田小革, 黃雪梅, 李光耀, 竇文利, 昶慧芹, 李慧珍, 郭常輝, 羅楚鈺

(1. 長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院, 長沙 410114; 2. 河北省高速公路京雄籌建處, 保定 071700; 3. 承德市交通局交通規(guī)劃設(shè)計院, 承德 067000; 4. 河北高速公路集團有限公司, 石家莊 050031; 5. 長沙理工大學(xué)國際工學(xué)院, 長沙 410114)

半剛性基層瀝青路面是中國主要應(yīng)用的路面結(jié)構(gòu)形式,符合“交通強國”和“一帶一路”發(fā)展戰(zhàn)略。半剛性基層出現(xiàn)開裂之后,在行車荷載和自然環(huán)境的耦合作用下,裂縫逐步向面層擴展,形成反射裂縫[1-2]。反射裂縫是一種常見的道路病害,受交通荷載、時間、材料服役性能、外界環(huán)境等因素影響。探究瀝青混合料的反射裂縫擴展行為,對于完善瀝青路面設(shè)計及其耐久性評價具有重要意義。

目前針對瀝青混合料反射裂縫的研究,中外學(xué)者已從靜力學(xué)分析法、有限元分析法、斷裂力學(xué)分析法以及模型試驗等方面展開[3]。周水文等[4]基于(overlay tester,OT)試驗,研究了級配類型、溫度、試件厚度等因素對瀝青混合料加鋪層抗反射裂縫能力的影響,結(jié)果表明溫度對其影響程度最為顯著。翟瑞鑫等[5]對3種常用的大粒徑透水瀝青混合料抗反射開裂性能進行研究,發(fā)現(xiàn)采用荷載周期數(shù)、最大荷載損失率這兩種指標(biāo)能更加精確地反映瀝青混合料的抗裂性。顏可珍等[6]發(fā)現(xiàn)改性瀝青應(yīng)力吸收層經(jīng)過水侵蝕和長期老化后,其抗反射裂縫性能大大降低。劉燕燕等[7]通過三點彎曲小梁試驗對比分析了5種不同類型路面應(yīng)力吸收層混合料的抗裂性能,結(jié)果發(fā)現(xiàn)纖維橡膠瀝青碎石封層的復(fù)合斷裂能最大,抗裂性能最好。Olumide等[8]通過漢堡車轍試驗研究了不同溫度下(10、20、30 ℃)橡膠瀝青應(yīng)力吸收層的抗裂性能,研究發(fā)現(xiàn)溫度對抗裂性能影響顯著,橡膠瀝青應(yīng)力吸收層在10 ℃時的抗裂性最差。夏蕊芳[9]基于有限元分析法研究了溫度梯度和交通荷載對半剛性基層瀝青路面反射裂縫的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn)低溫收縮應(yīng)力可以抵消一部分由于交通偏載造成的剪切型應(yīng)力強度因子。方俊[10]利用擴展有限元法建立了半剛性基層瀝青路面反射裂縫的三維擴展有限元模型,研究了動載和溫度兩者作用下的反射裂縫擴展情況。由此可見,以往的研究主要集中于利用宏觀試驗或者有限元分析結(jié)果評價瀝青混合料的抗反射裂縫能力,而瀝青混合料是一種多相復(fù)合材料,僅從宏觀角度并不能對其裂紋擴展行為進行全面了解,亟須結(jié)合細觀手段深入分析。

數(shù)字圖像相關(guān)(digital image correlation,DIC)技術(shù)因其具有精度高、非接觸、全場測量等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于瀝青混合料的變形測量[11]。Li等[12]將半圓彎拉試驗與DIC技術(shù)相結(jié)合研究瀝青混合料的開裂行為,發(fā)現(xiàn)荷載作用下瀝青與粗骨料結(jié)合界面區(qū)最容易發(fā)生開裂。王嵐等[13]通過DIC技術(shù)觀測荷載作用下改性瀝青混合料半圓試件表面的位移場變化,結(jié)果發(fā)現(xiàn)基于DIC技術(shù)評價瀝青混合料的抗裂性能是可行的。郭慶林等[14]基于DIC技術(shù)探究不同纖維對瀝青混凝土斷裂特征的影響,對試件的全場位移與應(yīng)變進行實時測量。李佳[15]基于DIC技術(shù)測試結(jié)果,對瀝青混合料疲勞開裂拉應(yīng)變的變化速率進行擬合,提出采用拉應(yīng)變變化率可大致判斷瀝青混合料疲勞裂縫穩(wěn)定擴展階段的臨界點。于海利等[16]通過數(shù)字圖像處理技術(shù)對不同衰減階段粗集料傾角進行分析,能夠揭示粗集料空間分布狀態(tài)對抗滑性能的影響,表明DIC技術(shù)能夠分析集料間接觸,也能描繪出裂縫的發(fā)展。洪哲等[17]應(yīng)用DIC技術(shù)精確捕捉瀝青混合料裂縫尖端的斷裂過程,提出了將開口位移矩陣作為開裂特征量化指標(biāo),用以評價瀝青混凝土斷裂過程中裂縫尖端復(fù)雜的斷裂特性。

