沥青胶结料疲劳损伤机理研究

沥青胶结料疲劳损伤机理研究

常志慧

山东建筑大学山东省济南市250100

摘要：疲劳破坏是沥青路面结构基础理论与设计的本源性问题，因此沥青及沥青混合料的疲劳损伤特性多年来一直倍受研究者们的关注和重视。本文系统阐述了疲劳损伤机理以及疲劳过程中的自愈与触变现象，对自愈合机理、自愈合评价方法以及自愈合影响因素进行了总结，疲劳的评价指标：初始模量的50%-50%G*、疲劳因子G*sinδ、耗散能变化率DR、累积耗散能比DER。

关键词：沥青胶结料；损伤机理；触变性；自愈性

0引言

近年来，随着交通运输事业的快速发展，交通量迅速增加，车辆轴载不断增大，重载交通日益严重，沥青路面的设计、养护和维修面临越来越严峻的考验。路面在使用过程中，不仅受到车辆荷载的重复作用，还受到环境温度变化所产生的温度应力影响。在应力应变反复作用下，路面材料的强度逐渐衰减。本文基于触变性和自愈性对沥青胶结料的损伤机理进行研究。

1疲劳损伤机理

损伤力学的发展为研究材料在重复荷载作用下的力学行为提供了新的手段。疲劳损伤与疲劳断裂不同，通常很难像材料内部裂纹扩展那样通过精确计算加以描述，而是更加关注研究材料内部缺陷的累积和发展，及其所表现出的宏观物理力学性能的衰变。疲劳损伤演化的程度用损伤因子D表示，损伤因子D是荷载历程的函数，称为损伤演化函数。

损伤演化本构模型是指损伤影响下的应力、应变关系。通过损伤演化函数和无损伤影响下的本构关系，建立损伤过程中材料的本构关系。损伤演化本构模型的优点是可以预测材料的实测性能，减少试验时间和试件数量。郑健龙等将Burgers模型的本构关系与连续损伤演化模型二者耦合建立了沥青的粘弹性损伤本构模型[1]。Zhu等将粘弹塑本构关系与损伤函数叠加，得出沥青混合料粘弹-粘塑性损伤本构模型，该模型可以较好描述沥青混合料三轴蠕变、三轴等应变速率压缩等加载模式下的力学行为[2]。曾国伟在叶永等提出的粘弹塑性模型的基础上，采用有效应变指数形式的损伤演化函数，建立起了形式简单、能描述不同条件下蠕变全过程的沥青混合料蠕变损伤本构模型[3]。Darabi等人将粘弹、粘塑、损伤和愈合四部分的本构关系组合，建立了VE-VP-VD-H模型（粘弹-粘塑-损伤-愈合模型），粘弹部分基于广义Maxwell模型，粘塑部分依据Perzyna提出的粘塑流动规律，损伤函数基于应变等效。

2触变性自愈性

2.1触变性

随着人们对沥青性能研究的不断深入，沥青的自愈性和触变性受到了越来越多的关注和重视，研究者们已经开始注意到沥青的疲劳不仅与损伤有关，而且与沥青的触变性直接相关[6，7]。

触变性可分为三种：正触变性、负触变性、复合触变性[8]。正触变性是指在剪切外力作用下体系的粘度随时间增加而下降，静止后又恢复，即具有时间依赖性的剪切变稀现象；负触变性，又称振凝性，正好与正触变性相反，是一种具有时间依赖性的剪切变稠现象，即在外切力作用下，体系的粘度上升，静置以后又恢复的现象；复合触变性现象是发现最晚的一种触变现象，对其进行的研究也相对较少。所谓复合触变性是指一个特定体系可先后呈现出正触变性和负触变性[9]。

单丽岩[10]将触变性引入到沥青疲劳特性的研究中，量化了触变性对疲劳过程的影响，实现了触变性从沥青疲劳全过程中的分离。LiyanShan[11]采用触变环法、阶跃试验法和动态模量法研究了四种沥青使用温度下的触变性；根据单一剪变率剪切试验建立了指数触变模型；根据动态模量试验建立了扩展指数模型；结合稳态剪切试验结果建立了沥青的结构动力触变模型。VirginieMouillet等人[12]采用哈克流变仪的锥-平板触变试验设备对沥青开展了时间扫描和应力扫描，采取正弦加载模式，以复合模量为触变性的评价指标，考察了试验温度（10～30℃）、加载频率（0.07、0.1、0.7Hz）、加载持续时间（10～90min）等对触变性的影响。

2.2自愈性

包括裂纹表面能机理、裂缝表面润湿与分子扩散理论、毛细流动理论、相变理论。模型建立了自愈合速率与表面能的关系，通过压缩蠕变试验和表面能的测量，可以预估沥青混合料的自愈合速率，揭示了裂纹自愈合的动力来自裂缝表面能的降低，但是也存在不足之处，如假设裂缝的扩展是连续的并且裂缝的扩展速率是由基于线弹性的Paris法则决定的。

从材料学角度来看，沥青也属于聚合物类材料，所以关于沥青裂缝自愈合机理的研究主要是借鉴聚合物材料的相关研究成果。Kim认为高分子聚合物的自愈合过程包括：（1）表面重组；（2）表面接近；（3）润湿；（4）扩散；（5）随机重组。在荷载间歇期，沥青的自愈合机理有两个方面：一方面是由于沥青的粘弹性性质引起的应力松弛；另一方面则是裂缝两表面的化学性愈合，沥青的化学组成及其性质会影响裂缝界面分子的扩散与重排。

3结论

本文系统阐述了沥青胶结料及沥青混合料的疲劳特性，其主要包括沥青胶结料的疲劳损伤机理以及疲劳过程中的自愈与触变现象，对自愈合机理、自愈合评价方法以及自愈合影响因素进行了总结。

参考文献

[1]郑健龙，吕松涛，田小革.基于蠕变试验的沥青粘弹性损伤特性[J].工程力学，2008，25（2）：193-196

[2]HaoranZhu，LuSun.AViscoelastic-viscoplasticDamageConstitutiveModelforAsphaltMixturesBasedonThermodynamic[J].InternationalJournalofPlasticity，2013，40：81-100.

[3]曾国伟，杨新华，白凡，尹安毅.沥青砂粘弹塑蠕变损伤本构模型实验研究[J].工程力学，2013，30（4）：249-253.

[4]郑健龙，吕松涛，田小革.基于蠕变试验的沥青粘弹性损伤特性[J].工程力学，2008，25（2）：193-196.

[5]DIBENEDETTOH，DELAROCHEC，BAAJH，etal.FatigueofBituminousMixtures[J].MaterialsandStructures，2004，37（3）：202-216.

[6]KIMYR.ModelingofAsphaltConcrete[M].NewYork：McGraw-HillProfessional，2009.

[7]刘科.触变性研究新进展[J].胶体与聚合物.2003，21（3）：31-38

[8]陈剑华.MA用混合沥青触变及老化特性的多尺度研究与应用[M].广州：华南理工大学，2015.

[9]单丽岩，谭忆秋.考虑触变性的沥青疲劳过程分析[J].中国公路学报，2012，25（4）：10-15.

[10]LiyanShan.ThixotropicCharacteristicsofAsphaltBinder[J].J.Mater.Civ.Eng.2011.23：1681-1686.

[11]VirginieMouillet；ChantalDelaRoche；EmmanuelChailleux，etal.ThixotropicBehaviorofPaving-GradeBitumensunderDynamicShear[J].J.Mater.Civ.Eng.2012.24：23-31.