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研究文章

基于线性振幅扫描与四点弯曲试验的温拌沥青疲劳损伤跨尺度表征

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DOI:

10.3791/72348

2026年8月14日

本文内容

摘要

本研究建立了一个稳健的跨尺度框架,将结合料的损伤力学与混合料的疲劳性能联系起来,表明线性振幅扫描-简化粘弹性连续损伤(LAS–S-VECD)参数可为预测和设计耐久的温拌沥青体系提供可靠且具有力学机理基础的依据。

摘要

疲劳开裂是影响沥青路面长期耐久性的关键因素,而温拌沥青(WMA)中结合料疲劳行为与混合料疲劳性能之间的跨尺度关系尚未得到充分理解。本研究在结合料和混合料两个尺度上系统地研究了WMA的疲劳特性,以建立定量的跨尺度关联。采用动态剪切流变仪(DSR)试验和基于简化粘弹性连续损伤(S-VECD)模型解析的线性振幅扫描(LAS)试验,表征了不同原油来源沥青结合料的流变性能及损伤演化规律。混合料尺度的疲劳性能通过应变控制的四点弯曲疲劳试验进行评估。结果表明,老化显著提高了结合料刚度并加速了疲劳损伤,长期老化后疲劳因子 G*·sin δ 增加了约150–250%。在结合料尺度上,温拌改性效果具有显著的结合料依赖性:结合料A和B的损伤速率系数降低了8–13%,而结合料C则增加了约11%。传统的流变指标(如sin δ)在预测混合料疲劳寿命方面能力有限且受材料类型影响较大,而由LAS–S-VECD方法获得的损伤参数与混合料尺度的疲劳性能表现出一致且显著的相关性。总体而言,本研究表明,基于LAS–S-VECD的结合料损伤表征方法为预测混合料抗疲劳性能提供了可靠依据,并支持其在耐久、可持续温拌沥青路面的性能导向型混合料设计中的应用。

引言

传统的沥青路面施工依赖高温处理,通常温度范围为160 °C至180 °C,而对于橡胶沥青和高性能聚合物改性沥青等改性结合料,温度甚至超过190 °C。在某些特殊应用中,例如钢桥面铺装,现场混合料铺设温度可能超过200 °C1。这种极端热条件导致大量化石燃料消耗,并产生显著的大气排放,包括温室气体以及富含苯可溶性化合物和致癌性多环芳烃(如苯并[a]芘)的有害沥青烟雾2,3。以往研究一致表明,降低沥青生产与压实温度可减少燃料消耗、二氧化碳排放以及作业人员对沥青烟雾的职业暴露,但这些效益的程度取决于混合料类型、拌和站配置、添加剂用量及现场施工条件。近期研究进一步加深了对沥青在不同改性方式和使用条件下性能表现的理解。已有报道指出,在沥青混合料中引入木质素磺酸钙可有效延缓热氧化老化,其机理在于抑制氧化反应并稳定沥青结合料的胶体结构。

在断裂行为方面,针对热拌沥青混合料(HMA)和温拌沥青混合料(WMA)在纯I型和II型加载条件下的研究表明,加载模式在决定低温断裂韧性和能量耗散方面起着关键作用。在橡胶改性沥青体系中,对水敏感性的研究也十分广泛,其中再生橡胶材料能够提高抗水损害能力,且可通过结合力学性能与经济性评估方法确定最佳橡胶掺量。在高温性能方面,通过动态蠕变试验和汉堡车辙试验对改性沥青玛蹄脂碎石混合料(SMA)进行了评价,结果证实混合料改性显著增强了抗车辙能力。此外,基于半圆形弯曲(SCB)试验对掺入再生添加剂的沥青混合料的研究表明,其I型断裂抗力和抗水损害能力均有显著提升,凸显了再生材料在疲劳性能和耐久性方面的协同效应。因此,低温沥青技术的发展已成为实现可持续路面建设和环境友好型基础设施体系的关键路径。

