预测沥青混合料在干湿循环作用下的断裂温度：基于SCB试验的框架

《Cold Regions Science and Technology》：Predicting the fracture temperature of asphalt mixtures under wet-dry cycles: An SCB test-based framework

湿干循环通过SCB-FE联合模型预测沥青混合料低温断裂温度，发现循环次数增加导致断裂能量下降28.62%，且短时浸水循环加速脆性破坏。

　　

郭青林|张莉|李莉莉|安宝平|刘志勇|李帅鹏|宋正

河北工程大学土木工程学院，中国邯郸056038

摘要

降水引起的湿干循环会引发沥青层的水分损害，并加速沥青混合料的热裂化。沥青混合料的热裂化抗性与其断裂温度密切相关。因此，通过半圆形弯曲（SCB）试验研究了湿干循环对低温断裂韧性和能量的影响。基于在不同温度（从-30°C到25°C）下的SCB试验结果，结合有限元（FE）方法开发了一种预测断裂温度的新框架。定义了一个转换系数，将SCB抗弯强度转换为热应力受限试样试验（TSRST）的直接抗拉强度。预测了受湿干循环影响的沥青混合料的断裂温度。结果表明，湿干循环会导致断裂韧性和断裂能量的降低。即使是在短期内多次浸水循环，也会对沥青混合料造成严重的水分损害。断裂能量对每次湿干条件的变化都更为敏感。对于密实混合料，确定的转换系数为2.28。预测结果准确显示，湿干循环会导致沥青混合料的断裂温度升高，频繁的短期浸水循环对此性质有显著影响。这种方法对于评估已经受到水分损害和老化的在役沥青层的低温性能特别有价值。

引言

在低温条件下，沥青混合料的受约束热收缩会产生热应力。一旦这种应力超过其极限强度或热疲劳抗性，就会发生开裂，从而损害路面的结构完整性。沥青混合料的低温抗裂性决定了其在寒冷地区的服役性能和耐久性。特别是，由降雨或地下水分引起的湿干循环会促进沥青膜从骨料上剥离，这显著削弱了混合料的粘结性能及其抗低温开裂的能力。因此，研究沥青混合料在湿干循环下的低温抗裂性可以为提高其耐久性提供重要的科学依据。

许多研究已经证实了水分对沥青混合料低温性能的负面影响。Kim等人（1994年、2012年）发现，水分通过SCB试验对沥青混合料的低温强度有负面影响，导致抗裂性下降。在水分的影响下，沥青混合料的粘结强度会持续恶化，从而形成不可逆的裂纹。López-Montero和Miró（2016年）使用直接抗拉试验（DTT）指出，水分削弱了沥青混合料的刚性、韧性和失效应变。他们认为，仅用一个参数不足以评估水分损害，可以采用能量比来评估水分处理后的沥青混合料的抗裂性（Birgisson等人，1891年）。这些结果表明，水分显著改变了沥青混合料的力学性能，尤其是在低温下（Song等人，2024年；Song等人，2023年；Luo等人，2023年；Wu等人，2024a年）。然而，上述研究采用的是连续浸水处理方法，尽管这种方法可以解决水分对低温性能的影响，但这种长时间的浸水往往会高估水分对沥青混合料损害的程度。

实际上，沥青层很少处于持续饱和的状态。相反，由于降雨后的蒸发和排水作用，它们会经历间歇性的湿干循环。Guo等人（2020a年）的研究表明，在湿干循环的干燥阶段，水分会持续扩散，这意味着水分扩散在干燥过程中不会停止。此外，湿干循环更可能导致混合料内部积水，从而在沥青混合料中提前形成微裂纹（Guo等人，2023年）。因此，湿干循环也会引起水分损害，这种影响不仅持久，而且需要认真对待其不利影响。

