摘要
为获得积雪冰冻地区环氧沥青混凝土（EAC）疲劳开裂特性，以EAC及对照组——SBS改性沥青混凝土（SBSMAC）为试验对象，采用小梁三点弯曲重复加载试验、数字图像相关技术（DIC）及扫描电镜（SEM），从宏观、细观、微观3个尺度，对冻融循环和盐冻融循环条件下，EAC和SBSMAC试件疲劳加载全寿命周期内裂纹的萌生、扩展和加速破坏进行分析. 结果表明：基于EAC和SBSMAC损伤因子拟合函数的导数曲线，得到疲劳损伤的关键分界点，据此划分沥青混凝土的疲劳损伤阶段，是一种正确可行的新方法；EAC的宏观裂纹起裂点及微裂纹扩展点出现时间均晚于SBSMAC，EAC具有更好的抵抗材料损伤的能力；在积雪冰冻地区使用乙酸钾（CH3COOK）替代常用的氯盐类融雪剂，可减轻路面疲劳损伤程度；EAC断裂面处的微观形貌优于SBSMAC.
近年来，随着国产化研究的推进，环氧沥青混凝土（EAC）的成本实现了大幅下降，这一变化不仅巩固了其在传统桥面铺装领域的地位，还推动了其应用范围向非桥面路段的路面结构层拓
当前，关于EAC在积雪冰冻区域的全寿命周期疲劳开裂特性的研究，在国内外学术界尚显匮乏.不仅如此，对于EAC裂纹特性的阶段性划分，其研究深度亦有待加强.鉴于此，本研究选定积雪冰冻环境作为材料服役背景，实施了结合数字图像相关技术（DIC）观测的小梁三点弯曲重复加载疲劳试验.同时在试验前后，对试件进行扫描电子显微镜（SEM）分析.本研究采用理论分析与试验验证相结合的方法，从宏观、细观及微观3个尺度，对EAC在冻融循环及盐冻融循环条件下的疲劳开裂特性进行系统对比分析.通过求导方法，获取了EAC裂纹萌生、扩展直至加速破坏的全过程数据，并求解了相应的分界点.另外，本研究还探讨了盐冻融循环次数、盐的种类及盐的质量分数对EAC开裂特性的影响，为EAC这类长寿命路面材料在积雪冰冻地区的实际应用提供了科学数据与理论支撑.
沥青为环氧沥青及对照组——SBS改性沥青（SBS含量（质量分数，文中涉及的含量或油石比等均为质量分数或质量比）为4.5%），两者的基本性能指标见
| Epoxy asphalt | SBS modified asphalt | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Technical indicator | Test value | Standardized | Appraisal | Technical indicator | Test value | Standardized | Appraisal | |
| Thermosetting | No melting | No melting at 150 ℃ | Pass | Penetration(25 ℃)/(0.1 mm) | 78.5 | 60-80 | Pass | |
| Water absorption | 0 | ≤0.3 | Pass | Softening point/℃ | 72.4 | ≥75 | Pass | |
| Saturated brine resistance | 0.1 | ≤1 | Pass | Ductility/cm | 40(5 ℃) | ≥30 | Pass | |
| Sieve size/mm | 16 | 13.2 | 9.5 | 4.75 | 2.36 | 1.18 | 0.6 | 0.3 | 0.15 | 0.075 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Passing rate(by mass)/% | 100.0 | 92.0 | 81.8 | 47.6 | 33.4 | 28.3 | 21.7 | 15.5 | 11.7 | 7.2 |
依据JTG E20—2011《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》，将成型试件切割成尺寸为30 mm×35 mm×250 mm的小梁试件.将其置于具有一定刚度的平面上，以防变形.存放温度不高于35 ℃，存放时间不超过30 d.
