引言

RAP是从旧路面获得并可重复使用的路面材料。近年来，出于节省造价、节约资源和保护环境的需求，RAP作为道路材料而备受青睐。对于沥青路面中使用RAP材料，主要问题是RAP掺量对材料的耐久性和抗疲劳性能的影响中国沥青网sinoasphalt.com。目前，对RAP沥青混合料疲劳性能的研究方法较多，通常采用的方法有疲劳试验方法和分析方法。这些方法不能直观地通过测量试样的变形或扭曲来表征材料的疲劳损伤，而是当材料内部损伤比较明显时通过假定模量变化间接反映疲劳损伤。此外，对高掺量RAP混合料疲劳性能定量表征的研究并不多。笔者提出一种新的测量沥青混合料疲劳损伤的方法———激光扫描法，该方法应用激光散射技术能够成功获得各种材料的表面信息，并通过探测试样表面的裂纹，直观地反映材料疲劳损伤的整个发展过程。该文将采用这种新的非接触式激光扫描探测技术对高掺量RAP沥青混合料进行研究，并与传统的动态模量法和耗散能法作对比验证SLD系统的适用性，以及采用该技术评价高掺量RAP对沥青混合料疲劳性能的影响。

疲劳性能的传统评价方法

疲劳试验条件

试验采用PG64－10基质沥青，RAP混合料取自洛杉矶项目。首先利用旋转压实机分别成形空隙率为4%±05%和6%±05%的50%掺量RAP混合料和普通沥青混合料，将其切割成高150mm、直径100mm的试样。其次对试样进行单轴拉伸，选定3个应力幅值进行控制应力疲劳试验，应力幅值沿拉伸方向以半正弦波形式施加于试样上直至试样破坏。应变水平通过连接在试样上的线性变差传感器进行测量，Lab-VIEW软件自动进行激光扫描和数据采集。试验条件为：试验频率：10Hz；试验温度：23℃；应力幅值(控制应力模式)：400、610、850kPa；标距长度：100mm；重复次数：3次。

动态模量法

动态模量法是利用初始应力幅值和加载次数的关系反映混合料疲劳特性。对于线弹性材料，通常采用复合模量描述连续加载下的应力－应变关系，复合模量用复数表征，其绝对值为最大动应力与最大动应变的比值。疲劳试验采用单轴荷载对试样进行无侧限拉伸，应力形式采用半正弦波，测量试样的动态模量。疲劳破坏被定义为试样的初始动态模量下降50%，即疲劳寿命为初始模量下降50%的周期数。

耗散能法

当一种材料承受外荷载时，应力－应变曲线所围成的面积代表了施加于材料上的能量。材料在加载、卸载过程中形成的应力－应变封闭曲线称为滞变环线，其围成的面积代表了一定荷载状态下加载、卸载过程中的耗散能(ＤＥ)。对于沥青材料而言，累积耗散能不能作为一个很好地描述疲劳性能的参数。因为累积耗散能无法区分出由破坏引起的能量耗散和由材料黏弹性引起的能量耗散。因此，有研究人员提出将耗散能量比作为评价疲劳寿命的参数，将疲劳寿命定义为裂缝初始产生时荷载作用的次数。此外，定义了耗散能变化率并将其作为评价沥青材料疲劳性能的参数，Rde能够真实反映材料的疲劳破坏。该研究中利用自定义的Lab-VIEW软件计算滞变环线的面积(即耗散能)，将能量比和耗散能变化率作为描述疲劳破坏的参量，其中能量比法以能量比－周期数图的峰值为疲劳失效点；耗散能变化率法以耗散能变化率－周期数图的峰值为疲劳失效点。

激光扫描技术

激光扫描法(SLD)是一种可以探测到裂纹形成及传播过程的非接触式测量系统。SLD系统可以监测疲劳条件下混合料的表面损伤，以缺陷频率为参数表征材料的表面状况，DF与导致裂缝产生的表面变化有关。激光扫描法是在控制应力模式下拉伸试样，同时以恒定频率的激光束扫描试样表面，散射光强度在预定水平下每达到一次峰值记录一次数据，从而得到缺陷频率的数据，并将其作为材料表面光散射的指标。缺陷频率定义为每秒通过预定阈值水平的光强度波动次数，阈值水平是通过完好试样表面的散射光强度进行选择的。激光扫描法基于试样表面裂纹的形成表征疲劳特性，有研究表明：平均缺陷频率随着微裂纹的增加而增长，在DF曲线上的峰值代表试样被破坏。因此，SLD提供了一种表征疲劳损伤的方法，该方法能够预测沥青混合料的疲劳寿命。

SLD系统的主要组成部分包括一个100kN的伺服液压系统、微机控制系统、微型轮廓仪、高分辨率的称重传感器、试样夹具、激光扫描系统、自定义的Lab-VIEW软件和数据采集板。称重传感器、驱动器以及线性变差传感器的信号通过微机控制系统控制。首先，由一种低功率的氦－氖激光发出激光束，通过一系列固定镜片的反射作用射入到一个旋转的八边形镜片上；然后，激光束开始扫描试样的整个投射区域，当激光束到达试样时，在试样的光滑区域上被反射，在粗糙区域上发生散射，反射光或散射光可以通过透镜和光缆进行收集并传送到光电倍增管；最后，将光电倍增管的电输出信号经过放大处理，并将其转换成频率。

