莫達(dá)有

(廣東交科檢測有限公司 廣州 510420)

0 引 言

開裂是瀝青路面的主要破壞形式之一，開展瀝青混合料的抗裂性能研究，提出簡單、準(zhǔn)確的室內(nèi)試驗(yàn)方法及評價指標(biāo)，以區(qū)分不同混合料的抗裂性能，對于提高瀝青混合料的路用性能意義重大.

國內(nèi)外學(xué)者提出了多種方法評價瀝青混合料抗裂性能.美國戰(zhàn)略公路研究計(jì)劃(SHRP)[1]開發(fā)了溫度開裂預(yù)測系統(tǒng)，并將J積分作為評價指標(biāo).郝培文等[2]提出使用低溫抗裂系數(shù)ρ以評價瀝青混合料抗裂性能.我國規(guī)范則采用低溫彎曲試驗(yàn)得到的破壞應(yīng)變作為評價低溫性能的指標(biāo).但隨著斷裂力學(xué)在道路工程領(lǐng)域中的應(yīng)用，部分學(xué)者提出通過斷裂能來評價瀝青混合料抗裂性能，典型的試驗(yàn)方法包括半圓彎曲試驗(yàn)(SCB)和圓盤拉伸試驗(yàn)(DCT)等[3-4].羅培峰[5]基于SCB試驗(yàn)研究了溫度和切口深度對瀝青混合料抗裂性能的影響.Wagoner等[6]采用DCT試驗(yàn)評價了瀝青混合料低溫性能.陳正偉等[7]基于SCB試驗(yàn)研究了老化對再生瀝青混合料抗裂性能的影響.陳正偉[8-9]等還采用韌性指數(shù)和柔度指數(shù)表征瀝青混合料的斷裂性能.

現(xiàn)有研究表明:從能量的角度通過計(jì)算斷裂能以評價瀝青混合料低溫抗裂性能，得到眾多學(xué)者的青睞.但計(jì)算斷裂能的試驗(yàn)方法較多，計(jì)算原理差異較大，同種材料、不同試驗(yàn)方法得到的斷裂能結(jié)果相差較大.卻少有學(xué)者開展不同試驗(yàn)方法的差異對比及適用性評價研究，而提出便捷、準(zhǔn)確評價瀝青混合料抗裂性能的試驗(yàn)方法和評價指標(biāo).

基于此，文中從受力機(jī)制角度對比分析各種測試方法的原理及優(yōu)劣性，確定力學(xué)原理明確作為計(jì)算準(zhǔn)確斷裂能的原則，將開口位移更改為與荷載加載同方向的豎向線位移(LLD)，提出采用荷載P與LLD包絡(luò)曲線面積來計(jì)算瀝青混合料的斷裂能，并選用AC-10、AC-13和AC-16三種瀝青混合料同時進(jìn)行SCB和DCT試驗(yàn)，比較不同試驗(yàn)方法計(jì)算的斷裂能，以驗(yàn)證所提出計(jì)算斷裂能方法的合理性.在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了不同溫度下的改進(jìn)SCB試驗(yàn)，給出推薦的區(qū)分不同瀝青混合料斷裂特性的最佳試驗(yàn)溫度，確定采用SCB試驗(yàn)為主體、P與LLD包絡(luò)曲線面積來計(jì)算斷裂能的試驗(yàn)方法及試驗(yàn)溫度的整套試驗(yàn)方法.

1 瀝青混合料斷裂能測試方法

常見的試驗(yàn)斷裂能測試方法主要有圓盤拉伸試驗(yàn)(DCT試驗(yàn))、半圓彎曲試驗(yàn)(SCB試驗(yàn))、間接拉伸試驗(yàn)和小梁彎曲試驗(yàn)[10].各試驗(yàn)方法的示意圖見圖1.

圖1 各試驗(yàn)的試驗(yàn)圖(單位：mm)

四種不同試驗(yàn)方法的對比分析見表1.

