沥青混合料中胶浆疲劳破坏与变形分析_李佳

1、第12卷第35期2012年12月16711815（2012）35-9585-06科学技术与工程Science Technology and EngineeringVol. 12No. 35Dec2012 2012Sci. Tech. Engrg.交通运输沥青混合料中胶浆疲劳破坏与变形分析李佳张肖宁（华南理工大学土木与交通学院，广州510640）摘要沥青胶浆的特性对沥青混合料的疲劳性能有着重要影响。采用四点弯曲疲劳试验，结合数字图像相关方法，获取沥青混合料小梁试件底面加载过程中的位移场，提出适用于沥青胶浆的应变计算方法。通过累计耗散能比DER 曲线判断疲劳破坏，将破坏前沥青胶浆应变与混合料应变进

2、行对比。分析结果表明胶浆应变整体均大于混合料平均应变，在加载初期两者相差不大，达到疲劳破坏时胶浆应变约为混合料平均应变约3到5倍。为了评价胶浆变形对整体变形的贡献，采用数字图像处理技术从灰度图中提取出胶浆并算出面积，计算出胶浆变形大小占整体变形的比例，证明了混合料变形主要来自胶浆变形。关键词沥青胶浆数字图像相关方法累计耗散能比疲劳应变中图法分类号U416. 217；文献标志码A2012年8月13日收到国家自然科学基金（E080703）资助第一作者简介：李佳（1989），女，硕士研究生，研究方向：道路工程。E-mail ：flyinglj0606163com 。数字图像相关方法DIC （Digi

3、tal Image Correla-tion ）是20世纪80年代初由W. H. Peters 和W. F. Ranson 等人提出的1。该方法由图像采集系统和相关计算算法组成，通过采集变形前后的图像，利用被测物体表面变形前后数字图像中细微的灰度变化从而获得被测试件表面的位移场，是一种方法简单、操作方便且精度满足的非接触式全场光学测量方法2。近十几年来，国内外很多学者利用该研究方法对沥青混合料性能进行研究36，但都将沥青混合料视为均质材料。在传统疲劳试验中，如间接拉伸试验、中点加载小梁弯曲试验、四点弯曲疲劳试验等，同样未能考虑到沥青混合料的各向异性。实际上，沥青混合料是由沥青胶浆、骨料与空隙组

4、成的各向异性材料，骨料为强度和硬度较高的、脆性的、高弹性模量材料，胶浆是强度和硬度较低的、韧性的、低弹性模量材料。胶浆在沥青混合料中所占比例虽不大，但对路面疲劳性能起着十分重要的作用。所以很有必要把胶浆从沥青混合料中分离出来，单独对其疲劳变形进行研究。结合数字图像相关方法，采用应力控制的四点弯曲试验，计算出沥青混合料小梁试件加载过程中的位移场，提出适用于沥青胶浆的应变计算方法，通过累计耗散能比DER 曲线判断疲劳破坏，将破坏前沥青胶浆应变与混合料应变进行了对比。采用数字图像处理技术提取出胶浆面积，计算出胶浆变形占整体变形的比例。1数字图像相关方法简介1. 1数字图像相关方法原理数字图像相关方法

5、测量系统如图1所示。利用CCD 相机获取变形前与变形后图像，在变形前的图像中，取以所求位移点（x ，y ）为中心的（2M +1） （2M +1）的矩形子区，通过一定的搜索方法及相关函数对变形后的目标图像进行相关计算，寻找与参考子区相关系数为最大值或最小值（取决于所选择的相关函数）的目标图像子区，且该子区以（x ' ，y ' ）为中心。进而可以确定参考图像子区中心点的x 和y 方向的位移分量u ，v ，如图2所示。为了评价变形前后图像子区的相似程度，定义标准化协方差相关函数（1），其取值范围为1，1。 图1数字图像测量系统图2变形前后位移示意图C （u ，v ）=Mx =MMy

6、=Mf （x ，y ）f m g （x +u ，y +u ）g m x =My =Mf （x ，y ）f m 2x =My =Mg （x +u ，y +v ）g m 21（1）式（1）中f （x ，y ），g （x +u ，y +v ）为各像素点灰度；f m ，g m 为计算窗口的平均灰度值。u ，v 为模板中心的整像素位移。由于数字图像记录的是离散的灰度信息，在利用式（1）进行相关搜索时，只能以整像素为单位进行，因此所获得的位移u ，v 只能是像素的整数倍。为了获取更高的位移精度即亚像素位移精度，可通过Newton-Rapson 法或基于梯度的亚像素法，从而得到更精确的位移计算结果7。1.

