贵州沥青路面施工告诉你沥青混合料疲劳裂缝分布特性研究

贵州沥青路面施工告诉你沥青混凝土路面开裂包括低温开裂和疲劳开裂两种，疲劳开裂被认为是导致路面产生裂缝的最主要原因。疲劳开裂主要是因为路面材料在车辆荷载的重复作用下达到疲劳极限而破坏，一般始于微裂缝，在拉、剪应力或两者组合作用下，发展成为宏观裂缝并持续增长，最终导致沥青混凝土路面产生大面积破坏。目前，对于裂缝的研究包括材料断裂机理、断裂判断方法、裂缝发展规律以及裂缝的检测、测量算法等。裂缝的检测方法主要有目测法、超声波法和摄影法等多种无损检测技术。随着计算机技术的快速发展，以数字图像处理技术为基础的裂缝测量方法具有非接触式、高精度和快捷直观等优点，逐渐成为裂缝检测的主要技术手段。

四点弯曲疲劳试验作为美国SHRP沥青混合料疲劳性能评价的标准室内试验方法，沥青混合料小梁试件加载过程中，试件会逐渐产生裂缝并不断发展。因此，本研究基于四点弯曲疲劳试验，对沥青混凝土材料疲劳破坏裂缝的特征与发展规律进行定性、定量分析，将有助于更深入地了解疲劳破坏机理，有针对性地进行抗疲劳功能型沥青混合料的设计，预防或延缓沥青混凝土路面裂缝的产生，增加沥青混凝土路面的使用寿命。

四点弯曲疲劳试验与原材料

试验设备采用英国沥青混合料设备生产厂商CooperResearch Technology有限公司制造的COOPER试验机。试件的制作主要包括沥青混合料拌和、碾压成型和试件切割3个步骤，根据SHRPM-009标准对疲劳试件尺寸的要求，本次制作的小梁试件尺寸为385mm×65mm×50mm。沥青混合料类型主要有70号普通沥青混凝土AC-13C、浇筑式沥青混凝土AC-13C、环氧沥青混凝土AC-13C和SBS改性沥青混凝土AC-16C等4种，共120余根小梁试件。在四点弯曲疲劳试验完成后，取出小梁试件用CCD数码相机拍摄其侧表面获取贯穿裂缝的图像，然后通过数字图像处理技术，对疲劳裂缝进行识别、测量和分析。

图像处理与裂缝辨识

基于数字图像处理技术对沥青混合料疲劳裂缝进行细观分析，须将混合料图像中产生裂缝的区域从图像中提取出来。由于沥青混合料构成物质较为复杂，其中包含与图像中裂缝像素相近的沥青胶浆等，给裂缝的辨识和检测带来一定困难。因此，须对含有裂缝的沥青混合料原始图像进行滤波去噪、图像增强和灰度调整等图像处理手段，然后进行二值化，转化为黑白位图。目前图像二值化方法有多种，而众多研究认为最大类间方差法为图像处理过程中阈值自动选取的最有效方法。根据裂缝处灰度值比背景灰度值小的特点，通过设置灰度阈值，进行全局前景图像与背景图像的分割，将裂缝从图像中识别并提取出来，获取图像中裂缝的信息。

疲劳裂缝扩展路径分析

混凝土材料疲劳过程就是裂缝在界面区和基体中引发、扩展形成相互贯穿的网络而最终导致破坏的过程。一般将混凝土材料内部的裂缝分为两类，即黏结裂缝和基体(砂浆)裂缝。粗集料与砂浆间的黏结裂缝、细集料与沥青胶浆间的黏结裂缝分别以CrackI和CrackII表示。

在粗集料与砂浆的界面区产生粗大黏结裂缝的同时，附近区域中的细集料与沥青胶浆之间的界面区也会出现短而细小的黏结裂缝。基体裂缝中包含细集料与沥青胶浆间的黏结裂缝，且其两端与粗集料黏结裂缝相连，并不断延伸，直至形成贯穿裂缝。

由于粒径较小，细集料与沥青胶浆间的黏结裂缝较短且难以判别，所以文中黏结裂缝均指粗集料与砂浆之间界面区产生的裂缝。

可以看出，虽然沥青混合料性质各异，但裂缝扩展过程具有以下明显特点：裂缝扩展路径一般为曲线，且扩展路径较长，断面凹凸不平。大部分沥青混凝土试件的疲劳裂缝基本沿矿料之间的界面扩展，黏结裂缝较长，其长度远远超过砂浆裂缝。但是，部分环氧沥青混凝土疲劳试件的裂缝从矿料中间断裂，且裂缝扩展路径接近直线。

研究表明，固化后环氧沥青混凝土的强度能达到普通沥青混合料的十倍以上，且环氧沥青与矿料之间的黏附剪切强度远大于普通沥青。由于环氧沥青与矿料有较好的黏附性，所以部分环氧沥青混凝土疲劳试件的裂缝从矿料中间断裂，断面相对平整，裂缝扩展路径接近直线。但环氧沥青价格昂贵，使用环氧沥青在提高沥青混合料路用性能的同时，工程造价也会大大增加。