温拌沥青(WMA)技术通过添加化学添加剂、有机蜡或采用发泡技术,可在通常90 °C至130 °C的温度下实现有效的混合料生产,相比传统的热拌沥青(HMA)温度降低了30–50 °C4。除了在降低能耗和减少污染物排放方面已有充分记录的优势外,WMA在减轻沥青胶结料在生产和施工过程中的热氧化老化方面也发挥着关键作用。沥青的老化受温度依赖的化学反应动力学控制,氧化速率大约每升高10 °C就增加一倍5,6。高温会加速挥发、氧化和聚合反应,使麦芽烯逐步转化为刚性的沥青烯,从而增加胶结料的刚度并降低其延展性7。通过降低生产温度,WMA抑制了这些有害反应,保持了胶结料的粘弹性,并可能提高其长期抗疲劳性能8

尽管温拌沥青(WMA)在环境友好性和施工便利性方面的优势已有大量报道,但针对其在老化条件下的疲劳性能的系统性研究仍相对有限。特别是,来源于不同原油产地的沥青胶结料——如克拉玛依、中海油海上原油和中石油原油原料——在化学组成上表现出显著差异,包括沥青质含量、树脂分布、芳香分组分以及饱和分水平9。这些组成差异被广泛认为是决定其流变行为、老化敏感性及疲劳耐久性的根本因素10。然而,现有的疲劳研究很少根据原油来源对胶结料进行区分,导致对源依赖性化学组成如何影响疲劳性能的理解尚不完整,尤其是在模拟实际服役条件下累积老化的影响方面11,12。从工程角度来看,一种可靠的基于胶结料尺度的疲劳评估方法对于初步材料筛选、温拌添加剂选择、老化敏感性评估以及混合料级配验证前的质量控制具有重要意义。然而,LAS–S-VECD 方法不应被视为可完全替代混合料疲劳测试,因为集料级配、空隙率、胶结料与集料的相互作用、压实质量以及现场老化等因素也可能主导路面的疲劳性能。此外,不同沥青来源下胶结料尺度疲劳指标与混合料尺度疲劳行为之间的关系尚未得到明确建立13。尽管线性振幅扫描(LAS)等流变试验在表征胶结料疲劳损伤方面展现出潜力,但其对混合料疲劳寿命的预测可靠性——特别是对于具有不同化学来源的胶结料——仍缺乏充分验证14。这种脱节限制了基于实验室的性能预测准确性,并制约了工程实践中材料的合理选择15

为解决这些关键空白,本研究对源自三种不同原油来源的温拌改性沥青结合料的疲劳行为开展了全面的多尺度研究16。通过整合动态剪切流变仪(DSR)分析、简化粘弹性连续损伤(S-VECD)框架内的线性振幅扫描(LAS)试验以及混合料尺度的四点弯曲疲劳试验,本研究系统评估了原油来源、温拌改性及老化对疲劳抗力的影响17,18,19。研究结果旨在建立结合料流变特性与混合料性能之间的可靠跨尺度关联,为疲劳寿命预测提供机理依据,并为可持续沥青材料的设计与选型提供实用指导。

本研究提出了一种跨尺度的温拌沥青疲劳特性表征框架,通过将结合料尺度的LAS–S-VECD分析与混合料尺度的四点弯曲疲劳试验相结合,实现对温拌沥青材料的全面评估。与以往研究主要孤立地关注结合料层面的流变性能评价或混合料层面的性能测试不同,本工作建立了原油来源依赖的结合料化学特性、温拌改性措施与老化条件下混合料疲劳行为之间的直接力学关联。本研究的创新性体现在三个方面:(i)明确将原油来源作为影响疲劳性能的关键变量;(ii)系统建立LAS–S-VECD损伤演化与混合料疲劳寿命之间的跨尺度相关性;(iii)在结合料和混合料两个尺度上统一评估温拌改性的影响。结果表明,由LAS–S-VECD方法获得的损伤参数可有效预测混合料的疲劳性能,相较于传统的流变学指标,提供了更具力学机理基础的预测手段。这些发现为面向性能的可持续温拌沥青体系的评估与设计奠定了科学基础。

