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国际期刊路面工程

第一篇文章，2011年，1-10

采用小梁三点弯曲试验对沥青混合料开裂行为描述

Bjorn Birgisson ，Antonio Montepara ，Elena Romeo， Gabriele Tebaldi

摘要

使用三点弯曲梁（3PB）测试进行了热拌沥青（HMA）开裂行为研究与表征。基本沥青混合料断裂性能，抗拉强度和断裂能密度，被用于六种不同的沥青混合料（两种天然和四个SBS聚合物改性的）施加沥青混合料断裂力学框架来确定。为了更好地了解并观察到3PB标本的裂纹的产生和传播机制。由此产生的断裂行为是使用位移不连续边界元法六项沥青混合料显微结构模型，从内部开发的数字基于图像相关方法得到全场应变地图。并预测其断裂性能。这两个数值模拟和实验结果表明，当使用合适的解释模型，沥青混合料断裂机理可以从3PB的测试结果进行适当说明。

关键词：热拌沥青;断裂力学; SBS聚合物改性;三点弯曲试验;数字图像相关;位移不连续法

1简介

需要改进的模型和设计方法对沥青路面模型驱动的努力，更好地理解裂缝在沥青混合料中的物理现象。在沥青开裂的机理的改进理解的好处。包括提高分析和设计的配方和改进的框架。在材料设计阶段优化沥青混合料的抗断裂性。一般来说，裂纹模型描述裂纹成核。启动和传播使用基本的材料属性。沥青混合料属于一个类别的混凝土材料，其断裂激励一般认为是一个复杂现象，发生在一个区域的裂纹尖端。该区域通常是“断裂过程区”（FPZ）。(例如 Bazant 1986, Hu and Wittmann 1992, Little 1997, Carpinteri 2003, Li and Marasteanu 2007, Wagoner 和Buttlar 2007).

负载致开裂的临界位置通常被认为是在柏油混合物层，由于反复的拉伸应力故裂缝被假定为发起与底部和并于此传播的。基本的材料特性是至关重要的，以确定引起路面响应是否是足够导致故障的临界下的一个或多个负载的应用程序。几种测试模式一般可以用来获得这些属性，但如果该属性是不是根本，那么不同的测试模式，可能会产生不同的结果。当相应的测试程序，测量系统和分析方法被使用（Birgisson 2007），沥青混合料的基本性能可以从多个测试配置时获得。传统的断裂力学方法指出几个沥青混合物开裂机理的描述缺点的。从几个研究工作(皱摺,Cebon 1995罗克 1999年,迈尔斯 2001年),发现应力强度因子和巴黎法的参数依赖于测试条件。粘弹性和连续损伤的方法（Kim等人1990年，Kim和1997年埃尔·侯赛因，Lee和1998年金正日）通过分析现实负载条件下，并在沥青路面修复下开裂行为提供一个更基本的考虑。 Kim等人 （1997）开发了一种单轴的粘弹性连续损伤模型的基础上，工作潜力理论来解释下加载损伤演化并在微损伤愈合运用弹性黏弹性对应原理分离出粘弹性的影响，然后采用内部状态变量休息时间（MUN 2005）。然而，这种方法不妥善解决裂纹扩展的机制，因为假定损害不断成长，假定故障在伪刚度降低50％一致。

最近Zhang（2001）和罗克 （2002）等开发了一种粘弹型力学断裂法。其中引入一个基本应变能量阈值，作为关键元件的存在的概念。定义沥青混合料的抗断裂性，名为热拌沥青（HMA）断裂力学。根据这条定律,如果能量阈值不超过,完全可治好的微裂缝的形成与观察到裂纹萌生;然而,当超过阈值时,non-healable宏观裂缝发生和材料失败。他们还注意到,在沥青混合料中,裂纹生长在一个逐步而不是一个连续的方式。

本文研究使用三点弯曲梁（3PB）测试在HMA断裂力学方法的基础上，第一次断裂，确定基本的混合物断裂性能的可能性。选择的3PB试验，因为它是用于测定裂纹参数的容易和流行的测试。事实上，它已被广泛用于在砂浆和混凝土试确定断裂能量（FE），以及在沥青混合标本。由于传统上检体的机械应变的测量技术（例如，应变计和线性可变差动变压器（LVDT的））已证实是不能够精确地捕获局部或不均匀的应变分布（Birgisson等人2009年。），增强的版本数字图像相关（DIC）系统。最近帕尔马大学开发（Roncella等。2005年，Birgisson等，2009）被用来获取二维加载过程中全程应变的标本地图。 DIC的系统提供了一个空间应变场以上的对试样感兴趣的区域，从而允许裂纹萌生的位置的准确确定，并且也为应变值中的裂纹萌生的瞬间的计算。