綜上,半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)的抗反射裂縫能力評價方法已基本明確,但瀝青混合料在荷載作用下的反射裂縫擴展行為尚不清楚。因此,現(xiàn)通過室內(nèi)試驗方式,利用MTS萬能試驗機對復(fù)合梁試件進行彎拉型和復(fù)合型反射裂縫模型加載,并結(jié)合DIC技術(shù)實時監(jiān)測瀝青混合料裂紋萌生及擴展的全過程,從裂紋寬度、裂紋擴展路徑、裂紋擴展高度及疲勞反射裂紋擴展速率深入分析其擴展行為。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

1.1.1 瀝青混合料

所選用的瀝青為東莞泰和瀝青有限公司生產(chǎn)的70#A級道路石油瀝青,基本性能指標(biāo)如表1所示。

表1 瀝青基本物理指標(biāo)Table 1 Basic physical indexes of asphalt

瀝青混合料類型為密級配AC-25C,其中,粗細集料均為石灰?guī)r石料,礦粉選用干燥、潔凈的石灰?guī)r磨細的礦粉,油石比采用3.6%,瀝青混合料級配組成如圖1所示。

圖1 AC-25C級配曲線Fig.1 AC-25C grading curve

1.1.2 水泥穩(wěn)定碎石混合料

水泥品種和性能直接影響水泥穩(wěn)定碎石混合料的強度、抗裂性和抗收縮性等。水泥采用P.C42.5復(fù)合硅酸鹽水泥,按照技術(shù)規(guī)范進行相關(guān)檢測,結(jié)果如表2所示。

表2 水泥基本物理指標(biāo)Table 2 Basic physical indexes of cement

水泥穩(wěn)定碎石混合料中水泥劑量為5%,含水率為5.2%,其級配組成曲線如圖2所示。

圖2 水泥穩(wěn)定碎石混合料級配曲線Fig.2 Gradation curve of cement stabilized macadam mixture

1.1.3 乳化瀝青

為模擬反射裂縫的產(chǎn)生和擴展過程試驗,成型水泥穩(wěn)定碎石混合料-瀝青混合料復(fù)合梁試件,層間需涂刷乳化瀝青透層油,采用噴灑型中裂陽離子瀝青,經(jīng)檢驗符合規(guī)范要求。

1.2 試件制備

根據(jù)已有文獻[18-19]的相關(guān)成果,采用如圖3所示的兩種試驗?zāi)Ｐ蛠砟M彎拉型與復(fù)合型(彎拉型和剪切型同時包括)荷載作用下反射裂縫的產(chǎn)生和擴展過程。

圖3 反射裂縫試驗?zāi)Ｐ虵ig.3 Reflection crack test model

如圖3所示,彎拉型和復(fù)合型試驗?zāi)Ｐ褪峭ㄟ^改變鋼塊作用位置實現(xiàn)的,在荷載下方墊一塊長6 cm × 寬 2 cm的鋼塊實現(xiàn)條形荷載施加,彎拉型試驗?zāi)Ｐ弯搲K位置在預(yù)制裂縫正上方,復(fù)合型試驗?zāi)Ｐ弯搲K位置偏離預(yù)制裂縫一定的距離。

試件為長200 mm × 寬60 mm × 高100 mm的小梁試件,分為上下兩層,下層為水泥穩(wěn)定碎石混合料層,厚度為50 mm,中間鋸有一條寬為3 mm貫穿水泥穩(wěn)定碎石混合料層的預(yù)制裂縫,上層為瀝青混合料層,厚度為50 mm。為了模擬土基作用,試件下方放置2 cm厚的橡膠墊塊。