选用水溶液（water）及中国最常用的3种融雪剂——氯化钠（NaCl）、乙酸钾（CH3COOK）和无水氯化钙（CaCl2）进行冻融循环和盐冻融循环试验.3种融雪剂的基本指标见
| Type | Appearance | Purity specification | Relative molecular mass | pH value(25 ℃) | Freezing point/℃ | Solubility (20 ℃)/% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| NaCl | White crystal | Analytical pure | 58.44 | 5.0-8.0 | -21 | 23.0 |
| CH3COOK | White crystal | Analytical pure | 110.99 | 8.0-10.0 | -11 | 30.1 |
| CaCl2 | White pellet | Analytical pure | 98.14 | 7.0 | ≤-27 | 52.9 |
冻融条件下，试件采用常温浸水96 h的饱水处理方式来代替真空条件下的饱水处理方
以“溶液种类‑融雪剂质量分数‑冻融循环次数‑沥青混凝土种类”对试件进行编号.如编号Water‑0‑5‑EAC表示在融雪剂质量分数0%的水溶液中冻融循环5次的EAC试件.其他试件编号以此类推.冻融循环、盐冻融循环及其对照组施加环境汇总见
| Environment | Type of snow‑melting agent | w(snow‑melting agent)/% | Number of freeze‑thaw cycle/times |
|---|---|---|---|
| Non freeze‑thaw | 0 | 0 | |
| Freeze‑thaw | Water | 0 | 5/10/15/20 |
| Salt freeze‑thaw | NaCl | 4/8/12 | 5/10/15/20 |
| CH3COOK | 4/8/12 | ||
| CaCl2 | 4/8/12 |
采用多功能材料试验系统，对冻融循环和盐冻融循环作用下的小梁试件进行三点弯曲重复加载试验，同时采用DIC进行同步实时观测；采用SEM对加载后的EAC及SBSMAC试件疲劳开裂处进行微观形貌分析. 详细试验方案如下.
（1）三点弯曲重复加载试验
选用UTM‑100型多功能材料试验系统并采用跨径为200 mm的中心加载方式.应力比为0.3（EAC试件最大加载应力0.36 kN，SBSMAC试件最大加载应力0.24 kN），加载波形为无间隔的半正弦波，频率为10 Hz，环境箱温度为15 ℃.
（2）DIC同步实时观测
利用VIC‑3D软件进行.具体步骤为试件刷涂散斑→标定板标定→CCD高速相机图像采集→VIC‑3D软件图像分析与数据处理.
（3）SEM微观形貌分析
对各试件进行切割，得到尺寸为10 mm×10 mm×10 mm的试样，采用Quanta 650FEG型场发射扫描电子显微镜，观察其断裂面的微观形貌.
基于损伤力学理论，采用劲度模量（E）分析沥青混凝土小梁试件的疲劳寿
| （1） |
基于劲度模量衰减量相对变化率计算结果，绘制未冻融条件下小梁试件的E‑N和D1‑N曲线，如
图1 2种沥青混凝土小梁试件的E‑N和D1‑N曲线
Fig.1 E‑N and D1‑N curves of two kinds of asphalt concrete beam specimens
为此，本文对未冻融条件下沥青混凝土小梁试件的D1‑N曲线拟合函数进行求导处理，发现D1‑N曲线的二阶导数具有明显分界点，由此可得到小梁试件的疲劳损伤阶段. 基于2种沥青混合料小梁试件D1‑N曲线多项式拟合函数的一阶、二阶导数曲线如
图2 基于2种沥青混凝土小梁试件D1‑N曲线拟合函数的一阶、二阶导数曲线
Fig.2 First and second derivative curves of polynomial fitting function based on D1‑N curves of two kinds of asphalt concrete beam specimens
由
为进一步明确沥青混凝土疲劳裂纹扩展阶段的变化趋势，对小梁试件损伤因子进行一阶求导处理.
为进一步验证与分析沥青混凝土小梁试件疲劳损伤的分界点（点A、B、C），采用DIC观测未冻融条件下小梁试件3个分界点处的水平应变特征云图，如
图3 未冻融条件下2种沥青混凝土小梁试件分界点处的水平应变特征云图
Fig.3 Horizontal strain characteristic cloud diagrams of two kinds of asphalt concrete beam specimens’ demarcation points under non freeze‑thaw conditions
由
以上分析表明，基于沥青混凝土小梁试件宏观试验损伤因子拟合函数导数曲线所得分界点，来确定其疲劳损伤阶段的方法，与DIC特征云图具有良好的对应性.说明该方法是一种正确可行的新方法，为在条件受限情况下精确划分沥青混凝土损伤阶段提供了理论基础.