疲劳裂缝长度统计分析

贵州沥青路面施工告诉你为研究沥青混合料疲劳试件裂缝特征与发展规律，需对混合料裂缝分布情况进行定量分析。由于裂缝断口处集料被沥青胶浆包裹，集料边界模糊而难以辨认，无法精确统计疲劳裂缝断口中黏结裂缝和砂浆裂缝的面积比。所以，本文选择沥青混合料疲劳试件侧表面贯穿裂缝作为研究对象，以贯穿裂缝的总长度L和黏结裂缝长度占裂缝总长度的比例η这两个指标进行统计分析。

除环氧沥青混凝土疲劳试件外，对120余根不同沥青混合料四点弯曲疲劳试件的侧表面贯穿裂缝进行识别和测量统计，结果表明裂缝最小长度为66.8mm，最大长度为84.2mm。并采用Gauss(正态)分布函数描述疲劳试件裂缝长度分布。

对概率密度函数曲线与频数分布直方图的接近程度进行分析，应用SPSS非参数检验中的Kolmogorov-Smirnov假设检验方法(简称KS检验)和Chi-square假设检验方法(简称卡方检验)进行拟合优度评价。

KS检验和卡方检验的结果表明，Gauss(正态)分布在5%置信度水平下对疲劳试件侧表面贯穿裂缝总长频数分布直方图的拟合过程，均通过了假设检验，表明Gauss(正态)分布是沥青混合料疲劳试件侧表面贯穿裂缝长度频数分布拟合较合适的概率密度分布函数。

通过对疲劳试件侧表面贯穿裂缝及黏结裂缝长度的定量分析可见，对于沥青混合料，疲劳裂缝主要为黏结裂缝，其长度占裂缝总长的60%~70%。由于集料和沥青砂浆材料性质的差异，导致界面过渡区是沥青混合料中的薄弱位置，在拉应力的作用下此区域更容易开裂。正是由于界面过渡区的存在，沥青混合料破坏时的强度远低于集料抗拉强度。

由于界面过渡区预先存在大量的孔隙和微裂缝，是外加荷载作用下裂缝的发源地。如果沥青和集料的黏结性能较差，即使很小的拉应力也会导致微裂缝开始沿着骨料与砂浆界面扩展。另外，由于孔隙和微裂缝的存在，导致界面区不能再进行应力传递，因此界面过渡区对沥青混合料的刚度弱化效应明显。所以，在抗疲劳功能型沥青混合料设计过程中，增强沥青砂浆与集料的黏结性，可有效提高沥青混合料的整体抗拉强度，预防或延缓沥青混凝土路面裂缝的产生，增加沥青混凝土路面的使用寿命。

疲劳裂缝的分形特征

目前分形维数多采用实测的方法获得，有多种测量方法。数格子法(计盒维数法)作为分形维数测量的最基本方法，具有计算简单、便于计算机识别与分析等优点，其基本原理为：以边长为ξ的方格网覆盖需要测量的图形，计算出边界曲线内发生重叠的网格数Ｎ(ξ)；不断缩小网格边长，得到一组不同尺度ξ下的重叠网格数Ｎ(ξ)。

在双对数坐标中对ξ和N(ξ)进行线性回归，得到回归直线方程的斜率为α，则分形维数D=-a。基于图像处理技术，采用计盒维数法对沥青混合料疲劳裂缝进行分析。(1)采用边长为ξ的正方形网格将二值化后的裂缝图像进行分隔。(2)统计图像中含有裂缝的网格(盒子)数N1。(3)改变ξ值，将网格缩小为原来的1/2，计算得到N2。重复此过程，将网格不断变小，得到一组(ξ，Nn)数据。(4)利用最小二乘法求出lgNn相对lgξ的斜率，即得到盒维数。

可知，lg(1/ξ)和lgN(ξ)呈现良好的线性相关关系，分形维数为拟合直线斜率，即分形维数1.114。对本次不同类型沥青混合料小梁试件的侧表面贯穿裂缝进行合维数计算，发现双对数坐标系下lg(1/ξ)和lgN(ξ)均呈现良好的线性相关关系，分形维数在1.0~1.5之间，沥青混合料疲劳裂缝具有良好的分形特性。

结语

(1)普通沥青混合料疲劳裂缝扩展路径一般为曲线，基本沿矿料之间的界面扩展，断面凹凸不平。由于环氧沥青与矿料有较好的黏附性，环氧沥青混凝土疲劳试件的裂缝从矿料中间断裂，裂缝扩展路径接近直线，断面相对平整。

(2)集料和沥青砂浆的界面过渡区存在大量的孔隙和微裂缝，是沥青混合料的薄弱位置，在拉应力的作用下此区域很容易开裂。在抗疲劳功能型沥青混合料设计过程中，增强沥青砂浆与集料的黏结性，可有效提高沥青混合料的整体抗拉强度，预防或延缓沥青混凝土路面裂缝的产生，增加沥青混凝土路面的使用寿命。

(3)沥青混合料疲劳试件侧表面贯穿裂缝长度频数分布可用Gauss(正态)分布进行描述，黏结裂缝长度占裂缝总长的60%~70%，远远超过砂浆裂缝。

(4)贵州沥青路面施工告诉你沥青混合料疲劳裂缝具有良好的分形特性，分形维数在1.0~1.5之间。