按照成型順序,首先進行水泥穩(wěn)定碎石混合料的配制,稱取相應(yīng)質(zhì)量的混合料將其裝入長300 mm × 寬300 mm × 高50 mm的車轍板試模中,采用輪碾成型的方式成型,如圖4(a)所示。放置24 h后,進行脫模,然后將其放在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)生室養(yǎng)生28 d,養(yǎng)生結(jié)束后的試件如圖4(b)所示。然后將其放入10 cm高的車轍板試模中,按照規(guī)范要求進行乳化瀝青透層油的涂刷,如圖4(c)所示。將拌和好的瀝青混合料按照相應(yīng)質(zhì)量添進試模中,啟動車轍成型儀,成型水泥穩(wěn)定碎石混合料-瀝青混合料復(fù)合板試件如圖4(d)所示。最后將成型的復(fù)合板切割成長200 mm×寬60 mm×高100 mm的小梁,并且在水泥穩(wěn)定碎石混合料層預(yù)制一條寬3 mm的預(yù)制切縫,如圖4(e)所示。

圖4 試件制備過程Fig.4 Specimen preparation process

為提高DIC觀測瀝青混合料反射裂紋擴展時的精度,需要對圖4(e)試件進行人工散斑處理。具體做法是:先將瀝青混合料層表面用啞光白漆噴白,待完全干燥后,再用散斑制作工具對試件待測區(qū)域進行覆蓋,使其形成高對比度、斑點大小一致的散斑。

1.3 MTS試驗

采用美國MTS(Material Test System)公司生產(chǎn)的MTS-810材料試驗系統(tǒng)進行破壞荷載試驗(復(fù)合型破壞和彎拉型破壞)以及反射裂縫疲勞試驗(彎拉型疲勞和復(fù)合型疲勞)。破壞荷載試驗采用位移控制,加載點的位移速率為2 mm/min,采樣頻率為100 Hz,試驗溫度為15 ℃,試驗數(shù)據(jù)由MTS試驗系統(tǒng)自動采集。

反射裂縫疲勞擴展試驗采用應(yīng)力控制模式,加載波形為正弦波,加載頻率為10 Hz,采樣頻率1 000 Hz。分別采用3種應(yīng)力比(0.4、0.5、0.6),谷值荷載與峰值荷載比值Smin/Smax= 0.1,試驗溫度15 ℃。

1.4 DIC試驗

DIC是一種非接觸測量技術(shù),它獨立于被測材料或試樣尺寸,通過匹配物體表面變形前的散斑圖像(稱為參考圖像)和變形后的散斑圖像(稱為變形圖像)來跟蹤試件表面各散斑點的運動,從而獲得試件不同階段的變形[20-21]。為了評價DIC處理過程中物體變形前樣本子區(qū)與變形后目標(biāo)子區(qū)的匹配程度,采用相關(guān)系數(shù)計算公式作為評判標(biāo)準(zhǔn),公式為

(1)

式(1)中:f(x,y)與g(x*,y*)分別為變形前圖像與變形后圖像的灰度分布函數(shù)。由式(1)計算所得的C越趨向于1,說明樣本子區(qū)與目標(biāo)子區(qū)匹配程度越高。

如圖5所示,將制斑后的水泥穩(wěn)定碎石混合料-瀝青混合料復(fù)合梁試件置于加載設(shè)備上,底下放置2 cm厚的橡膠墊塊。試驗開始時,為了使MTS系統(tǒng)和圖像采集VIC-3D系統(tǒng)做到數(shù)據(jù)同步采集,需要同時開啟兩數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通道。應(yīng)用VIC-3D采集系統(tǒng)對試件進行觀測時,相機采樣頻率為2 s/張。

