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沥青薄膜破裂

j·a·f·哈维和d·塞邦

剑桥大学工程系

英国剑桥市特朗平顿街，CB2 1PZ

文摘:本文研究了沥青薄膜的粘接性能。描述了沥青对接接头和双悬臂梁试样在各种试验条件下的拉伸试验。使用断裂力学方法处理测试结果。发现沥青的破坏应变在脆性和延性两种情况下通常与等效应变率无关，而“标准韧性”在脆性情况下与速率无关，在延性情况下与速率有关(G是应变能释放率，2h是膜厚)。对典型铺路沥青的韧性进行了量化，包括脆性断裂和延性破坏，并给出了一个将破坏机制分类为温度和应变率的函数的机制图。

1. 介绍

沥青路面失效的一种方式是硬度显著下降。这通常是由结合表面层中分布裂纹的增长引起的。Genin and Cebon[2000]对沥青梁试样弯曲开裂的研究表明，典型沥青复合材料的裂缝通常穿过粘结剂，而不是穿过骨料颗粒或骨料粘结剂界面。

粘合剂由沥青和填料的混合物组成；具有粘合剂作用的沥青和用作填料使它变硬。沥青是一种粘弹性材料，其性能对环境温度负载施加的速率非常敏感。它显示玻璃弹性行为和粘性行为，取决于温度和应变率的组合[Cheung and Cebon, 1997]。已经观察到了各种失效模式，从脆性破裂、撕裂到粘性流动。沥青混合物中集料颗粒之间的沥青薄膜通常很薄。在薄膜中，材料上的几何约束会产生很大的流体静力应力，这将影响失效机制，特别是在延性区域。。例如，Genin和Cebon [2000]在静水压下观察到沥青中的孔隙成核紧张。几何约束的影响只能通过检查大范围的薄膜几何来理解。

本文系统地研究了沥青薄膜的破坏以及发生脆性断裂和延性破坏的温度和应变率状态。虽然填充的粘合剂的断裂需要调查，但首先调查纯沥青的断裂被认为是谨慎的。在本文中，由两个颗粒之间的单一接触所包含的沥青膜被认为是理解复合材料引起的多重接触问题的第一步。将本文描述的工作扩展到沥青路面断裂行为的建模是一项艰巨的任务，也是正在进行的进一步研究的主题。

在裂纹张开过程(模式1裂纹)中，薄膜承受张力，沥青骨料接触可以被理想化为两个刚性粘附体之间的粘接。这篇论文描述了双重悬臂梁(DCB)试验和对接试验，模拟沥青薄膜中的第一种模式开裂温度和应变率范围。详细回顾与薄膜测试有关的文献粘弹性材料可以在[Harvey, 2000]中找到。

2.实验技术

选择铝合金粘附体，因为它们的弹性模量与花岗岩相当其他道路集料。用46号粉红色氧化铝砂粒喷砂粘附体表面，以提供粗糙的沥青粘附的表面处理。测试的粘合剂是壳牌沥青(英国)有限公司提供的100 pen沥青。材料的冷冻块被加热到160℃达3小时以驱除任何空气。样品是通过将热的熔融沥青倒入硅橡胶模具中制成的。(硅橡胶在冷却后不会粘附在固体沥青上)这些模具用于制造固定面积的沥青薄膜。厚度为0.5毫米至3毫米的均匀薄膜是通过金属间隔物形成的，这是样品所特有的配置。DCB样本的垫片位置如图1a所示，而对接试样。它们被橡皮筋固定在黑色箭头所示的位置。这通过在每个粘附体上浇铸一半的沥青薄膜来制造双悬臂梁样品然后在30℃下将薄膜压缩在一起至少30分钟。这段时间足以确保薄膜接合良好，接头和薄膜材料之间没有可察觉的差异。一双0.05毫米厚的聚四氟乙烯薄膜，作为裂纹引发剂在双碳纤维样品。它们被一次插入沥青层之间薄膜接合前的样品末端(见图1a)。在测试过程中，一层薄膜粘附在光束。

多余的沥青被修剪掉以产生一个干净的边缘接缝，在测试之前，从样品中移除隔离物。图1b描述了接近试验开始时的试样结构，图2b描述了对接接头。采用液压拉伸试验机，配有环境室，提供-30℃至30℃范围内的受控温度。采用恒速分离样品。这些对应于0.03S^-1至100S^-1范围内的标称应变率。所产生的力被测量并转换成应力。