表1 不同試驗(yàn)方法對比

間接拉伸試驗(yàn)沿試件直徑方向進(jìn)行測試，應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜且與實(shí)際受力狀態(tài)相差甚遠(yuǎn)，評價指標(biāo)(應(yīng)變、勁度模量)規(guī)律性較差；小梁彎曲試驗(yàn)通過預(yù)設(shè)裂縫來模擬瀝青混合料的抗裂性能，但預(yù)制裂縫精確度對試驗(yàn)結(jié)果影響較大，且沒有綜合考慮瀝青混合料的強(qiáng)度、變形、松弛等特性[11].

DCT試驗(yàn)試件制作比較復(fù)雜，試驗(yàn)裝置要求高；SCB試件制作簡單，更為便捷.DCT和SCB均是通過計(jì)算斷裂能來評價瀝青混合料的斷裂特性，但兩種試驗(yàn)的斷裂能計(jì)算機(jī)理完全不同.DCT試驗(yàn)受力模式為垂直于裂縫路徑對試件施加直接張力，而SCB試驗(yàn)是通過作用于試件頂部的荷載彎曲試件，從而沿著裂縫尖端產(chǎn)生間接張力使裂縫擴(kuò)展.

在物理學(xué)中，功被定義為作用在物體上的力乘以作用點(diǎn)在力的方向上的位移[12-13]，為

W=F×d

(1)

式中：F為作用在物體上的力，N；d為位移，mm.

在DCT和SCB試驗(yàn)中，通常采用施加在試件上的力和開口位移(crack mouth opening displacement，CMOD)的乘積來表征斷裂能.但由上文分析可知，對于DCT試驗(yàn)，通過加載孔向試樣施加拉伸載荷，并在施加載荷的相同方向上測量得到CMOD.因此，作用在物體上的力和位移方向一致，兩者的乘積便是所做的功，采用該功定義斷裂能，其物理意義明確.

對于SCB試驗(yàn)，開口位移方向與加載力的方向不一致，兩者的乘積只能稱之為形式上的功，該功與能量的基本定義不符，并非真正意義的斷裂能，準(zhǔn)確性較低.因此，可以推斷DCT和SCB試驗(yàn)測得的斷裂能相差較大.

綜上，DCT試驗(yàn)中斷裂能物理意義明確，試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確，但試件制作方法復(fù)雜，開展試驗(yàn)困難；SCB試驗(yàn)試件制作簡單，但其斷裂能的定義不符合功的定義.因此，本文結(jié)合兩個試驗(yàn)方法的優(yōu)點(diǎn)，基于SCB試驗(yàn)方法不變，定義線位移(load-load line displacement，LLD)為荷載P為加載始、終試件的總豎向位移，提出采用荷載P與線位移LLD的乘積來計(jì)算瀝青混合料的斷裂能，試驗(yàn)圖見圖2.

圖2 荷載-線位移(LLD)試驗(yàn)圖示

由圖2可知，試驗(yàn)過程中記錄施加在試件上的力與力的位移曲線，力的方向與位移方向一致，優(yōu)化了原試驗(yàn)方法中力與位移方向不一致而帶來的諸多問題，確保了計(jì)算得到斷裂能的準(zhǔn)確性.

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)思路

約定：將DCT、SCB試驗(yàn)得到的荷載-裂縫張開位移曲線分別簡稱為CMOD-DCT、CMOD-SCB，將SCB試驗(yàn)得到的荷載-線位移曲線簡稱為LLD-SCB.

1) 有效性驗(yàn)證 為充分驗(yàn)證所提出試驗(yàn)指標(biāo)的有效性，對AC-10、AC-13、AC-16三種不同混合料在相同溫度下分別進(jìn)行SCB和DCT試驗(yàn).進(jìn)行SCB試驗(yàn)時，同時記錄CMOD-SCB及LLD-SCB；進(jìn)行DCT試驗(yàn)時，記錄CMOD-DCT.

基于DCT和SCB的試驗(yàn)得到的荷載-裂縫張開位移曲線與荷載-線位移曲線面積不能直接比較的問題，考慮到兩種試驗(yàn)的韌帶長度不同，仍可通過采用荷載-裂縫張開位移曲線、荷載—線位移曲線面積下的面積(斷裂功)除以韌帶面積來計(jì)算每種瀝青混合料的斷裂能，斷裂能Gf計(jì)算方法為

(2)

式中：Gf為斷裂能，N/m；A為荷載-位移曲線圖所包圍的面積，荷載所做的功，J；b為試件寬度，mm；h為試件高度，mm；a為預(yù)制切縫長度，mm.