圖5 DIC圖像采集示意圖Fig.5 DIC image acquisition schematic diagram

2 裂縫擴展測定方法

2.1 裂縫寬度的確定

將VIC-3D拍攝的圖像導(dǎo)入到DIC軟件中進行處理,劃定整個瀝青混合料散斑覆蓋區(qū)域為分析區(qū)域。裂縫產(chǎn)生后,裂縫兩側(cè)附近的區(qū)域會發(fā)生相對移動,造成裂縫兩側(cè)附近區(qū)域位移的不一致,即位移值在裂縫張開方向?qū)l(fā)生跳躍。在預(yù)制裂縫口,沿水平方向做一階段線,提取階段線上各點的位移值,得到點坐標(biāo)-相對位移曲線,如圖6所示?？芍鄬ξ灰魄€在R點和Q點會發(fā)生跳躍,即在荷載作用下產(chǎn)生相對“背離”,造成附近區(qū)域位移的不一致。裂縫兩側(cè)的相對位移差值,即跳躍點R和Q的相對位移差值就是裂縫寬度[22-23]。

圖6 裂縫寬度測定方法示意圖Fig.6 Schematic diagram of measurement method of crack width

2.2 裂縫擴展路徑的確定

裂縫擴展路徑的確定方法是在確定裂縫寬度原理的基礎(chǔ)上進行的,在某一荷載水平時,從預(yù)制裂縫尖端處開始每隔一定的距離沿著裂縫擴展方向劃階段線,每條階段線跨越裂縫兩側(cè),如圖7所示。在該荷載水平下產(chǎn)生裂縫時,跳躍點R和Q之間的數(shù)據(jù)會缺失,此時以R和Q點的相對坐標(biāo)就可以確定左右裂縫面的位置。因此通過一系列沿裂縫擴展方向的階段線就可以得到每一條階段線的R點和Q點,即可繪制出裂縫擴展路徑。

圖7 裂縫擴展路徑測定方法示意圖Fig.7 Schematic diagram of measurement method of crack propagation path

2.3 裂縫擴展高度的確定

裂縫擴展高度指的是裂縫擴展尖端至預(yù)制裂縫底端的垂直距離,因此要測量裂縫高度就需要確定裂縫擴展尖端位置。ViC-3D可以觀測全場應(yīng)變,確定裂縫尖端位置可以從應(yīng)變角度入手,當(dāng)裂縫尖端處的應(yīng)變達到起裂應(yīng)變時就認為裂縫尖端開始開裂,即為裂縫尖端所在位置[22-23]。起裂應(yīng)變的確定方法為在預(yù)制裂縫尖端畫一條階段線,得到各時刻階段線上計算點位的應(yīng)變情況,如圖8所示,其中每條曲線對應(yīng)不同時刻,表示了階段線上計算點位的應(yīng)變值。可知預(yù)制裂縫尖端附近不同時刻階段線的水平應(yīng)變曲線都類似拋物線,拋物線頂端正是應(yīng)力最集中區(qū)域,對應(yīng)了裂縫尖端。隨著時間推移,荷載增大,裂縫尖端應(yīng)力越來越集中,表現(xiàn)為水平應(yīng)變Exx增大,某一時刻拋物線頂端出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失,說明此時裂縫尖端發(fā)生開裂,與此時刻對應(yīng)的拋物線頂端水平應(yīng)變Exx就是起裂應(yīng)變。

圖8 預(yù)制裂縫尖端處各時刻應(yīng)變曲線Fig.8 Strain curve at each time of prefabricated crack tip

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 破壞荷載試驗結(jié)果分析

3.1.1 彎拉型破壞模式DIC觀測

將彎拉型模型試驗所得AC-25C復(fù)合小梁試件的時間-荷載變化曲線繪制如圖9所示。取6個不同加載時刻來分析預(yù)制裂縫尖端裂縫擴展情況,按照裂縫擴展測定方法,得到某一時刻裂縫擴展方上全部階段線的跳躍點R和Q,試件在P1(20%Pmax)、P2(40%Pmax)、P3(80%Pmax)、P4(90%Pmax)、P5(Pmax)、P6(90%Pmax)荷載時刻的預(yù)制裂縫尖端階段線上R和Q計算點的相對位移變化如表3所示。其中,Pmax代表試件破壞最大荷載10.796 kN。