应力和应变率之间的幂律关系以及“Arhenuis”温度相关性证明在测试的温度范围内适用于这种沥青。这与[Cheung and Cebon, 1997]的发现相一致，他们记录了在幂律粘性变形状态下，温度在-20℃到20℃之间的50支沥青中的类似行为。利用时间温度叠加原理，可以定义温度补偿应变率ε T，从而可以比较不同温度下的测试结果。这由下式给出:

(1)

其中ε是应用的标称应变率，Q是从单轴试验推导出的活化能，R是通用气体常数。T₀是参考温度，这里选择为273K，T₁是测试温度。

3.脆性断裂

图3显示了DCB测试后拍摄的典型脆性断裂表面。类似波浪的条纹横向于开裂方向观察。这些波增加了裂缝表面的面积，因此断裂能量超过了原子键断裂所需的能量。易碎的外观如图4所示，对接接头中的断裂面类似于DCB接头中的断裂面。

图5给出了以脆性方式失效的对接接头的两条应力-应变曲线。两者都经过测试应变率为1s^-1。一条曲线用于-10℃的测试，而另一条曲线用于-30℃的测试。这些曲线是近似线性，断裂发生在峰值应力处。温度的影响很小这种行为方式。在双氯芬酸钠测试中观察到了同样的趋势。

3.1韧性计算

模式1应变能释放率，GI是用美国材料试验学会中描述的方法计算的标准D3433 [1985]，这是基于在[Ripling and Mostovoy, 1971]的研究。模式一的韧性在裂纹起始由下式给出:

(2)

其中，part;W是裂纹开始时恒速试验中测得的载荷，a是初始裂纹长度，h是梁深度，E和u分别是被粘物的杨氏模量和泊松比(见图1b)。在对接接头中，使用Griffith [1920]提出的GI定义，从载荷-位移曲线下的面积到失效计算GI:

(3)

其中part;W代表荷载-位移曲线下的面积，Bpart;a代表平面图中的样本面积。

3.2槽口灵敏度

测量表明沥青的韧性对缺口敏感。在对接处，裂缝是由粘合膜中存在的缺陷引发。因此，在该测试中测量的韧性是以上述方式制造和测试的沥青薄膜的固有韧性的良好指示。A图6显示了三种低温下的韧性与标称应变率的关系曲线与这些条件下的应变率和温度无关，因此确认故障是易碎。对于这种沥青，对接接头GIC的断裂能约为10Jm-2。分散是应该的导致断裂的缺陷尺寸的不均匀性。

在DCB测试中，起动器缺口被设计得尽可能薄，以便产生尖锐的起动器裂纹。这导致DCB试验中的GIC值低于对接试验中的值。图7说明了两种测试方法的结果。该图涵盖0.01s^-1范围内的温度补偿应变率到109s^-1，以突出“过渡”和脆性行为之间的界限。测试代表了是在0℃和-30℃之间的温度下进行的。如图所示，DCB的GIC平均值这些沥青薄膜的测试结果约为5Jm^-2。

在单一温度下，例如-10℃或-30℃，在DCB试验中没有观察到GIC随应变率的下降(图8)。然而，-10℃的数据点往往高于-30℃的数据点。GIC随温度的明显下降(与图6中对接接头的温度独立性相比)是由于启动缺口，在不同的温度下会变钝到不同的程度。在样本上方进行的测试中贮存温度(-20℃)，在试验开始前，有时间使起始裂纹钝化。因此，只有在低于储存温度下进行的测试才能给出引发的最小值使用裂纹引发剂可能产生的能量。

在位移或速度控制试验中，载荷随着裂纹的扩展而下降。最终，在某些情况下，当GI值降至临界值以下时，裂纹停止(图9)。停止后，梁端继续分开，直到GI超过裂纹萌生的临界值，裂纹再次扩展。“止裂韧性”是指当暂时停止的裂纹开始再次增长时的GI值。温度越低或止裂时间越短，裂纹尖端重新萌生时越尖锐，止裂韧性越接近最小裂纹萌生能。如图10所示，止裂韧性和起裂韧性的曲线图表明，在相同温度下，止裂韧性低于记录的起裂韧性。仅出于识别目的，在载荷施加点绘制了对应于标称应变率的点。图10中的实验数据显示，在0℃时，止裂韧性平均为5Jm^-2。这证实了低温下DCB试验的估计。