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方案

材料
本研究选用的三种沥青结合料如表1所示,均为源自不同原油来源的典型路面结合料,在中国道路工程实践中已得到广泛应用。克拉玛依沥青、中海油36-1沥青和中石油沥青在原油来源、化学组成、老化敏感性及流变特性方面存在显著差异,为研究原油来源依赖性的疲劳行为提供了适宜的材料基础。这些材料的选择使得能够对比评价沥青结合料内在组成对温拌改性效果及混合料尺度疲劳性能的影响,从而增强所提出的跨尺度疲劳表征框架的工程适用性。各结合料的具体地质来源及化学特性如下:

结合料A:源自第9区重油原料,通过减压渣油与脱油沥青的调合工艺制得。其基础材料具有显著特性,包括低蜡含量(<2%)、极低的硫浓度以及高胶质组分。值得注意的是,克拉玛依沥青是当前工程应用中唯一表观密度低于1 g/cm3的路面结合料,且具有优异的动态黏度及老化后出色的延展性保持能力。这些特性使其特别适用于昼夜温差大、紫外线辐射强烈的地区。

结合料B:源自绥中36-1海上油田开采的稀有重质原油,经精炼后沥青产率高达56%。该原料属于低硫、环烷基重质原油,酸值较高,所得加工结合料具有高密度(1.012 g/cm3)、低石蜡含量(1.8%)和较高的树脂组分。这些特性赋予该结合料优异的低温柔韧性,因而适用于寒冷环境下的工程应用。

粘结剂C:主要以委内瑞拉博斯坎重质原油为原料制备,通过特殊精炼工艺实现60%的产率。该原油具有独特的地球化学特征,包括高酸值、显著的重金属含量以及强生焦倾向。该粘结剂表现出非典型的烃类组成,其特征为饱和烃组分含量低,树脂-沥青质复合物富集,且正构烷烃含量极低(1.3%)。

本研究中,三种基质沥青结合料分别标记为AO(克拉玛依)、BO(中海油36-1)和CO(中国石油)。通过添加Evotherm M1添加剂制备相应的温拌沥青结合料,分别记为AP、BP和CP20。针入度、软化点和延度等综合性能指标均依据JTG E20-201121规范进行测试,详细对比数据见表1。所有实验程序均严格遵循《公路工程沥青及沥青混合料技术规范》中规定的标准流程。

项目单位克拉玛依中海油中石油
针入度0.1 mm (15 °C)222224
0.1 mm (25 °C)726871
0.1 mm (30 °C)112110116
PI-1.14-1.2-0.81
软化点 (TR&B)°C4646.547.5
动力黏度 (60 °C)Pa·s223.5230256.9
延度 (10 °C, 5 cm/min)cm>100>10052
蜡含量%1.91.81.3
闪点 (COC)278287312
溶解度%99.599.799.8
密度 (15 °C)g/cm³0.9771.0121.049
旋转薄膜烘箱试验 (RTFOT)质量变化 (%)0.050.06-0.07
残留针入度比 (%)66.267.464.8
残留延度 (10 °C, cm)13129

表1:沥青结合料的关键技术参数。 表1总结了沥青结合料的关键技术参数,包括物理性质、温度敏感性、流变特性以及短期老化性能,以评估其基本性能和耐久性。

WMA 制备过程采用严格控制的多阶段方案,旨在确保结合料改性的可重复性。首先将基质沥青结合料置于强制对流烘箱中,在 135 ± 2 °C 下加热 60 分钟,以达到稳定的熔融状态,随后静置 30 分钟以消除热梯度。所有加热过程均在密封容器中进行,并通入氮气保护(流速:0.5 L/min),以尽量减少温度调节过程中的氧化老化。