7、2沥青胶浆应变计算方法在数字图像相关方法中，可根据位移场计算得出应变场，常见的计算方法主要有Newton-Rapshon （N-R ）算法直接计算应变，对位移场先进行平滑去噪后再差分计算应变，对位移场进行局部最小二乘方法计算应变等。潘兵，等7对不同计算方法进行对比，认为局部最小二乘法可更好地滤除离散位移数据中的噪声，得到较好的平滑效果。其基本思想就是用二维多项式对离散位移数据的一个局部子域（称之为应变计算窗口）进行分片逐点拟合，利用最小二乘法得到拟合多项式的系数，进而得到拟合区域中间点的对应值和各阶导数，即为该点的应变值8。如前所述，胶浆模量与集料模量相差较大，因此在相同荷载下变形情况不同，若

8、直接采用最小二乘法对位移场进行拟合，应变计算窗口在骨料和胶浆的界面处即有骨料又有胶浆，计算出骨料也有较大变形，不符合实际情况。针对此情况，可读取试件底部灰度图中胶浆坐标，将胶浆位移从整体位移场中分离出来，单独进行应变计算，从而提高胶浆应变计算精度。2基于累计耗散能量比DER 判断沥青胶浆疲劳破坏疲劳可看作能量消耗过程，即外界提供能量改变材料内部的缺陷数量与分布状态，在宏观上表现为疲劳损伤的产生与演化。能量的可加性使描述材料的损伤过程变得简便，且能量耗散反映了疲劳现象的不可逆热力学本质，因此能量方法是研究疲劳问题的重要方法。常用的基于能耗理论的疲劳参数主要有：疲劳因子G sin 、累计耗散能量比

9、DER 、耗散能变化率等。在Superpave 试验规程中疲劳因子G sin 参数是在线性黏弹性范围内用小应变测得，不适合本实验采用的应力控制模式；耗散能变化率虽对应力控制模式有效，但破坏点规定不明确9。基于以上考虑，现选用累计耗散能量比DER 作为疲劳判断参数。Pronk 等基于式（3）对累计耗散能量比进行定义10。在初始加载阶段由于损伤很小可忽略不计，因此每个加载周期的耗散能w i 近似于一个常数，令w i =w n ，ni =1w i =nw n ，则DER 与加载次数N 的关系近似为一直线，且斜率近似为1；之后因新出现的损伤消耗了能量，使得斜率逐渐偏离K =1的直线。NCHRP459报

10、告认为在应力控制模式中，初始生成6859科学技术与工程12卷裂纹阶段所需要的加载次数为DER 曲线开始偏离无损直线DER =N 到偏离比例为20%时对应的加载次数11。袁燕等人12对三种不同沥青材料进行分析，结果表明采用DER 反弯点确定疲劳寿命更具有合理性，即在反弯点作DER 曲线的切线，该切线与直线DER =N 相交，交点即为沥青胶浆从初始阶段到裂缝开始产生阶段的转折点，从而判断疲劳寿命。DER =ni =1w i w n（3）式（3）中，w i 为第i 次加载循环消耗的耗散能；w n 为第n 次价循环消耗的耗散能。3试验设计试件类型为AC 16。集料采用河源裕丰石场出产的花岗岩，矿粉采用

11、石灰岩矿粉，沥青为泰普克70#沥青。沥青含量为4. 6%，矿粉含量为6. 5%。集料级配如表1所示。表1沥青混合料矿料级配粒径/mm设计级配通过百分率/%191001695. 513. 289. 59. 567. 94. 7545. 62. 3634. 21. 1825. 00. 617. 30. 312. 10. 156. 60. 0755. 0按照规范采用轮碾法制作沥青混合料板块试件，大小为400mm 300mm 75mm ，采用双面锯切割成四根380mm 65mm 50mm 的小梁试件，编号为A 、B 、C 、D 。在15 恒温下养护4h 后进行四点弯曲疲劳试验。加载设备采用MTS （M