圖9 彎拉型破壞模式時間-荷載變化曲線Fig.9 Time-load curve of bending-tensile failure mode

表3 不同荷載階段下的裂紋寬度Table 3 Crack width at different loading stages

由表3可以看出,荷載水平在P1時,R和Q兩點雖然發(fā)生跳躍,但是位移差值比較小,說明此時處于微裂紋發(fā)展階段。荷載水平達到P2時,裂紋寬度繼續(xù)增加。P1、P2時刻為荷載施加初期,主要是預(yù)制裂縫尖端應(yīng)力集中和微裂紋的萌生。當(dāng)達到P3時,裂縫寬度已經(jīng)是肉眼可見狀態(tài),由微裂紋向宏觀裂縫轉(zhuǎn)變。荷載水平從P4增長至P6,預(yù)制裂縫尖端宏觀裂縫寬度急劇增大,屬于快速發(fā)展階段。取P4至P6荷載水平,利用裂縫擴展測定方法畫出裂紋擴展路徑,如圖10所示。

圖10 彎拉型裂紋擴展路徑Fig.10 Bending-tensile crack propagation path

由圖10可以看出,AC-25C瀝青混合料復(fù)合小梁試件的彎拉型破壞模式裂縫擴展是沿預(yù)制裂縫尖端位置垂直向上,產(chǎn)生一條豎向斷裂面。由DIC裂縫擴展測定方法繪制的裂紋擴展路徑與實際試件擴展趨勢基本一致,進一步說明采用裂縫擴展測定方法較為準(zhǔn)確。在P4、P5、P6這3個荷載水平下,裂縫從預(yù)制裂縫尖端分別向上擴展高度分別為15.22、 27.1、 27.5 mm,由P4至P5裂縫高度增加了78.05%,說明P4至P5荷載時刻,裂縫高度由短變長,裂縫在高度和寬度兩個維度呈現(xiàn)快速擴展階段;由P5至P6,荷載從峰值開始減小,此時裂縫高度基本沒有增加,預(yù)制裂縫尖端處開口寬度增加了45.3%,說明在此階段裂縫高度基本不會再增加,主要表現(xiàn)為寬度的增加,裂縫由“細長”向“粗”轉(zhuǎn)變。

3.1.2 復(fù)合型破壞模式DIC觀測

將復(fù)合型模型試驗所得AC-25C瀝青混合料復(fù)合小梁試件時間-荷載曲線繪制如圖11所示,取6個不同加載時刻來描述裂紋擴展過程,分別為P1(P=66.03%Pmax)、P2(P=72.5%Pmax)、P3(P=79.3%Pmax)、P4(P=82.1%Pmax)、P5(P=90%Pmax)、P6(P=Pmax)。圖12為基于DIC方法測得各時刻對應(yīng)荷載水平下的反射裂縫擴展情況。

圖11 復(fù)合型破壞模式時間-荷載變化曲線Fig.11 Time-load curve of composite failure mode

如圖11所示,復(fù)合型模式下AC-25C瀝青混合料最大破壞荷載為11.458 kN,與彎拉型破壞最大荷載相比增大了0.662 kN,說明復(fù)合型模式所需破壞荷載更大。

如圖12所示,復(fù)合型破壞模式下其裂縫擴展往往是曲折向上的,擴展路徑比較長,產(chǎn)生2條裂縫的概率比較大,裂縫產(chǎn)生破壞的區(qū)域也比彎拉型大。P1時刻裂紋還處在萌生階段,屬于微觀裂紋萌生階段;P2時刻已經(jīng)由微裂紋轉(zhuǎn)化為宏觀裂縫擴展,主裂縫擴展高度為16.80 mm,此時在主裂縫左側(cè)也發(fā)生了應(yīng)力集中,出現(xiàn)藍色次裂縫擴展區(qū)域。

當(dāng)達到P3時刻時,宏觀裂縫此時已經(jīng)非常明顯,完全是肉眼可見狀態(tài),主裂縫左側(cè)的次裂縫擴展區(qū)域(紅色虛線標(biāo)出)進一步產(chǎn)生應(yīng)力集中。和主裂縫從預(yù)制裂縫尖端開裂并向上擴展不同的是,次裂縫先從距離預(yù)制裂縫一定距離的上方產(chǎn)生應(yīng)力集中并開裂,此時主裂縫擴展高度為26.71 mm,次裂縫尖端擴展高度為20.68 mm。P4時刻除了次裂縫尖端應(yīng)力集中外,次裂縫擴展區(qū)域的中部和端部也進一步應(yīng)力集中并開裂,此時主裂縫擴展高度為27.01 mm,次裂縫擴展高度為20.76 mm,次裂縫尖端高度幾乎沒有增加,但是發(fā)生了次裂縫從上而下擴展的情況,可以推斷從P3到P4時刻,次裂縫直上而下擴展是承擔(dān)荷載作用的“主力”。

