引言

目前,沥青材料广泛地应用于路面建设中。近年来研究发现,沥青材料在特定情况下具有微损伤自愈性能。如果能充分了解自愈性能,并应用于路面设计和建设中,将会使路面结构更为可靠,延长路面的使用寿命,创造更为安全的交通运输环境中国沥青网sinoasphalt.com。

Lytton、Kim、Little等学者对于沥青材料的自愈合性能进行了研究,发现沥青材料的疲劳性能在试验室条件下和真实路面环境有很大差距。其中的原因是,试验室条件下的疲劳试验是在连续荷载条件下,而真实路面承受的荷载是在不断变化的,且有间歇时间,并在这段时间内沥青材料损伤有一部分恢复,从而延长疲劳寿命。

为了评估沥青的自愈能力,大多数研究人员将间隔时间很长的间歇加载序列应用在传统的连续疲劳荷载之间(如Castro、Sanchez、Kimet),用间歇期后沥青材料模量的恢复和疲劳寿命的延长来评估沥青的自愈能力。然而,这样的加载序列并不现实,路面不会每时每刻都在承受各种车辆载荷的作用,中间总有一些或长或短的间歇时间。因此Carpenter和Shen开发了一种间歇加载序列,用这种方法来研究热拌沥青混合料(HMA)的自愈能力。尽管间断加载似乎是合理的,但由于机器和测试时间的限制,间歇时间不超过10s。因此,找到更合适的方法去评价间歇期沥青材料的自愈合性能,将对路面设计和损伤控制有很大影响。

力学分析和愈合机理的研究是另一个难点。Lytton根据伪应变能量消耗和表面粘结能的速率变化,建立了沥青微观断裂损伤和愈合模型。Song利用CT技术和动态力学分析仪(DMA),监控材料的损伤和愈合,并用断裂损伤力学进行研究。Kim将伪应变能和分子结构的愈合方程相结合研究材料的自愈合,Little用湿润方程来评价自愈合,Kim用扭转加载法来评价沥青混合物自愈能力。这些学者的研究证明:重大损伤之前的间歇期对自愈效果的影响显著。Bommavaram等学者采用愈合方程研究材料强度的增加,并将浸润过程中的强度增加排除在外。

前人的研究表明:沥青自愈效果与裂缝的损伤程度、温度、荷载作用的间歇时间有直接关系(如Shen、Little、Bhasin)。制造已知损伤等级的沥青界面裂缝(微裂缝),然后模拟损伤恢复的过程,对充分了解沥青自愈机理很有效。Bommavaram用法向力将两块沥青试件挤压在一起,通过比较两个沥青试件与单个完整试件模量的变化,描述了湿润界面的扩散和自愈过程。但为了保证试验能够很好地反映沥青材料的自愈性能,对试件的准备和试验过程的要求很高,以确保试验结果的可重复性。

然而,目前大多数沥青材料的愈合研究只是基于间歇期后总体模量的恢复,并没有明确指出模量的恢复是由于沥青材料的粘弹性模量恢复还是由于沥青材料的自愈合性能恢复。而沥青材料的自愈合定义应该只包括裂缝的愈合,应该与粘弹性模量恢复相区分。

该文开发了一个简单的试验方案,建立评价沥青材料损伤愈合的分析方法,用动态剪切流变仪(DSR)控制损伤等级对沥青粘结剂自愈性能进行评价。在疲劳试验中,变形和裂缝均会导致材料性能的恶化,卸载后材料的粘弹性恢复和损伤愈合都有助于模量的恢复。然而,只有材料的损伤愈合才是材料愈合能力的体现,这将是该文研究的重点。该文通过对间歇期内模量恢复的研究,排除了粘弹性恢复的影响,建立了愈合率方程,并对不同荷载-间歇工况的沥青材料自愈性能进行评价。

试验方法及材料该

文用DSR试验研究沥青材料在施加荷载-间歇期之间的流变性能。首先,用DSR试验对沥青试件制造微裂缝,并用沥青复数剪切模量的减少值确定损伤的程度;沥青结合料的愈合特性将在下一阶段控制温度的间歇期内评估。试验选择未老化PG64-28和改性PG70-28两种沥青材料。试验步骤如下:

(1)试件准备:按AASHTOT315上的规程准备DSR试验的沥青试件,并准备一个2mm间隔,8mm长的锭子,并使沥青试件和铝板之间有很好的粘结性,以保证试验的可重复性。

(2)振动疲劳试验:试验过程中要控制温度、频率和应力-应变等级,这一步主要是制造沥青试件的微裂缝。损伤等级通过损伤系数(D=1-k)来确定。其中,k为在疲劳试验结束后损伤值G?与试验前G?值的比值,D和G?将在下文中给出。