在两个未改性的SBS聚合物与改性的HMA混合物无缺口试样上使用3PB检验。明确地模拟沥青混合料的微观结构并预测其断裂性能;在3PB产生的破坏行为是使用拥有镶嵌位移不连续边界元法（Birgisson等人2002年，2006年内皮尔1990）预测。该混合物的微机械结构近似与的Voronoi镶嵌，这已被证实在柏油混合物中的粒状材料的团粒结构是具代表性的。该混合物的材料特性是从高性能沥青路面的IDT的试验结果得到的，并分别直接应用于作为输入在3PB测试的仿真参数。

当使用适当模型捕获和描述沥青混合物的断裂行为。该3PB测试结果可以成功地用于此结论。

2 断裂能

断裂能是用于描述和建模粘性材料的断裂行为的最重要的参数之一。它一般被定义为能量的创建裂纹的单位面积所需的时间。根据线弹性断裂力学（LEFM）理论，能量耗散只发生在裂纹尖端;因而，FE直接关系到由材料中的干净的切割以创建一个新表面所需的分离能量（格里菲斯1920）。然而，线弹性断裂力学的假设导致了在裂纹尖端和以无界应力场奇点。在实际的材料，应力不能变得任意大，并且裂纹尖端总是由在该材料响应不是弹性的处理区所包围。该3PB测试已经被广泛用于确定在砂浆和混凝土试样的断裂能。如图1所示，断裂能（）被定义为每一个表示理想化（平滑）裂纹轨迹（RILEM 1985）在断裂面（）的单位面积的总能量消耗（）。
（1）

其中，是FPS的上平行于主裂缝方向的平面上的投影。

图1.根据RILEM FE定义（1985）

图2.测定沥青混合料的能量阈值的。

此定义的问题是，它没有指定目标的材料特性，这将是独立的测试试样的尺寸和形状。事实上，GF的测定值，在一般情况下，增加与增加试样尺寸（Hillerborg1985年，威猛1986斯沃茨和Refai1987年，三桥等，1989，Xu和赵1991）。即使只考虑模式-Ⅰ断裂（仅正常裂缝开口，没有相对滑动裂纹面的），对不同的试样的测量导致对相同的材料不同的结果。还对于固定试样的几何形状和负载的类型，FE以这种方式定义取决于样品大小（威猛等，1990，Elices等，1992，Carpinteri和1994铁Abdalla的和Karihaloo2003），因此，它应该是只考虑一个名义FE。

在最近的过去，这个过程也被用于沥青混凝土断裂分析。侯赛因等人（1999年）进行的一项实验研究调查。使用3PB试验沥青橡胶混凝土混合物的断裂和拉伸性能。瓦格纳等（2005年）使用的内聚力模型（CZM）来描述沥青混凝土的断裂特性。为其关键的前端开口和FE两三个所需的材料特性。之后，他们开发了一种盘形的紧凑拉伸试样。几何形状最大化韧带长度很容易地确定对FE参数。（瓦格纳2005）李和Marasteanu（2004）研究了使用一个半圆形弯曲试验作为低温沥青混合物裂化规格的候选者。

Seo等人（2004年）基于模型的方法，通过了一个有凝聚力的裂纹，来计算使用的，双边缘缺口的棱柱试样。进行单调和循环拉伸试验单一的沥青混合料有限元。有限元由应力 - 伸长率曲线下方的面积表示（式（1）），如先前所讨论。裂纹张开位移（W）从试样的凹槽之间有5毫米厚的带测定的。然后，有限元是通过减去由应力伸长包围的裂化部以外从应力裂纹开口位移下的区域的区域获得的。

应用该模型以沥青混合物时发展的问题可概括如下：由于其高可变性的切平面，断裂带的面积在沥青混合物中很难被测量。这是由于随机效应的总体安排和对裂纹路径的影响。FPZ外的材料的特性被认为是由未损坏的状态,这对沥青混合物中不一致的随机裂缝发生在同一时间在不同的位置。一个缺口需要解决裂纹萌生和FPZ,防止识别真正的开始破裂

相反，HMA断裂力学出现，作为确定HMA失败限制一个有希望模式，因为它提供了更根本途径。 HMA断裂力学占据两个裂纹萌生和扩展其由相同混合物参数的约束，认为广义负载条件和模型HMA为其中裂缝被假定为不连续成长的粘弹性材料（罗克等2002）。

HMA断裂力学引入应变能量基于阈值。作为在确定沥青混合物的抗断裂性的关键参数。阈值被确定为FE密度和对应于断裂与单个负载应用的混合物所需的能量。如图2中所示，FE密度可以容易地从拉应力一应变响应得到，作为水平应力。在第一断裂应变曲线下的面积（罗克等2002年）。 FE已证明是独立于试样的几何形状和测试配置的，以及两者的存在和聚合物改性的水平大小（罗密欧2008）。