P5時刻時,次裂縫已經(jīng)擴展到預(yù)制裂縫尖端處,此時主次裂縫尖端擴展長度分別為27.76 mm和26.8 mm,主裂縫長度僅僅增加0.75 mm,次裂縫尖端長度增加6.04 mm,說明從P4到P5時刻還是以次裂縫擴展為主。P6時刻的主裂縫已經(jīng)貫穿試件,主裂縫寬度從端部到尖端逐漸減小,而次裂縫寬度卻是尖端和端部小,中間大,這主要是由于次裂縫開裂后會向下擴展,直至擴展至預(yù)制裂縫尖端處,與此同時次裂紋尖端也向上緩慢擴展。

3.2 疲勞反射裂紋試驗結(jié)果分析

3.2.1 裂紋尖端擴展高度

為研究密級配AC-25C瀝青混合料疲勞反射裂紋擴展行為,對其疲勞試驗也分為兩種加載模式,即彎拉型與復(fù)合型,采取3個應(yīng)力水平(0.4、0.5、0.6)。圖13為不同應(yīng)力水平下的瀝青混合料疲勞壽命與裂紋尖端擴展高度之間的關(guān)系。

圖13 裂紋尖端高度與疲勞壽命相關(guān)關(guān)系Fig.13 Correlation between crack tip height and fatigue life

如圖13所示,應(yīng)力比越大,瀝青混合料的疲勞壽命次數(shù)越少。不同應(yīng)力比下的裂紋尖端高度與疲勞壽命曲線是由各分段曲線組成的,每條分段曲線間存在梯度,會發(fā)生突變,此時的物理含義是裂縫在某時刻突然大幅度擴展,表現(xiàn)為裂縫高度出現(xiàn)“跳躍”?；贒IC觀測技術(shù)可以捕捉到裂縫高度突然大幅增加前后的圖像,以彎拉型加載應(yīng)力比為0.6的復(fù)合小梁為例,如圖14所示。

圖14 不同循環(huán)次數(shù)下的應(yīng)變云圖Fig.14 Strain cloud map at different cycles

圖14中的小于起裂應(yīng)變的區(qū)域會一直顯示為紫色,充當(dāng)背景板的作用,以最外圍起裂應(yīng)變等值線為分界線,等值線范圍之內(nèi)的應(yīng)變值大于起裂應(yīng)變,通過起裂應(yīng)變等值線使裂縫的擴展路徑顯現(xiàn)出來,等值線最上端區(qū)域為裂縫尖端區(qū)域?？梢钥闯?彎拉型加載2 300次后試件在預(yù)制裂縫尖端發(fā)生初始開裂,4 420次時裂縫尖端區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中,加載7 120次時除主裂縫之外左上角還有一段細小的次裂縫,次裂縫此時已是宏觀可見狀態(tài),以次裂縫為核心,起裂應(yīng)變等值線為分界,形成了一個次裂縫擴展區(qū)域。循環(huán)加載7 220次后可以發(fā)現(xiàn)之前的次裂縫已經(jīng)和主裂縫相連接,造成主裂縫長度突然大幅增加。此外,可以發(fā)現(xiàn),由于瀝青混合料內(nèi)部骨料的存在,裂縫不是完全垂直地往上增長,但總體還是沿垂直方向擴展。

3.2.2 疲勞損傷因子分析

基于DIC方法獲取瀝青混合料的水平應(yīng)變場與應(yīng)變局部集中化特征,以彎拉型加載應(yīng)力比為0.6的復(fù)合小梁為例,選擇應(yīng)變波動量作為損傷因子,定量分析試件在循環(huán)荷載作用下的損傷情況。損傷因子公式如下。

(2)

(3)