结果及分析

裂纹探测分析

激光探测裂纹的原理是当激光扫射到一个裂纹时，被散射的光量随之增加。初始阶段，在完好试样上发生散射的光量相对较少，随着损伤的累积，被散射的光量逐渐增加，从而增大了缺陷频率。当激光束扫射到主裂纹上时，标距长度范围内的缺陷频率会随着裂纹的增多而增大，直至材料被破坏。

当激光束不在主裂纹上时，缺陷频率的分布反映了3种不同的疲劳特性状态。状态I的缺陷频率是波动的，但总体是一个恒量(稳定状态)，这很明显是由沥青的黏弹性所引起；状态Ⅱ的特点是随着微裂纹的形成，缺陷频率逐渐增大(损伤累积)；状态Ⅲ的缺陷频率由于试样突然断裂而迅速增大。状态Ⅲ体现的是主裂纹不断发展导致最后瞬间断裂，在状态Ⅲ中，随着主裂纹开裂变大，散射光增加非常明显。状态II向状态Ⅲ的转变通常取决于标距长度范围内主裂纹的随机位置，对这种转变的探测不尽一致。然而，状态I向状态II的转变与扫描的位置无关，而与标距长度范围内具有代表性的微裂纹的发展有关。由于在试样的强度明显降低之前，这种转变已经发生了，因此基于这种转变的材料特性是一致的。

疲劳寿命分析

发现不同混合料疲劳寿命包线的斜率比较接近。结果表明：在所有的应力水平下，50%RAP沥青混合料都具有更大的周期数，因此50%RAP沥青混合料比普通沥青混合料表现出更好的疲劳性能。这可能是由于采用控制应力试验的原因，因为在控制应力模式下，刚度大的混合料(例如高掺量RAP混合料)表现出更好的疲劳寿命。此外，在低应力水平到中应力水平之间，50%RAP混合料的周期数比普通沥青混合料几乎大一个数量级，疲劳性能得到了明显的提高；在高应力水平下，50%RAP混合料的周期数大约是普通沥青混合料的5倍。将数据进行线性回归得出，50%RAP混合料的相关系数为099，普通沥青混合料的相关系数介于073～081之间。

SLD相关性分析

发现黏弹性的变化与缺陷频率的分布有很大的关系。结果表明：由于疲劳裂纹的形成，随着动态模量的降低，缺陷频率增大。基于缺陷频率和动态模量比较分析材料的疲劳特性，可以得出激光扫描法比传统方法较早地探测到疲劳裂纹。缺陷频率的分布与力学性能和黏弹性的变化有关。比较分析了空隙率为4%的普通沥青混合料的缺陷频率和耗散能变化率之间的关系，发现激光扫描法得到的结果与耗散能变化率法的结果有很好的相关性；缺陷频率分布的斜率变化与能量比曲线的斜率密切相关。

SLD和传统评价方法的对比

不同疲劳失效准则确定的平均周期数。可以看出：相比于普通沥青混合料，50%RAP沥青混合料的抗疲劳性能有所提高。例如，采用动态模量法，在610kPa应力加载条件下，空隙率为4%和6%的50%RAP沥青混合料的周期数分别从31　021次增加到92　089次，从12　028次增加到87　471次；同样，采用激光扫描法，在610kPa应力加载条件下，空隙率为4%的50%RAP沥青混合料的周期数从28430次增加到84　775次。这是由于存在老化的RAP结合料，RAP沥青混合料比普通沥青混合料的刚度大。同时可知，相比于普通沥青混合料，50%RAP沥青混合料的疲劳寿命对空隙率变化的敏感性较低。在610kPa应力加载条件下，当空隙率从4%增大到6%，普通沥青混合料的周期数减少了约50%。

由激光扫描法确定的疲劳失效点处于传统方法得到的疲劳寿命范围内。采用两种耗散能法确定的周期数相同，但通常都小于动态模量法确定的周期数。这可能是由于不同方法对失效的定义有所差异，动态模量法定义的失效点为应力－应变曲线上的一个点，即微观裂纹传播、合并开始形成宏观裂缝。耗散能法定义的失效点是耗散能开始迅速增加，预示着宏观裂缝开始增长。两种耗散能法得到的平均周期数与激光扫描法得到的结果相近，这可能是由于缺陷频率分布与疲劳条件下损伤累积有关。激光扫描法得到的周期数与动态模量法和耗散能法得到的周期数具有很好的相关性。

结论

(1)相比于传统方法和耗散能法，激光扫描法能够快速探测出材料的初始裂纹，并通过表面裂纹的形成表征材料的疲劳特性。

(2)激光扫描法测得材料的黏弹性和疲劳特性结果与传统方法和耗散能法得到的结果具有很好的相关性。

(3)激光扫描法是一种有效的非接触式测试疲劳特性的方法，可以快速探测出微裂纹，并且该方法能够自动进行数据采集和控制。

(4)掺50%RAP的混合料比普通沥青混合料具有相同甚至更好的疲劳性能。