必须指出的是，该模型解释混合物行为仅达断裂点。实际上，分析超出该点将变得难以有意义。由于显著损坏，应力分布和之后的初始断裂将会产生其他变化。 Birgisson（2007）。

3材料和方法

3.1材料

六种不同的12.5毫米最大标称的大小精细分级，马歇尔用相同的组合型和层次，但具有不同的沥青结合料混合物进行了调查。在实验室中制备所有的混合物，而沥青粘合剂是由沥青精炼公司在意大利提供。选择的骨料的级配是一个典型的精细分级的混合物，在过去接受的配料设计，这已被成功地用于生产。六种不同的沥青结合料是在这项研究中，命名为NL，N2，RM3.5，RM5.0，LM3.5和LM6.5使用。 N1and N2是两个未改性的粘合剂，分级分别为PG64-22和PG58-22。 RM3.5和LM3.5是由分别共混N2未改性用的SBS3.5％径向交联和SBS直线交联聚合物，得到的两种聚合物改性的粘合剂。 RM5.0和LM6.5是通过用聚合物改性剂的最大百分比共混N2处女粘合剂保持沥青稳定性，从而导致在5％的直线径向交联聚合物和6.5％制备两个重聚合物改性的粘合剂交联聚合物。在SBS的聚合物用由使用高剪切研磨的制造商基础沥青掺合。沥青粘合剂组合物和PG分级的测试结果的细节在表1中给出。两个未改性沥青混合物(N1和N2)被设计根据马歇尔配合比设计程序,设计沥青含量,分别为5.4和5.2%(介质流量级别)。修改后的混合物都是用相同的有效沥青含量N2修改的一个确保SBS改性剂是影响测试结果的唯一因素。

3.2试样制备

对于每一个混合物,一个15000g每批准备生产总共6个 300 x 300 x 75毫米的厚片。板坯用由一圆柱形水平枢转钢杯在其上3吨最大负荷液压机被放置的设备下压实。，一个300times;300毫米移动的下层置于含有的物质的模板。这个模板移动，同时所述枢轴元件施加一个给定压力施加到材料压缩到所需的空气空隙的百分比，在这种情况下，6（士0.5）％。压实和试样的冷却之后，进行混合物的体积分析，其结果列于表2中。板坯终于被切成每个的成品尺寸300毫米长100毫米宽75毫米高的样品。

3.3测试设置

在10℃三次重复进行的测试3PB，使用材料测试系统（MTS）闭环伺服液压加载系统。将试样在MTS环境室内条件有利的材料和部件的范围内高温和低温环境下的内测试。 该3PB试验通过在装载环下放置在棱柱试样施加静载荷进行。的顶部和底部环（其充当支撑）的直径为30毫米。试样的跨度长度在光束长度（240毫摩尔）0.8被支持。负载传输具有容量控制系统，其中所述顶部装载环带0.084毫米/ s的速度下降发生。一HBM-Y系列应变计，布置在四分之一惠斯通电桥具有40mm的长度，安装在试样的中央底部边缘以测量断裂测试期间的水平的变形。该3PB测试实验装置如图3所示。在梁的底部边缘的拉伸应力是使用张力弯梁式计算

（2）

其中，是标本在该中心底部区域的拉伸应力（兆帕）; P，样本（N）的负荷; L，样（毫米）的跨度; T样品的厚度（毫米）;h，试样（毫米）的高度。

应力是一个预测值，并且取决于用于获得应力分布的材料模型。一个连续的形象变得紧张时的解释是有限的直至断裂点一个合理的方法，尤其是在一个快速装率被使用。

3.4全场应变图

使用一个内部开发的基于的DIC方法（Roncella等2005，Birgisson等，2009），以更好地解释裂纹的产生和传播机制。所述方法，具体地用于成像沥青试样开发，旨在促进应变在胶泥中的聚集体之间的量化在典型的沥青混合料。该方法是基于在基于摄影-技术的应用，具有适当设计的实验室测试配置在一起。描绘在试样有限程度的区域的数字图像的序列在测试过程中被获取。的图像由软件自动进行处理，提供精确的位移/应变场。迭代最小二乘算法（最小二乘匹配）施加基于灰度值之间的类似图像对应的提取。的数字照相机，直接连接到测试控制系统，是位于何处进行试验的气候室内部的支持体。该室设置有确保了良好的照明未经加热了适当的照明系统标本。以实现在应变场测量高精度，试样表面必须呈现出良好的对比灰度散斑图案，由一个基于涂料水的处理（图3）容易获得，DIC的系统已经显示出有应变仪相比达到令人满意的精确度，从而导致在压缩/拉伸应变0.0

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