如G*·sinδ，Nf50，Np，Np20，NDR，NDER等。以上评价指标均能作为评价沥青疲劳寿命的指标，但部分指标离散性较大，对沥青的种类有很强的依赖性，不能广泛推广和应用。单丽岩博士研究发现沥青的疲劳性能随着应力的增大而降低，当控制应力较大时，模量随着荷载作用次数的增加而减小;当控制应力较小时，出现硬化现象[5-6]。本研究拟采用动态剪切试验获取相关参数，以累计耗散能比(DER)和耗散能变化率(DE)为疲劳性能指标，研究老化沥青的疲劳损伤规律。

　　1 试验材料与方法

　　1.1 试验材料

　　本研究中老化沥青来源为重庆市某高速公路铣刨路面破碎回收旧沥青，经过三氯乙烯溶液离心抽提，旋转蒸发得到。沥青材料的相关性能参数见下页表1。回收旧沥青红外光谱检测结果见下页图1，官能团解析情况见下页表2。在红外光谱图中965 cm-1处未发现明显振动，说明该沥青不含有聚丁二烯双键振动，即该沥青并非SBS改性沥青。根据红外光谱检测和该标段设计、施工资料显示，该沥青为中交70#基质沥青。

　　1.2 试验原理及方法

　　动态剪切流变仪法(DSR)是美国SHRP计划中用来评价沥青高温性能和疲劳性能的常用手段。其原理是施加一个应力σ=σ0·sinωt，沥青样品将会产生一个相应的应变：γ=γ0sin(ωt+δ)，但由于沥青是一种非牛顿体，具有明显的粘弹性特征。虽然其角频率相同，但其应变相对于应力会出现一个相对滞后，滞后的相位为δ。对于纯黏性材料其相位角δ=90°，对于纯弹性材料其相位角δ=0°，即应变与应力同时产生同时结束，不会产生任何延迟和滞后效应。在剪切试验中存在复数剪切模量G*，其本质是应力与应变的比值。即：

　　式中，G*由实部G′和虚部G′′构成;G′表示在正弦模式下被存储并且能够释放出来，用于恢复变形的部分模量又被称为弹性模量或存储模量;G′′表示应力作用下，由于内部做功或者摩擦发热等形式被耗散掉的那一部分模量，被称为损失模量。本实验拟从应力控制探讨其疲劳特征。应力控制模式是通过保持应力不变，重复加载，样品每次会消耗掉一部分损失模量G′′，直至其下降到初始模量的百分数为止，对比其加载次数就可以观察到其抗疲劳性能的优劣。

　　本试验采用动态剪切流变仪(DSR)，在应力控制模式下进行循环剪切试验，试验温度为20 ℃，剪切频率为10 Hz。应力条件分别为0.1 MPa，0.15 MPa，0.20 MPa，0.25 MPa。平行板夹具选择8 mm直径，Gap值为2 mm。

　　2 试验结果分析

　　2.1 模量、应变变化规律

　　应力控制模式下复数模量和应变是两个重要的参数，当前很多学者针对疲劳寿命的认定有着不同的看法，且指标众多。目前应用最广泛的指标是将复数模量下降至50%时对应的加载次数作为其疲劳寿命即Nf50。如图2所示，0.1 MPa、0.15 MPa、0.20 MPa条件下复数模量变化曲线均呈现倒“S”型，该型为标准的疲劳破坏特征，但在0.25 MPa应力条件下复数模量迅速下降，表明应力过大，该破坏属于直接破坏，并非疲劳破坏。从图2中可以看出，随着应力的增大，其疲劳寿命指标Nf50呈减小趋势，这是因为应力控制条件下，每次加载过程中应力越大，变形也越大，单次作用对沥青试件的破坏作用也越大，所以疲劳寿命会隨着应力的增加显著降低。图3显示了老化沥青在四种荷载作用下的应变情况，显然由于沥青作为一种粘弹性材料，在每次加载过程中都会有一部分残余应变不可恢复，残余应变会随着荷载作用次数累加起来，使沥青的累积变形超过其承载能力，发生破坏。该过程拥有明显的转折，转折处即代表着沥青的抵抗变形能力小时在常应力下发生大量变形。从图3同样可以看出，在0.25 MPa应力下，老化沥青的初始应变量超过4%，随着荷载继续施加，变形呈指数上升，不属于疲劳破坏特征。其他三种应力图像呈“J”型，符合疲劳损伤特征，且转折点左侧属于疲劳裂纹的发育和累积阶段，右侧属于裂缝剧烈延伸及贯穿阶段。

　　2.2 耗散能变化规律

　　沥青在受到荷载作用的过程中发生变形，变形就意味着能量的耗散。能量的耗散包含弹性和塑性两个部分，疲劳的过程很难用宏观的方法表征出来，而采用计算能量耗散变化率和累计耗散能比的方法可以直观形象地展示沥青在循环荷载作用下其疲劳发育的各个阶段[7]，是一种定量的评价手段。

　　由表3可知Np和Np20两种指标在评价疲劳寿命方面具有很强的一致性，其疲劳寿命值极其相似。为了探究不同指标的疲劳寿命变化规律，将四种指标放在下页图5中进行对比。

　　如图5所示，四种指标都反映出了一个普遍规律，即随着应力的增大，疲劳寿命逐渐减小。在三种不同应力条件下，基于模量变化的Nf50和基于耗散能变化率的NDR值总是高于基于累积耗散能比的Np和Np20，相对于前者，后面两种对疲劳寿命的预估更加保守，且不同样品之间的变异性相对较小。

　　3 结语

　　(1)老化沥青常应力疲劳的累积破坏过程中，其复数模量的降低呈现倒“S”型，且“S”的拐点，即为疲劳加速破坏的起点，标志着沥青微小损伤开始形成贯穿裂纹。应力控制下破坏时应变曲线拐点明显，易于判定。

　　(2)老化沥青的常应力加载过程随着应力增大，疲劳寿命大幅降低，可见超应力损伤对沥青的破坏程度很大。

　　(3)Nf50和NDR明显大于基于累计耗散能比的Np和Np20。基于同种指标的Np和Np20疲劳寿命极为接近，且变异性较小。

　　参考文献：

　　[1]朱洪洲，范世平，卢章天.基于DSR时间扫描的沥青常应力疲劳演化规律分析[J].公路交通科技，2017，34(11)：8-14，37.

　　[2]李 佳，张肖宁.沥青混合料中胶浆疲劳破坏与变形分析[J].科学技术与工程，2012，12(35)：9 585-9 590.

　　[3]周庆福，刘 星，汪 林，等.高黏改性沥青的流变性能分析[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2019，43(4)：687-691.

　　[4]胡金龙，孙大权，曹林辉.沥青疲劳性能分析方法与评价指标[J].石油沥青，2013，27(5)：58-64.

　　[5]单丽岩，谭忆秋，李晓琳.沥青疲劳特性的研究[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版)，2011，35(1)：190-193.

　　[6]单丽岩，谭忆秋，许亚男，等.应力、应变控制模式下沥青疲劳损伤演化规律[J].中国公路学报，2016，29(1)：16-21，74.

　　[7]孟勇军，张肖宁.基于累计耗散能量比的改性沥青疲劳性能[J].华南理工大学学报(自然科学版)，2012，40(2)：99-103.

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文章名称： 常应力条件下老化沥青抗疲劳性能研究

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