12、aterial Test System ）材料试验系统。获取图像设备采用CCD 数码相机canon 5D Mark II 。试验采用应力控制的连续偏正弦加载模式。设置最大应力值为300N ，最小应力值为100N ，加载频率10Hz 。在四点弯曲疲劳试验中，试件纯弯曲段底面承受最大拉应变，在底部薄弱处最先产生疲劳裂缝，因此选取试件底面作为分析对象。在加载过程中，每间隔5s （即50个循环）获取一次小梁底面的变形图像。为了获取分析区域的像素大小与实际尺寸的关系，加载前在试件底部放一直尺并获取图像。经对比，本实验中侧面125pixel 实为1cm 。值得注意的是，为了保证得到高精度的位移测量结果，在

13、试验中应保证CCD 相机镜头面与小梁试件侧面平行，同时保持照明光源的均匀与稳定。保持CCD 数码相机位置不动，以避免相机的抖动对位移计算的干扰。4试验结果分析采用Matlab 软件将获取的图像转化为灰度图，在试件底面图像的纯弯曲段选取分析子区，如图3所示。根据数字图像相关方法，取加载前图像为参考图像，加载后图像为变形后图像，计算出各图像变形后的u 、v 位移值。在试件底面图像上读取沥青胶浆的坐标，从位移场数据中选取对应坐标处位移值，计算出胶浆应变与累计耗散能比DER 。试件C 数据出现明显的离散性，不予于考虑 。图3图像分析区域示意图4. 1沥青胶浆疲劳破坏判断对累计耗散能比DER 值进行多项

14、式拟合，如图4所示。从图中可看出，在加载初始阶段DER 值逐渐增大，且逐渐偏离DER =N 曲线，与理论分析有差距。分析可能原因为本试验加载应力水平较高，沥青混合料较快产生疲劳损伤，消耗掉了更多的能量。此外，分析对象为沥青混合料中分离出的沥青胶浆，不同于之前研究者直接单独研究沥青胶浆，这也可能是DER 曲线较早偏离直线DER =N 的原因。随着裂纹的逐渐扩张，每个循环下的耗散能有了显著的增加，沥青已经进入了完全破坏期。在拟合曲线反弯点处作切线与DER =N 相交，交点对应加载时间即为疲劳破坏时间，试件A 、B 、D 破坏时间分别为3. 1min 、3min 、4. 2min （图4）。4. 2

15、沥青胶浆应变分析785935期李佳，等：沥青混合料中胶浆疲劳破坏与变形分析 图4累计耗散能比拟合曲线及破坏判断图5为胶浆与沥青混合料应变曲线。从图中可看出，随着加载时间增大，胶浆应变呈非线性增长，且整体上均大于沥青混合料平均应变值。加载初期，胶浆应变略大于混合料应变，随后应变相差倍数变大。根据上述胶浆疲劳破坏判断，可得到破坏时胶浆应变与混合料应变值，如表2所示。数据表明，发生疲劳破坏时胶浆应变平均值为2. 53 104，混合料应变平均值为8. 42 103，胶浆应变约为混合料应变的三到四倍。图5胶浆与混合料应变对比曲线表2开裂时胶浆应变与混合料应变大小AB D 胶浆平均应变/1042. 961

16、. 812. 81沥青混合料应变/1031. 086. 537. 93比值2. 732. 783. 55根据应变定义，取胶浆应变为均值，则胶浆变形总值't =ni =1' i t i'=ni =1t i ' ，混合料整体变形t =t 。则胶浆变形占总体变形的比值' t /t ='ni =1' i t i '/t 。因试件底面受到沿水平中轴方向的弯拉作用，在横向变形较小可忽略不计的情况下，可近似以胶浆与混合料的面积比代替长度比，所以，t ' /t =' A ' /A 其中A '为胶浆面积，A 为混合料