在连续机械搅拌(300 rpm)下,于135 ± 2 °C条件下加入Evotherm M1添加剂,持续5分钟,随后进行高剪切处理,以确保表面活性剂相的初步分散。接着,使用转子-定子均质器在3000 rpm条件下进行高剪切混合,持续25分钟,同时通过外部油浴温控系统(控温精度±1 °C)将结合料温度维持在135–140 °C范围内。在整个混合过程中,采用已校准的K型热电偶插入结合料基质中连续监测温度,当温度波动超过±2 °C时,系统自动调节加热参数。随后,改性结合料以5 °C/min的速率受控冷却至25 °C,之后进行后续测试或短期储存。剪切程序的设计依据沥青结合料的黏度-温度关系,确保所有样品在可比的剪切历史条件下制备。这种严格的热-机械控制保证了温拌沥青结合料制备过程的高重复性,并最大限度地减少了实验变异性。

动态剪切流变仪(DSR)测试
为表征添加温拌剂的沥青结合料的流变响应及与疲劳相关的性能,依据 ASTM D717522,采用温度可控的旋转流变仪进行动态剪切流变仪(DSR)测试。流变学评估重点针对中温区疲劳行为,该行为与沥青路面的裂纹萌生和扩展密切相关。

采用疲劳因子 G*sin δ23 来量化温拌改性及老化引起的沥青结合料黏弹性耗散行为的变化,该因子被广泛认为是表征结合料疲劳敏感性的指标。温度扫描试验在 58–82 °C 范围内进行,温度增量为 6 °C。在每个目标温度下,试样需保温平衡 10 分钟后再开始采集数据,以确保热稳定性。为研究老化对流变性能的影响,结合料试样经历了三种老化状态:未老化(原始状态)、旋转薄膜烘箱试验(RTFOT)老化,以及 RTFOT 与压力老化容器(PAV)联合老化24。这些老化程序旨在模拟生产与施工过程中的短期老化,以及路面服役期间的长期老化。通过分析 G*sin δ 随温度和老化条件的变化规律,评估不同结合料的抗疲劳性能。

每次进行动态剪切流变(DSR)测试前,需在平行板之间加载后仔细修整沥青结合料试样,以确保边缘轮廓均匀。测量前,将试样在目标温度下恒温调节 10 min。测试在 58–82 °C 范围内以 6 °C 为间隔进行。当测得的扭矩和位移保持在仪器推荐的工作范围内,且试样无可见滑移时,判定为有效测试。

线性振幅扫描(LAS)测试
根据ASTM D7175标准进行动态力学分析,以表征粘弹性行为25。实验方法包括应变振幅扫描,以确定线性粘弹性范围,随后在10 rad/s条件下进行频率控制测试26。温度依赖性评估覆盖沥青路面的工作温度范围(58–82°C),以6°C为增量进行,每个等温阶段预留10分钟以达到热平衡。采用AASHTO T391规程,通过耗散能的演变量化结合料的损伤累积,特别监测在循环加载过程中粘弹性耗散因子(|G*|sin δ)的变化27,28。采用简化粘弹性连续损伤(S-VECD)模型预测沥青复合材料的退化模式29。LAS规程在固定10 Hz频率下执行振荡振幅扫描,控制应变从0.1%逐步增加至30%,分辨率为0.1%。

使用以下方程计算关键的黏弹性参数:

log G "(ω) = m (log ω) + b (1)

G'(ω) = G* (ω) × cosδ (ω) (2)

静力平衡方程,a = 1/m,公式;用于物理学和数学教学。 (3)

其中 G''(ω)为损耗模量, ω 为角频率, m 和b为拟合系数, G'(ω) 为储能模量, G*(ω) 为复数模量, δ(ω)为相位角,为黏弹性指数。

损伤量化采用了公式(4)中表达的基本关系:

静力平衡条件的公式;求和公式;变量 N、r、C;数学示意图。(4)

公式中:C(t) — 完整性参数,C(t) = G^* (t)/G^* (初始),G^* — 复数模量(MPa);

γ_0—施加应变(%);
t—测试持续时间(s)

损伤指标 D(t) 和结构完整性系数 C(t) 随时间的演化通过幂律本构关系进行数学参数化(Yuan 2024):