4.韧性破坏

图11显示了对接试样的典型断裂面，其中试样因粘性流动而失效。相比之下，图12显示了一个对接接头，该接头因空隙增长和聚结而失效。在这种情况下，在空隙之间形成几条小韧带，并作为突起留在骨折面上。在试样的边缘，由于剪切，有一个向内流动的区域。在沥青薄膜的DCB试验中观察到了相同的现象。延性破坏产生非线性应力-应变曲线，如图13所示。峰值应力随着应变速率增加。尽管失效发生在峰值，但材料仍继续支持逐渐下降的负荷。在本文中，引起膜完全分离所需的能量是令人感兴趣的。

因此，故障点位于曲线尾部附近，此时负载降至峰值的10%以下。图14显示了纵横比为A=b/h(薄膜宽度2b和厚度2h)在8-50范围内的试样的失效应变与温度补偿应变率的关系图。这将峰值载荷下的应变与最终应变进行了比较，并强调延性破坏应变(延性)基本上与速率和纵横比无关。

4.1韧性

如图15所示，发现韧性DCB接头的韧性G取决于应变率和薄膜厚度。在各应变速率下，DCB接头的断裂能随着薄膜厚度的增加而增加。断裂能的极低值出现在高应变率时，此时断裂变得更脆。在这种韧性行为的状态下，对薄膜厚度的依赖可以通过绘制由薄膜厚度2h标准化的韧性GI来消除。如图16所示，对于所有测试的DCB薄膜，这产生了作为应变率函数的“标准化韧性”G/2h(单位为kJm-3)的单线。单位体积材料的能量比单位面积的能量更好地描述了延性断裂，因为单位体积材料会变形:在延性破坏过程中，没有明确定义的断裂面区域。图17显示了DCB和对接接头试样的G/2h与温度补偿应变率的关系。可以看出，对接试验的G/2h值基本上与DCB试验的一致。由于参数G/2h与试样几何形状无关，因此它可以用作这种情况下的失效准则。

4.2直线桥接模型

本节描述了一个简单的直线裂纹桥接模型。如果假设变形单元内的应力遵循幂律粘性关系，如沥青单轴试验中观察到的那样，[Cheung and Cebon, 1997]则单位体积的破坏能量可表示为:

(4)

其中，基于对接试验，故障应变估计取值ε_f = 2.6(图14)。这种应变包括在延性断裂过程中吸收能量的所有变形。sigma;_f是单轴流动应力，q是一个常数，它说明了具有图13所示形状的测量应力-应变曲线与假设的直线桥接定律之间的形状差异。

沥青sigma;_f中的稳态单轴流动应力可由幂律粘性关系来捕捉，如[Cheung and Cebon, 1997]中所述:

(5)

其中sigma;₀和ε₀是材料常数，1/n是幂律指数，根据沥青的单轴试验测量为0.66[Harvey, 2000]。将等式5中的sigma;f代入等式4，设置ε= isin;/ 2h(是试验机的十字头速度)得出:

(6)

当q设置为0.1时，发现这种关系与测量数据相当吻合。两者之间的比较图18显示了0.5毫米和3毫米之间2h的桥接模型和DCB数据。在假设的直线桥接定律下，面积所代表的能量按因子q缩放，以便以等效应变率将其与应力-应变曲线下的区域匹配。测量曲线下的面积是ε_p、 sigma;_f的量级，其中ε_p峰值载荷下的应变约为0.14。但是，由表示的矩形等式4给出的假设桥接定律比这个大约宽20倍，因为事实上ε_f = 2.6。因此，q取10%的值并不奇怪。

1. 结果摘要

图19a是DCB试验的标准韧性与应变率的关系图，总结了沥青薄膜在-30℃至20℃温度范围内的断裂机制，或150年的温度补偿应变率。它突出了脆性行为的速率独立性。由于GIC是一种材料属性，预计对应于不同2h值的几条平行线将在该图上表征脆性断裂。因此，对应于测试的薄膜厚度的GIC/2h的范围在脆性区域被遮蔽。该图还显示了韧性随应变率的幂律增加，以及韧性-脆性转变。

韧性和温度补偿应变率之间的关系可以通过考虑沥青薄膜中的破坏应力和

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