從而對比三種不同混合料在不同試驗(yàn)方法下計(jì)算得到的斷裂能.

2) 合理的試驗(yàn)溫度確定 開展不同溫度下的LLD-SCB試驗(yàn)，根據(jù)位移曲線計(jì)算斷裂能，以確定能明顯區(qū)分不同瀝青混合料的開裂性能的試驗(yàn)溫度.

2.2 試驗(yàn)內(nèi)容

1) 選用花崗巖集料，石灰?guī)r礦粉 采用AC-10型、AC-13型和AC-16型三種級配瀝青混合料，設(shè)計(jì)孔隙率為4%，根據(jù)馬歇爾試驗(yàn)確定瀝青最佳用量，分別為4.8%、4.6%和4.7%.各材料級配見表2.

表2 瀝青混合料合成級配

2) SCB試驗(yàn)試件制作 采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型三種級配下的瀝青混合料圓柱體試件，并對稱切割成半圓柱型，高度50 mm、厚度25 mm，在半圓形試件底部中間切縫，長度10 mm.在-12 ℃下進(jìn)行試驗(yàn)，采用萬能試驗(yàn)機(jī)采集數(shù)據(jù).三種級配下的瀝青混合料均進(jìn)行三組平行試驗(yàn).

3) DCT試驗(yàn)試件制作 采用旋轉(zhuǎn)壓實(shí)成型三種級配下的瀝青混合料圓柱體試件，將試件切割成圓盤型，圓盤直徑150 mm、厚度50 mm.距離圓盤圓心35 mm處，對稱鉆取直徑25mm的小孔，預(yù)切縫長度50 mm.試驗(yàn)溫度為-12℃，采用MTS試驗(yàn)機(jī)以1.0 mm/min 的速率破壞試件并記錄數(shù)據(jù).三種級配下的瀝青混合料均進(jìn)行三組平行試驗(yàn).

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 評價指標(biāo)有效性

不同試驗(yàn)方法時各瀝青混合料斷裂能見圖3.由圖3可知：不同試驗(yàn)方法測得的瀝青混合料斷裂能規(guī)律基本一致.相同條件下，AC-16瀝青混合料斷裂能最大，AC-10瀝青混合料斷裂能最??；CMOD-SCB法測量計(jì)算得到的斷裂能在421.4～541.8 N/m；LLD-SCB法測量計(jì)算得到的斷裂能在337.4～395.3 N/m；CMOD-DCT法測量計(jì)算得到的斷裂能在302.7～365.0 N/m.同時三種不同瀝青混合料在三種方法下測量得到的斷裂能范圍較窄，尤其是CMOD-DCT和LLD-SCB的測量結(jié)果，難以明顯區(qū)分不同瀝青混合料的開裂性能.

圖3 不同試驗(yàn)方法時各瀝青混合料斷裂能

為進(jìn)一步對比試驗(yàn)結(jié)果，分別將CMOD-SCB法和LLD-SCB法計(jì)算得到的斷裂能除以CMOD-DCT法計(jì)算得到的斷裂能，計(jì)算結(jié)果見圖4.

圖4 不同試驗(yàn)方法計(jì)算所得斷裂能對比結(jié)果

由圖4可知:瀝青混合料的類型不同，兩種試驗(yàn)方法的斷裂能之比也不同.CMOD-SCB法約比CMOD-DCT法計(jì)算得到的斷裂能高30%，LLD-SCB法則和CMOD-DCT法的計(jì)算得到的斷裂能值十分接近，這是因?yàn)镃MOD-SCB法是通過測量間接位移計(jì)算得到斷裂能，而CMOD-DCT法、LLD-SCB法則均是通過計(jì)算直接位移得到斷裂能.因此，這些比率揭示了通過加載應(yīng)力對位移的直接和間接測量之間的差異.此外，LLD-SCB法和CMOD-DCT法斷裂能計(jì)算數(shù)值的微小差異，可能是由于荷載類型、DCT試驗(yàn)中荷載施加點(diǎn)和位移測量點(diǎn)的間距等因素造成的.