冻融循环和盐冻融循环作用下，2种沥青混凝土小梁试件分界点处的循环加载次数如
图4 冻融循环和盐冻融循环作用下2种沥青混凝土小梁试件分界点的循环加载次数
Fig.4 Number of cyclic loading times at the demarcation points of two asphalt concrete beam specimens under the
conditions of freeze‑thaw cycles and salt freeze‑thaw cycles
由
（1）EAC和SBSMAC的NA、NB、NC与疲劳寿命（Nf）的比值NA /Nf =（17±1）%、NB /Nf =（51±2）%、NC /Nf =（81±3）%，说明2种材料在不同阶段的疲劳寿命占比基本一致，两者疲劳演化规律具有一定相似性；在不同循环条件下，EAC的NA、NB、NC较同条件下SBSMAC约有100%的增长，表明EAC比SBSMAC拥有更好的抵抗材料损伤的能力.
（2）EAC和SBSMAC的NA、NB、NC随着冻融循环作用次数的增加而减少，依次呈现加速衰减、减速衰减和匀速衰减；两者的抗疲劳性能显著衰减阶段均发生于冻融循环10~15次之间，当冻融循环作用次数超过15次后衰减速率趋于稳定.
（3）3种融雪剂中CH3COOK对EAC和SBSMAC性能的影响最小. 因此，在积雪冰冻地区建议使用CH3COOK替代传统氯盐类融雪剂（NaCl和CaCl2），以减轻对路面疲劳损伤的影响.
（4）当冻融循环次数低于15次、融雪剂为CaCl2或NaCl时，EAC和SBSMAC的NA、NB、NC在融雪剂质量分数小于等于8%时快速下降，8%~12%时小幅上升.表明融雪剂CaCl2或NaCl质量分数为8%时，对EAC和SBSMAC性能的影响显著.
为精确评价EAC和SBSMAC抵抗疲劳开裂的能力，分析冻融循环作用下2种沥青混凝土小梁试件在不同开裂阶段的疲劳寿命占比，结果见
图5 冻融循环作用下2种沥青混凝土小梁试件在不同开裂阶段的疲劳寿命占比
Fig.5 Proportion of fatigue life span of two kinds of asphalt concrete beam specimens at different cracking stages under freeze‑thaw cycle conditions
由
（4）冻融循环次数在10~15次时，EAC的疲劳寿命下降幅度大于SBSMAC，此时应注意EAC的养护干预；当冻融循环次数超过15次后，EAC的疲劳寿命衰减速率趋于稳定，表现出更好的抗冻融能力.
为分析融雪剂质量分数对EAC和SBSMAC疲劳开裂性能的影响，选择在最不利条件（冻融循环次数为20次且融雪剂为NaCl）下，SEM观测沥青和集料的表观形貌及沥青混凝土断裂面的微观形貌，SEM照片见
图6 沥青和集料的表观形貌及沥青混凝土断裂面的微观形貌
Fig.6 Apparent morphology of asphalt and aggregate， as well as the microscopic morphology of fracture surface of asphalt concrete
由
由
由
（1）在相同路用环境下，相比SBS改性沥青混凝土（SBSMAC），环氧沥青混凝土（EAC）具有更强的抵抗疲劳开裂的能力.
（2）在宏观层面上，由EAC和 SBSMAC小梁试件损伤因子一阶、二阶导数得到3个损伤分界点（A、B、C），由此划分的疲劳损伤阶段与在细观层面上的DIC特征云图具有良好的对应性.因此，DIC特征云图为在条件受限情况下精确评价沥青混凝土损伤特性提供了理论基础.
（3）EAC小梁试件的宏观裂纹起裂点及微裂纹扩展点所反应出的抗疲劳性能均优于SBSMAC小梁试件，表明前者比后者拥有更好的抵抗材料损伤的能力.
（4）在积雪冰冻地区传统氯盐类融雪剂（NaCl和CaCl2）对道路影响最显著，而乙酸钾（CH3COOK）影响最小，因此在沥青路面的融冰除雪作业中可以考虑使用CH3COOK替代氯盐类融雪剂，以减轻路面的疲劳损伤.
（5）EAC断裂面处的微观形貌优于SBSMAC.当在融雪剂CaCl2或NaCl质量分数为8%时，试件断裂面集料破碎程度最为严重，与其宏细观疲劳损伤特性规律一致.
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