17、总体面积。胶浆面积计算可采用数字图像处理8859科学技术与工程12卷技术，主要包括图像获取、图像处理和图像分析13，其中数字图像处理主要有图像增强14，图像分割15，16及后处理等操作。本文进行图像分割时采用双峰法进行计算17，确定区分空隙与沥青砂胶的阈值T 1及区分沥青砂胶和集料的阈值T 2后提取出胶浆图像，如图6所示，进而计算得出胶浆面积占混合料面积比值，求出胶浆变形占混合料变形的比值。如表3所示。从表中可看出胶浆与混合料面积比平均值为0. 248，近似与按级配计算的体积比0. 25。胶浆与混合料变形比平均值为0. 75。说明混合料的变形主要来自胶浆，因此提高胶浆的疲劳性能对混合料整体疲劳

18、性能将有很大改善 。图7分离后沥青胶浆图像表3底面胶浆占混合料纯弯段面积比AB D 胶浆面积/103mm 23. 503. 673. 38胶浆与混合料面积比0. 2470. 2590. 239胶浆与混合料变形比0. 670. 720. 855结论结合数字图像相关方法，计算出试件底部位移场，提出了适用于胶浆应变的计算方法，将胶浆应变从混合料整体中分离出来，弥补了以往试验中将沥青混合料视为均质材料的不足，为沥青混合料各向异性分析提供了新的途径。根据累计耗散能比DER 曲线，判断疲劳初始阶段向裂缝扩展阶段的转折点，确定疲劳破坏前胶浆应变与混合料应变。分析表明，胶浆应变整体均大于混合料应变，发生疲劳破

19、坏时胶浆应变约为混合料应变的3到4倍。此外，采用数字图像处理技术提取并计算出胶浆面积，得出胶浆变形与混合料总体变形比值，试验结果表明，胶浆对混合料整体疲劳性能有重要影响，因此可推断在分析沥青混合料疲劳性能时可重点研究沥青胶浆性能。参考文献1Pan B ，Qian K M ，Xie H M ，et al . Two dimensional digital image correlation for in plane displacement and strain measurement ：a re-view. MeasureSciTechnol ，2009；20（6）：0620011 06200

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25、200117李晓军. 沥青混合料破损识别与仿真R . 广州：华南理工大学博士后研究报告，2004985935期李佳，等：沥青混合料中胶浆疲劳破坏与变形分析9590 科 学 技 术 与 工 程 12 卷 Fatigue Damage and Deformation of Binder Separated from Asphalt Concrete LI Jia，ZHANG Xiaoning （ Civil and Traffic Institute，South China University of Technology，Guangzhou 510640 ， P R China） Abstrac

26、t The quality of binder is great importance to fatigue property of asphalt concrete. Based on digital image correlation （ DIC ） method，displacement field of specimen bottom is captured during loading in the four point and a new strain calculation method is put forward suitable for the binder. The fa

27、tigue damage is deterfatigue test， mined according to the curve of dissipation energy ratio （ DER ） ，and the strain of binder and asphalt concrete is compared before fatigue damage. It is calculated that the strain of binder is bigger than asphalt strain in the whole， at the beginning of loading，bot

28、h of the strain is close，however，the strain of binder is about three to four times at the damage point. To evaluate the impact of binder transformation on asphalt concrete，the binder is separated from grayscale with digital image processing technique，then the ratio between binder and asphalt concret

29、e transformation is calculated，it is proved that the transformation of asphalt mainly comes from binder. Key words asphalt binder digital image correlation （ DIC ） dissipation energy ratio （ DER ） fatigue strain 檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸 （ 上接第 9584 页） Test Study on the Water Sta

30、bility of Weathered Mudstone Used as Subgrade Filling Materials 2 2 CHEN Tao1， ， ZHANG Wenhui1， ，LAN Riyan3 ， 2 YE Qiongyao3 ， WANG Yakun1， （ Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering1 ， and Geotechnical Research Institute2 ，Hohai University，Nanjing 21098 ，

31、P R China； Guangxi Communications Planning Surveying And Designing Institute3 ， Nanning 530011 ， P R China） Abstract In some sections of constructed expressway of Guangxi， weathered mudstone is used as subgrade fill- ing material so that certain roadbed diseases such as pavement crack happen enormously. In order to discuss the feasibility of filled subgrade with weathered mudstone， the basic physic