如圖15所示,伴隨著荷載作用次數(shù)增加,損傷效應(yīng)逐漸增大,導(dǎo)致?lián)p傷因子不斷增大,裂縫也在不斷擴展。循環(huán)加載次數(shù)0～2 300次為損傷發(fā)展階段,此時微裂縫萌生,處于損傷發(fā)展階段,該階段損傷因子平穩(wěn)增長。當(dāng)循環(huán)加載4 420次后,主裂縫已經(jīng)達到肉眼可見狀態(tài),損傷因子的斜率增大,裂縫在高度和寬度進入穩(wěn)定擴展階段。循環(huán)加載6 320次后,次裂縫達到肉眼可見狀態(tài),損傷因子陡增,此時瀝青混合料的材料性能開始劣化,進入斷裂失穩(wěn)階段。當(dāng)施加荷載7 120次,形成次裂縫擴展區(qū)域,次裂縫進入快速發(fā)展階段。再次加載100次后,此時主次裂縫相接,裂縫長度持續(xù)增長,主次裂縫相連形成新的主裂縫,直至裂縫貫穿試件。

3.2.3 裂紋擴展量

裂紋擴展量是指在同一條裂紋當(dāng)中,裂紋垂直方向擴展的距離,包含主裂紋與次裂紋擴展量的疊加。AC-25C瀝青混合料在不同應(yīng)力比下的裂紋擴展量與疲勞壽命的關(guān)系如圖16所示,可以看出:裂紋擴展量隨疲勞壽命次數(shù)的增加而逐漸增大,應(yīng)力比越大,曲線斜率越大。

圖16 裂紋擴展量與疲勞壽命關(guān)系曲線Fig.16 Relation curve between crack growth and fatigue life

根據(jù)文獻[24],采用logistic函數(shù)形式來擬合裂縫擴展量曲線,該函數(shù)表達式為

y=A2+(A1-A2)/[1+(x/x0)p]

(4)

式(4)中:y為裂縫擴展量;x為疲勞壽命次數(shù);A1、A2、x0、p為擬合參數(shù)。

采用此函數(shù)對AC-25C瀝青混合料的裂紋擴展量與疲勞壽命關(guān)系曲線進行擬合,結(jié)果如表4所示?？芍?相關(guān)系數(shù)R2均在0.95以上,表明采用logistic函數(shù)進行擬合是可靠的。

表4 裂紋擴展量擬合結(jié)果Table 4 Results of crack propagation fitting

為了明確復(fù)合梁在疲勞加載破壞時主裂縫與從上方起裂自上而下擴展的次裂縫占比例情況,利用DIC監(jiān)測了裂縫擴展全過程,統(tǒng)計了兩種裂縫占比情況[25]。次裂縫擴展量計算方法為主次裂縫相連生成的新主裂縫長度減去接近主次裂縫相遇時對應(yīng)的舊主裂縫長度。表5為AC-25C瀝青混合料復(fù)合小梁疲勞破壞時的主次裂縫比例。

表5 復(fù)合小梁疲勞破壞主次裂縫比例Table 5 Proportion of primary and secondary cracks in composite trabecular fatigue failure

如表5所示,AC-25C瀝青混合料的主次裂縫比例在彎拉型模式下隨應(yīng)力比變化更敏感,彎拉型疲勞加載模式下主次裂縫比隨應(yīng)力比減小而增大,表明次裂縫擴展量占比減少,由于次裂縫擴展速率比主裂縫擴展速率大很多,這個變化是向有利于減緩總體裂縫擴展速率提高疲勞壽命的。

4 結(jié)論

(1)基于彎拉型破壞模式DIC觀測結(jié)果,瀝青混合料反射裂紋擴展行為經(jīng)歷4個階段,分別為:微裂紋萌生、微裂紋發(fā)展階段、微裂紋向宏觀裂縫轉(zhuǎn)變、宏觀裂縫快速發(fā)展階段。瀝青混合料反射裂紋擴展沿預(yù)制裂縫尖端位置垂直向上。

(2)基于復(fù)合型破壞模式DIC觀測結(jié)果,復(fù)合型反射裂縫擴展除了產(chǎn)生主裂縫還會發(fā)生次裂縫擴展,次裂縫從尖端開裂后會自上而下擴展,此時次裂縫擴展是承擔(dān)荷載作用的“主力”。

(3)從瀝青混合料疲勞反射裂紋試驗結(jié)果來看,裂縫擴展量-疲勞壽命關(guān)系曲線接近“S”形曲線,用logistic函數(shù)擬合發(fā)現(xiàn)相關(guān)性良好。AC-25C型瀝青混合料疲勞加載模式下主次裂縫比隨應(yīng)力比減小而增大,表明次裂縫擴展量占比減少,由于次裂縫擴展速率比主裂縫擴展速率大很多,這個變化有利于提高疲勞壽命。