C(t) = C0 - C1 × DC2 (5)

在公式中:C0 表示初始完整性参数(通常等于 1) ,C1, C2—拟合参数。

利用剪切应力峰值点的概念计算疲劳损伤值:

疲劳寿命方程 Df=(C0-Cpeak stress/C1)^1/C2,用于材料应力分析。 (6)

Cpeak 是对应于最大剪切应力点的完整性参数。

疲劳寿命计算公式为:

Nf = A(γmax)-B (7)

公式中:AB—与疲劳相关的系数,

A = f × (Df)[1 + (1 - C2 )a] / {[1 + (1 - C2 )a] × (πC1 C2 )a(8)

B=2a,频率载荷;
γmax — 预期最大应变水平(%)

为确保实验结果的可靠性和可重复性,所有结合料级和混合料级试验均在每种条件下至少进行3次独立重复实验(n = 3)。报告结果为重复测量值的平均值。实验数据的变异性通过标准差(SD)进行评估,所有相关图表中均提供误差棒以反映统计离散程度。对于LAS–S-VECD参数、DSR流变指标以及四点弯曲试验的疲劳寿命, дополнительно计算变异系数(COV)以评估数据的一致性。

在所有情况下,均对经修饰与未经修饰的结合剂之间的统计学差异进行检验,以确保所观察到的趋势并非源于实验离散性,而是代表在疲劳和流变行为方面具有统计学意义的差异。

四点弯曲疲劳试验
为验证结合料层级的疲劳指标并建立跨尺度相关性,对采用AC-16C级配制备的沥青混合料进行了四点弯曲疲劳试验30,31。各粒径集料的集料级配、表观密度、毛体积相对密度和吸水率,以及矿粉的性质详见表2。为确保不同温拌沥青(WMA)配方之间的一致性,所有混合料的沥青含量均固定为4.8%。

筛孔尺寸 (mm)集料类别合成级配 (%)
1# (10~20mm, 29%)2# (5~10mm, 29.2%)3# (3~5mm, 17%)4# (0~3mm, 19%)矿粉 (5.8%)
0.07500.100.990.85.5
0.150.10.104.995.36.5
0.30.10.201398.78.3
0.60.10.2025.299.710.6
1.180.10.2047.810015
2.360.10.5010010025
4.750.815.598.910010046.4
9.515.299.510010010075.2
13.268.499.810010010090.8
1694.810010010010098.5
19100100100100100100
表观相对密度2.8992.9182.8452.7542.8722.865
饱和面干相对密度2.8542.8472.8162.6912.814
堆积相对密度2.8292.812.82.6552.787
集料吸水率 (%)0.851.320.561.36

表2:温拌沥青混合料中集料的级配。 表2列出了温拌沥青混合料的集料级配,包括不同集料粒径组分的比例、矿粉含量、合成级配曲线以及集料的物理性质。该表展示了沥青混合料中设计的颗粒尺寸分布及所用集料的基本特性。

采用 Cooper 试验装置在应变控制加载条件下进行四点弯曲疲劳试验,以评估温拌沥青(WMA)混合料的疲劳耐久性32。失效判据定义为弯曲刚度降低至其初始值的 50% 所需的加载循环次数。根据既定的试验规程33,在 15 °C 的等温条件下,以 10 Hz 的频率施加连续正弦波形式的循环荷载。所有试验均在无休息间隔的条件下进行,以确保疲劳加载过程中能量输入的连续性34,35

