沥青混合料开裂行为多尺度研究

谢青岚

重庆交通大学，重庆市南岸区，400074

0.引言

在“白改黑”路面结构中水泥板充当了半刚性基础，已存在的旧裂缝加剧了沥青路面的反射开裂现象，极大的影响了道路的使用寿命。对于沥青路面层的开裂行为的研究极为迫切。通常对开裂行为的研究分为室内实验和数值仿真两种手段，当前的研究重点在找出其混合料内在性质与开裂行为的联系。本文的主要研究内容是总结归纳国内外对于沥青路面层开裂的研究现状，并分析其使用的方法及指标，得出开裂机理以预防开裂行为。

1.沥青路面开裂行为试验研究

沥青混合料的宏观裂纹是细微结构裂纹扩展、局部损伤演化的累积效应，是力学响应的耦合作用。路面结构内部裂缝的产生可以分为萌生、发展、失稳三个阶段，把握宏观、细观、微观的结构特征对裂缝发展影响机理，实现沥青混合料开裂行为的多尺度研究。

1.1宏观尺度下的开裂研究

    基于断裂力学理论分析宏观尺度路面结构的力学响应和裂缝扩展规律。基于常规的沥青混合料试验方法开展劈裂或者小梁弯曲试验，研究可表征宏观开裂行为的特征参数。Hui Wei[1]等采用声发射仪监测小梁三点弯曲试验，发现声发射特征参数与试件裂纹扩展存在相关性，可用于试件宏观裂缝断裂预警；三维定位可以有效地跟踪试件主裂纹面的位置，反映沥青混凝土低温开裂的动态演化过程。陈正伟[2]等通过半圆弯拉（SCB）试验分析不同RAP掺量和沥青老化程度的再生沥青混合料抗裂性能，发现高RAP掺量的再生沥青混合料的抗开裂能力较差，采用柔性指数可以评价沥青混合料的抗裂性能。宋卫民[3]等基于断裂力学理论分析了不同温度和RAP掺量下再生沥青混合料的中低温抗裂性能。发现-10℃时RAP掺量为25%的沥青混合料应力强度因子()最大，但断裂能随着RAP掺量增加逐渐降低；25℃时可以用等效应力强度因子（）评价沥青混凝土的中温断裂韧性。杜健欢[4]等通过间接拉伸试验研究骨架结构的沥青混合料低温抗裂性能及裂纹扩展情况。Zhenghua Lyu[5]借助扫描电镜揭示水泥乳化沥青砂浆的开裂机理，发现在微裂纹形成和现象学的疲劳破坏两个阶段疲劳位移有一个转折点存在，可表征混合料内部损伤的加剧、宏观裂纹的形成和模量的降低。

1.2细观尺度的开裂研究

从宏观角度开展的沥青混合料开裂行为研究是有限的，与沥青混合料的工程应用效果存在差异。沥青混合料是具有各向异性的非均质材料，研究其开裂行为的机理和规律，需要探究细微结构对力学性能的影响。李晓燕[6]通过车辙试验和贯入剪切试验验证了分形维数与混合料高温性能的相关性。王文真[7]等研究了不同粒径集料的形状特征参数分布规律，分析了各形状特征参数与级配的相关性，矩形度和棱角性与集料级配之间有着较好的相关性，且矩形度可以表征混合料级配的粗细；形状指数可以评价集料合形貌特征。纪伦[8]等分析了粗集料针片状含量试件对混合料细观结构的影响。研究发现随着针片状含量增加，颗粒纵横比期望 和 线性增加，横断面粗集料颗粒面积和减小，棱角性期望增大。张磊[9]研究了级配和针片状含量对试件性能的影响，发现粗集料级配波动对高温性能影响较大；而级配整体变化也对高温复数模量有较大影响；针片状含量增加使混合料高中低温度域复数模量都出现明显下降。

2.开裂行为的多尺度模型

2.1物理模型

多尺度物理模型是探究沥青路面开裂行为的重要手段。在不同的因素作用下，基于不同尺度建立物理模型，并根据实际情况进行模型和参数修正。进而分析影响因子对沥青混合料开裂扩展的影响，发现开裂规律，实现开裂预测及裂纹防治。宏观尺度对于开裂行为的研究是唯现象学的，往往需要在宏观裂纹出现后将其与材料力学性能、内部响应特征联系。此外，沥青混合料是一种各向异性的非均质粘弹性材料。对于其宏观的研究采用力学-经验法的M-E设计法，其核心是基于力学的荷载变形模型，确定路面对荷载作用响应，其经验部分是路面寿命方程。基于疲劳断裂力学原理，根据室内试验和现场性能测试数据，建立模型预测混合料破坏程度。由于路面在荷载循环作用下，其主要破坏形式是疲劳破坏特征。可采用Paris-Erdogna方程来描述混合料裂纹的扩展行为，当然该模型是不完善的，因此Majidazdheetal提出了简化的裂纹扩展方程。

2.2数值模型           

基于宏观尺度研究裂缝扩展，通常将材料受到荷载峰值时作为破坏的起始阶段，在此之后不断破坏形成裂缝。但是基于细微观尺度研究裂缝时，裂缝是材料局部细观损伤破坏累积的作用效果。于是采用细微观尺度模型研究裂纹扩展，建立沥青混合料内在特征值与宏观力学性能之间的联系。高磊在分析沥青混合料细观结构特征时采用离散元法建立颗粒模型，采用颗粒流程序（PFC）简化离散单元，使用PFC2D/3D软件模拟Arcan断裂试验模型，分析试件开裂扩展行为。

3.结论与展望   

从多尺度对沥青混合料开裂行为开展研究，明确了路面开裂的机理，为路面病害养护提供理论依据，为实际工程治理反射裂缝提供新思路，将宏观细观特征作为路面健康监测的指标，在未来的沥青路面材料选择、结构组合设计提供参考。

参考文献

 [1]Wei H, Hu B, Wang F, et al. Temporal-spatial evolution characteristics of acoustic emission in asphalt concrete cracking process under low temperature[J]. Construction & building materials, 2020,248(C):118632.

[2]陈正伟, 朱月风, 张洪亮, 等. 基于断裂试验的再生沥青混合料中温抗裂性能[J]. 合肥工业大学学报(自然科学版), 2017,40(09):1260-1263.

[3]宋卫民, 徐子浩, 吴昊, 等. 一种沥青混凝土中低温断裂性能统一评价方法[J]. 中南大学学报(自然科学版), 2021,52(07):2386-2393.

[4]杜健欢, 任东亚, 艾长发, 等. 沥青混合料低温裂纹扩展演化行为分析[J]. 建筑材料学报, 2022,25(03):300-306.

[5]Lyu Z, Shen A, Qin X, et al. Grey target optimization and the mechanism of cold recycled asphalt mixture with comprehensive performance[J]. Construction and Building Materials, 2019,198:269-277.

[6]李晓燕, 卜胤, 汪海年, 等. 粗集料形态特征的定量评价指标研究[J]. 建筑材料学报, 2015,18(03):524-530.

[7]王文真, 申爱琴, 郭寅川, 等. 基于图像分析的粗集料形状特征参数及分布规律[J]. 公路交通科技, 2020,37(01):25-31.

[8]纪伦, 刘海权, 张磊, 等. 粗集料针片状含量对沥青混合料结构影响[J]. 哈尔滨工业大学学报, 2018,50(09):40-46.

[9]张磊. 粗集料级配及形貌对沥青混合料结构和性能的影响研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2017.