研究表明，湿干循环加速了沥青混合料低温断裂性能的恶化。Wu等人（2024b年）发现，湿干循环通过SCB试验降低了沥青混合料在低温下的断裂韧性，但经过四次循环后这种影响趋于稳定。氯化盐会加剧湿干循环的不利影响。Guo等人（2025年）使用非对称半圆形弯曲（ASCB）试验确定了湿干循环对沥青混合料混合断裂性能的影响。湿干循环导致中温断裂韧性增加，但低温断裂韧性降低。湿干历史还导致刚度模量和间接抗拉强度下降，衰减幅度高度依赖于具体的循环制度（Guo等人，2024年）。Hu和Wu（2024年）关注了湿干历史对沥青混合料低温性能的影响，量化了性能的下降程度，发现经过八次循环后断裂能量可降低多达28.62%。他们强调，这种不利影响在几次循环后趋于稳定。Yan等人（2024年）指出，沥青混合料的低温抗裂性在湿干循环下会恶化。最初的循环会导致沥青老化，增加粘合剂的刚度和脆性。长期的湿干循环会逐渐侵蚀沥青-骨料界面，导致动态模量和热裂化抗性显著下降。上述分析表明，由于SCB和间接抗拉（IDT）试验具有实用性和易于实施的特点，它们是评估湿干循环对固定温度下强度和断裂能量等性能影响的基本方法。然而，SCB和IDT试验在完全表征沥青混合料的温度依赖性断裂行为方面存在局限性（Chehab和Kim，2005年）。

TSRST试验相比SCB和IDT试验在评估低温性能方面具有明显优势。它能够更接近地模拟低温下沥青层的原位应力状态和开裂机制，提供的断裂温度具有明确的物理意义，是寒冷地区材料选择的关键标准。此外，它能够捕捉材料在整个连续低温范围内的完整粘弹性响应，而不仅仅是某个孤立温度下的响应。相比之下，Feng等人（2020年）虽然通过SCB试验为低至-30°C地区的混合料建立了最小断裂能量阈值，但该参数无法预测具体的断裂温度。尽管Zaumanis和Valters（2020年）发现了SCB试验的断裂韧性与TSRST断裂温度之间的线性相关性，但功能性的预测框架仍然难以实现。这一局限性突显了需要一个新的框架来方便地评估沥青混合料的断裂温度。

基于前述文献综述，本研究将建立一个整合SCB试验数据和FE方法的框架，以预测沥青混合料的断裂温度。然后利用该框架研究不同湿干循环下断裂温度的演变。研究方法如图1所示。

材料

本研究使用最大粒径（NMAS）为13.2毫米的玄武岩骨料制备沥青混合料。骨料的水分吸收率为0.574%。粗骨料、细骨料和填料的表观密度分别为2.694、2.707、2.741克/立方厘米。本研究使用的沥青是来自茂名石油化工公司的AH-70石油沥青，其性能列于表1中。沥青混合料的级配如图2所示。

基于FE方法的虚拟TSRST试验

本文使用虚拟TSRST试验预测断裂温度，相关框架如图5所示。二维均匀模型在ABAQUS中建立，模型尺寸为40毫米×220毫米。在TSRST模拟中，试样两端完全受约束。在网格划分中使用了CPE4元素，并采用Cohesive Zone Model（CZM）元素COH2D4来描述沥青混合料的断裂行为。COH2D4的嵌入过程如图6所示。

湿干循环对断裂性能的影响

水分扩散对沥青混合料的力学性能有显著影响。因此，测量了单次湿干循环后沥青混合料的水分吸收情况，如图9所示。

图9显示，水分吸收率随浸泡时间的增加而单调增加。拟合曲线的比较表明，Fickian扩散理论与实验数据的吻合度优于简单的指数增长模型。

结论

利用SCB试验，本研究评估了湿干循环对沥青混合料低温断裂性能的影响。研究阐明了断裂性能的温度依赖性行为，建立了SCB和DTT模式之间抗拉强度转换的转换框架，从而量化了湿干循环对断裂温度的影响。可以得出以下结论：

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水分吸收逐渐增加

科学写作中生成式AI的声明

作者声明他们在写作过程中没有使用生成式人工智能（AI）和AI辅助技术。

CRediT作者贡献声明

郭青林：撰写——原始草稿，概念构思。张莉：撰写——原始草稿，数据整理。李莉莉：撰写——审稿与编辑，软件处理。安宝平：验证。刘志勇：数据整理。李帅鹏：数据整理。宋正：数据整理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：51508150）的财政支持，以及河北省教育厅科研项目（项目编号：BJK2023062）的资助。