梁式试件按照标准尺寸要求制备,长度为 381 ± 6.35 mm,宽度为 63.5 ± 6.35 mm,高度为 50.8 ± 6.35 mm3637。在应变控制条件下,通过在双对数坐标系中绘制不同温拌沥青(WMA)配方试件的疲劳特性曲线来表征其疲劳性能38。随后建立幂律本构关系,并采用非线性回归分析拟合各类沥青混合料的疲劳数据,为后续的疲劳寿命建模与对比分析提供依据39,40,41。将梁式试件对称安装于四点弯曲夹具中,加载前检查加载夹头与试件表面之间的接触情况。试验在15 °C下进行,采用10 Hz的应变控制正弦加载,无间歇周期。试验终点定义为弯曲刚度降至其初始值的50%时所对应的循环次数。当破坏发生在标距段内,且未观察到夹具异常滑移或突发性非疲劳断裂时,试验结果视为有效。所有定量数据均以均值 ± 标准差(mean ± SD)表示,除非另有说明,所有实验组的样本量n = 3。

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结果

温拌沥青的流变性能
沥青-集料界面区被广泛认为是疲劳开裂的主要起始位置。因此,与疲劳相关的流变参数 G正弦 δ在中间服务温度下测得的指标被用于评估温拌沥青(WMA)结合料的疲劳性能。 图1 呈现……的变化 G*sin δ 针对沥青A、沥青B和沥青C的原样及温拌改性沥青结合料。所有定量结果均基于三次重复测量,以均值 ± 标准差表示(n = 3)。在相同温度下,采用独立样本t检验对原始沥青与温拌改性沥青进行统计学比较,差异显著性水平设定为 p < 0.05。如图所示在 图1, G*sin δ 随着温度的升高,所有沥青结合料的疲劳相关刚度持续降低,表明在较高的中温条件下其抗疲劳刚度减弱。对于沥青A,AP表现出显著更高的 G*sin δ...

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讨论

本研究提出了一种跨尺度疲劳评估框架,该框架将沥青结合料层面的线性振幅扫描(Linear Amplitude Sweep, LAS)试验与简化粘弹性连续损伤(Simplified Viscoelastic Continuum Damage, S-VECD)模型,以及混合料层面的四点弯曲疲劳试验相结合,旨在建立沥青结合料损伤演化与混合料疲劳性能之间的力学关联。与主要依赖经验流变指标(如G*·sin δ)的传统疲劳评估方法不同,本框架采用基于连续损伤力学的损伤相关参数,以表征沥青结合料在循环荷载作用下的内在劣化行为。通过引入沥青原油来源作为影响因素,本研究进一步证明,温拌改性技术的效果并非普适,而是强烈依赖于基质沥青的化学组成和胶体结构。这些发现为原油来源、温拌添加剂、老化敏感性与抗疲劳性能之间的相互作用提供了新的认识,从而建立了一种更具力学机理基础的沥青材料评估方法。以往研究已表明LAS–S-VECD分析在结合料疲劳表征方面的潜力;然而,其在预测混合料尺度疲劳性能方面的直接适用性仍处于持续研究之中。本工作通过验证多种结合料体系中结合料损伤演化与混合料疲劳行为之间的跨尺度关系,推动了该领域的研究进展。

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披露

作者声明无利益冲突。

致谢

我们感谢浙江省交通运输厅对重大R&D 项目。本研究由一项重大 R&浙江省交通运输厅 #38;D 项目(ZJXL-SJT-202316A)。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
结合料 A / AO,克拉玛依沥青中国克拉玛依原油来源不适用基质沥青结合料
结合料 B / BO,中海油 36-1 沥青中国中海油 36-1 海上原油来源不适用基质沥青结合料
结合料 C / CO,中石油沥青中石油 / 委内瑞拉博斯坎原油来源不适用基质沥青结合料
Evotherm M1 温拌添加剂Ingevity / MeadWestvacoEvotherm M1用于温拌沥青结合料制备
动态剪切流变仪MalvernKinexus DSR+用于 DSR 温度扫描和 LAS 测试
旋转薄膜烘箱试验装置上海昌吉SYD-0610用于短期老化
压力老化容器InstroTekPAV-9300用于长期老化
四点弯曲疲劳测试系统Cooper Research TechnologySA4PT用于应变控制的混合料疲劳试验
S-VECD 分析框架数据分析不适用用于计算基于 LAS 的损伤参数
数据分析软件OriginOriginPro 2024用于回归拟合、相关性分析和绘图

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