(3)试验间歇期G?的测量方法:疲劳试验过后,保持温度不变,沥青试件将会有个很长时间的间歇期。每过5~30min,用大约1%疲劳试验应力值测定G?和相位角,以确保对试件损伤最小。为保证试验可控及有效性,间歇时间持续3h。重复,并评价愈合后的沥青材料的疲劳特性。

给出了该文的交叉试验过程。整个试验过程中应保持温度不变,并在控制应力模式下,使损伤较快出现。且每种试验重复2次。

应变分解方法

该文研究了疲劳-愈合试验的应变分解方法,并区分了沥青材料的损伤愈合与粘弹性模量恢复。

该文用蠕变恢复试验来确定间歇期内的粘弹性应变。试验中,用3种不同蠕变应力与蠕变时间的组合(100Pa-85s,1300Pa-2s和3200Pa-0.4s)来控制疲劳过程中的粘弹性应变。为25℃和50%损伤程度下,PG64-28沥青结合料在3种不同工况下粘弹性应变的恢复值。同样计算出了PG70-28不同工况下的粘弹性应变。可以看出:不同蠕变应力-蠕变时间的粘弹性应变恢复曲线有相同的走势,在10min内粘弹性应变恢复达到稳定,比断裂损伤应变的恢复快很多。

因此,研究沥青材料的愈合时,测量材料的动态模量G?需在荷载移除10min后进行,因为这时的粘弹性应变恢复达到稳定。所以,间歇期的粘性损伤应变可以用总应变减去粘弹性应变确定。

试验结果和数据分析

该文提供了一种评估控制损伤等级下沥青材料自愈合性能的试验方案和数据分析方法。根据试验,得到如下结果:①模量恢复能力;②愈合后的疲劳性能;③断裂愈合方程;④断裂愈合率方程;⑤达到最大模量恢复能力需要的最少时间。

模量恢复能力

以PG64-28沥青为例,分析了疲劳-愈合试验中不同应变分量。可以看出:不同种类的沥青和工况(温度和损伤等级)的曲线有相同的走势。仅表示了应变分量发生变化,而弹性应变是否仍然保持常量在该文中并没有提到。包括了总应变、粘弹性应变、粘性损伤应变3种类型应变。从图中可以看出,大量损伤应变发生在疲劳阶段的后期。

根据疲劳-愈合试验中3种应变的发展变化,可确定粘弹性恢复和粘性损伤的模量分量。疲劳阶段和间歇期,断裂损伤模量、粘弹性模量、总的动态剪切模量的变化。在连续振动疲劳试验中,循环荷载期间没有粘弹性应变的恢复,并造成动态剪切模量的衰减。在间歇期内,粘弹性模量在很短的时间内恢复到初始值,而断裂损伤模量的恢复需要几个小时。

下文只用粘性损伤模量的变化对沥青材料的愈合性能进行分析,而排除粘弹性模量变化的影响。给出了一个疲劳试验和两个完整的间歇期内,粘性损伤模量与荷载循环次数的关系曲线。将每次荷载循环后的Gv?f除以Gv?f0得到归一化粘性损伤模量。

可以看出:去掉外部荷载后,Gv?f恢复到较高值,这表示断裂损伤在愈合。Gv?f1和Gv?f2分别表示第1次和第2次间歇期恢复后的Gv?f,于是模量恢复能力可用间歇期后的动态模量与初始动态模量的比值来表示(即Gv?f1/Gv?f和Gv?f2/Gv?f),比值越高,说明模量恢复能力越强。

试验结果表明:模量愈合能力受到温度、材料的损伤等级、沥青结合料类型的影响。以断裂损伤模量比值作为参数,对3h间歇期的模量恢复能力做了比较详细的对比。可以看到,一般情况下,较高温度下有较好的模量恢复能力,聚合物改性沥青PG70-28与未改性的PG64-28的模量恢复能力有较大差别;模量恢复能力同样受到试件损伤的影响,与第1次间歇期相比,第2次间歇期的模量恢复能力下降了。但在一部分数据中,第2次的模量恢复能力比第1次大,这或许与试验变化和应力硬化效应有关。

愈合后的疲劳性能

为了评价愈合性能,关键是了解沥青材料性能何时恢复,并且知道模量恢复值。为了确定沥青愈合对疲劳性能和荷载承受能力的影响,需要知道间歇期前后的疲劳曲线。对于PG64-28沥青,间歇期后的疲劳性能很大程度上受到间歇期前的损伤等级和愈合温度的影响,在较低温度和较高损伤等级愈合的材料,模量降低非常快,疲劳寿命很短。