綜上，LLD-SCB試驗(yàn)方法試件制作簡單，且計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，斷裂能與荷載施加方向相同，也可以反映試件在測量過程中的彎曲過程，是測量計(jì)算斷裂能的最佳方法.但是，SCB試驗(yàn)中荷載—線位移曲線難以體現(xiàn)裂縫擴(kuò)展路徑，因此在描述裂縫尖端特征和裂縫擴(kuò)展行為的研究中，仍應(yīng)當(dāng)采用荷載—裂縫張開位移曲線.

同時，考慮到低溫下測量得到的LLD-SCB斷裂能范圍較窄，難以反映不同瀝青混合料的開裂性能，進(jìn)一步修改和調(diào)整試驗(yàn)參數(shù)，分析溫度對區(qū)分瀝青混合料斷裂能的影響.

3.2 合理溫度確定

為AC-10、AC-13和AC-16三種瀝青混合料在三種溫度(-12，0和10 ℃)下的LLD-SCB試驗(yàn)位移曲線及斷裂能特性試驗(yàn)結(jié)果見圖5和表3.

圖5 不同溫度下荷載-位移曲線圖

表3 不同溫度下瀝青混合的斷裂能

由圖5可知，在SCB試驗(yàn)中溫度對荷載-位移曲線的形式影響較大.試驗(yàn)溫度升高會導(dǎo)致荷載、位移曲線的斷裂能增加、峰值荷載降低，以及峰后斜率變的更加平滑.這是因?yàn)闉r青混合料的粘彈性理論，瀝青混合料是感溫性材料，溫度升高時，瀝青軟化，導(dǎo)致瀝青混合料的脆性降低；溫度降低時，瀝青變硬，導(dǎo)致瀝青混合料變的更脆.

同時，圖5顯示溫度為-12 ℃時，AC-10型、AC-13型和AC-16型三種瀝青混合料的荷載-位移曲線幾乎重合，三者幾乎具有相同的位移范圍、相近的峰值荷載和相同的峰后斜率；但當(dāng)試驗(yàn)溫度為10℃時，三種瀝青混合料的荷載-位移曲線可明顯區(qū)分.

由表3可知，溫度為-12 ℃時，AC-10型相較于AC-16型，斷裂能減小了14.6%；溫度為0 ℃時，AC-10型相較于AC-16型，斷裂能減小了15.3%；溫度為10 ℃時，AC-10型相較于AC-16型，斷裂能減小了23.5%.

綜上，在較高的溫度下，瀝青混合料的荷載—位移曲線形式更加明顯，斷裂能數(shù)值的變化幅度更為顯著.因此，為了明顯區(qū)分不同瀝青混合料的開裂性能，推薦在10 ℃下進(jìn)行SCB試驗(yàn)并根據(jù)荷載的豎向線位移曲線計(jì)算斷裂能.

4 結(jié) 論

1) 通過對四種常見抗裂性能試驗(yàn)方法的對比分析，結(jié)合物理學(xué)做功和能量兩大基本概念，提出荷載與位移同向條件下計(jì)算得到的斷裂能與功的定義相符，由此將原SCB試驗(yàn)方法中的開口位移更改為荷載的豎向線位移.

2) LLD-SCB法和CMOD-DCT法符合功的定義，斷裂能計(jì)算結(jié)果也表明，CMOD-SCB法約比CMOD-DCT法計(jì)算得到的斷裂能高30%，LLD-SCB法和CMOD-DCT法的計(jì)算得到的斷裂能值十分接近，表明采用LLD-SCB法計(jì)算的斷裂能準(zhǔn)確、可靠，同時試驗(yàn)方法更為便捷.

3) 10 ℃試驗(yàn)條件下，不種瀝青混合料采用LLD-SCB法計(jì)算得到的斷裂能具有較好區(qū)分度，建議在10 ℃下進(jìn)行LLD-SCB試驗(yàn).