给出了愈合后的疲劳寿命系数,用这个系数来表示愈合后的疲劳性能。并且疲劳寿命用模量降低到初始模量值的50%或90%时的循环次数来表示。

可以看出:①随着愈合温度的增加,愈合效果在增强。第2次间歇期愈合后的疲劳寿命(HE2)明显要比第1次间歇期愈合后的疲劳寿命(HE1)要低,这表明了损伤的增加降低了愈合效果。换句话说,愈合后材料的疲劳性能很大程度上受到愈合温度和累积损伤的影响,因为这两者都对分子扩散和随机组合有重要的影响;②PG70-28的愈合效果不如PG64-28的好,表明愈合效果同样受到沥青材料化学组成的影响,但这并不表明愈合后PG70-28的疲劳性能比PG64-28差,经过测试,PG70-28的疲劳寿命比PG64-28要长。

假设沥青的损伤恢复受到不同愈合机理及不同工况的影响,且短期模量恢复的主要原因是表面湿润和扩散,并在一般温度下都能发生。在这种机理下,裂缝愈合表面处有相对较弱的化学键,并只能随着时间的延长,模量才会增加。愈合材料的疲劳性能和完好的沥青材料有差别,在相对较高的温度下(如30℃)将会发生随机重组,或者在较长的间歇期后扩散的分子能有较强的热力学运动,这使得疲劳性能恢复。更多的分子动力学及材料热力学的分析将在下一阶段研究来支持这一假设。

愈合和愈合率方程

当完好的沥青试件经过荷载循环形成微裂缝后,粘性损伤的动态模量将会从初始值Gv?f0降低到Gv?fi,始前的损伤等级。

在间歇期内,动态模量每隔5~30min测量一次,随着间歇时间的增加,粘性损伤的动态模量逐渐增加,并达到最大模量恢复能力值。由式(1)中材料内在愈合方程,该文推导出一个愈合方程来估计恢复的粘性损伤动态模量Gv?f,并排除粘弹性恢复对动态模量G?增加的影响。

提供了一种在具体温度和荷载状况下,描述沥青结合料断裂愈合性能的方法,并用不同的α和β值表示。25℃时PG64-28的测试结果,预测了模量恢复曲线。可以看出:①不同损伤等级下,断裂愈合的预测值和测试结果有很好的相关性;②尽管由于第2次间歇期有损伤累积,且比第1次间歇期的模量愈合能力低,但是第1次和第2次间歇期的愈合曲线有类似的走势。因此,证明对于沥青材料的愈合特性来说,是一个比较成功的模型,且对于不同结合料类型(PG64-28、PG70-28)、不同温度(15、20、25、30℃)、不同损伤等级(高、低)都可以验证。

给出的愈合方程,提出愈合率(HR)方程,即为单位间歇期内,粘性损伤动态模量Gv?f的增加。

观察发现,当去掉荷载后,HR值很高。随着时间的延长,HR值降低,并直到接近0,到这时愈合将不再发生,材料达到最大愈合。

将所有试验数据用式(12)的模型拟合,可获得不同温度(15、20、25、30℃)和损伤等级(低和高)的α和β值。可以看出:随着温度的增加,α和β都会以线性模式增加。同样PG70-28类沥青也有类似的走势。

达到最大愈合时的间歇时间

达到最大模量所需的间歇时间,同样也是沥青胶结料愈合能力的一个很好的指标。不同沥青材料、温度、损伤等级和荷载循环次数都对愈合时间有重要的影响,这主要取决于上文提到的愈合方程。定义为,在间歇期内每5min的模量增加不超过0.1%,即达到最大模量恢复。可以看到:这两种类型的沥青,都是随着温度的增加,愈合时间缩短;随着损伤等级的增加,愈合时间延长。而且经过第1次和第2次振动疲劳试验,达到最佳模量恢复的时间比较接近,但要从根本上理解愈合机理,需要进一步用分子动力学和材料热力学的方法进行研究。

结论

介绍了一种试验方案和数据分析方法来评价沥青结合料的断裂愈合性能。且在研究沥青材料的愈合性能时,排除了沥青材料粘弹性恢复的影响,只用沥青材料自身的断裂愈合特性进行研究。

试验结果发现,不同温度(15,20,25,30℃)和不同损伤等级(较低和较高)下,愈合发生时,粘弹性模量的恢复较快,而断裂损伤愈合需要一段时间;高温和较低损伤等级时,断裂损伤愈合快且比较容易,可以分别从模量恢复能力、疲劳寿命愈合率和达到最佳愈合时所需最短时间得到。不同种类的沥青胶结料的断裂愈合能力不同,这是由它们的化学组成决定的。且根据材料的断裂愈合分析,该文提出了愈合方程和愈合率方程,能从不同间歇时间预估沥青结合料的愈合性能。