黃衛(wèi)東，鄭 茂，黃 明

（1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海 200092）

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)瀝青混合料疲勞性能的研究大多集中在對(duì)某種瀝青混合料的疲勞性能影響因素研究、疲勞破壞判斷方法以及疲勞方程的總結(jié)性推導(dǎo)，基質(zhì)瀝青及其混合料的疲勞性能研究的較為廣泛和深入，鮮有各種改性瀝青混合料疲勞性能的總體對(duì)比研究，故現(xiàn)有研究結(jié)果對(duì)中國(guó)現(xiàn)行改性瀝青混合料設(shè)計(jì)較少有借鑒作用.Tsai等［1］曾進(jìn)行多種瀝青混合料的疲勞性能對(duì)比試驗(yàn)，混合料所用瀝青為基質(zhì)瀝青、橡膠瀝青和terminal blend（TB）膠粉改性瀝青；Hajj等［2］也曾進(jìn)行過(guò)關(guān)于高分子聚合物改性瀝青混合料和TB膠粉改性瀝青混合料疲勞性能的對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)中是以控制空隙率（體積分?jǐn)?shù)）的方式成型改性瀝青混合料試件，空隙率標(biāo)準(zhǔn)選定為7%.可見(jiàn)，在目前有限的進(jìn)行多種瀝青混合料疲勞性能的對(duì)比試驗(yàn)時(shí)，瀝青種類選取并不全面，混合料成型試件控制指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)選擇的合理性也有待商榷.另外，由于瀝青是一種黏彈性材料，因此瀝青混合料會(huì)隨著往復(fù)應(yīng)力的加載而不斷發(fā)生形變，同時(shí)又無(wú)時(shí)無(wú)刻不在進(jìn)行著自愈合［3－5］.在進(jìn)行瀝青混合料疲勞性能試驗(yàn)研究時(shí)若忽視其自身的自愈合作用影響，有可能造成部分種類瀝青混合料疲勞性能的測(cè)試結(jié)果與真實(shí)情況偏差較大.因此，為更加全面深入地反映多種瀝青混合料的疲勞性能優(yōu)劣，有必要在瀝青混合料疲勞性能測(cè)試中考慮其自身的自愈合作用的影響.

本文共選取了11種瀝青混合料，進(jìn)行了未考慮自愈合作用和考慮自愈合作用的疲勞性能對(duì)比試驗(yàn)研究，以期為疲勞優(yōu)先工況條件下瀝青混合料設(shè)計(jì)及改性劑選擇提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)

1.1 瀝青和改性劑

基質(zhì)瀝青采用70＃埃索瀝青.橡膠瀝青制備中選取浙江金華產(chǎn)40目（380μm）膠粉.TB 膠粉改性瀝青、TB膠粉＋SBS改性瀝青、TB膠粉＋PE（聚乙烯）改性瀝青及TB 膠粉＋巖瀝青改性瀝青制備中一般采用30 目（550μm）或者更細(xì)的膠粉（TB 膠粉）.TB膠粉在瀝青中發(fā)生脫硫反應(yīng).通常情況下TB膠粉改性瀝青在儲(chǔ)油罐中無(wú)需專門攪拌即可保持均勻分散，且儲(chǔ)存穩(wěn)定［6］.

本文所用改性瀝青的改性方案如表1所示.基質(zhì)瀝青及各改性瀝青路用性能均滿足JTG F 40—2004《公路瀝青路面施工技術(shù)規(guī)范》要求.

表1 改性瀝青的改性方案Table 1 Modification scheme of modified asphalt

1.2 集料和級(jí)配

粗集料（粒徑≥2.36mm）采用江蘇溧陽(yáng)玄武巖碎石，細(xì)集料（粒徑＜2.36mm）采用浙江安吉石灰?guī)r碎石，填料使用浙江安吉石灰石礦粉.粗、細(xì)集料各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足JTG F 40—2004規(guī)范要求.

基質(zhì)瀝青混合料采用AC－13和AC－20級(jí)配，硬瀝青混合料采用AC－13級(jí)配，橡膠瀝青混合料采用ARAC－13級(jí)配，改性瀝青混合料均采用AC－13 級(jí)配.橡膠瀝青混合料ARAC－13級(jí)配值采用美國(guó)Arizona州技術(shù)規(guī)范［7］推薦的級(jí)配值，其余瀝青混合料級(jí)配值采用JTG F 40—2004規(guī)范所提供級(jí)配范圍的中值.

1.3 試驗(yàn)方法

瀝青混合料疲勞性能均采用BFA 試驗(yàn)機(jī)（四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)）進(jìn)行測(cè)試.BFA 試驗(yàn)機(jī)為澳大利亞IPC公司產(chǎn)品，采用UTM 軟件系統(tǒng)操作.瀝青混合料試件為385mm（長(zhǎng)）×65mm（寬）×50mm（厚）小梁.

1.4 疲勞壽命判斷方法

Nf50法為AASHTO TP－8標(biāo)準(zhǔn)所推薦的瀝青混合料疲勞壽命判斷方法.Nf50法以50%的初始勁度模量減少作為瀝青混合料疲勞壽命判斷標(biāo)準(zhǔn).

NfNM法為ASTM D 7460標(biāo)準(zhǔn)所推薦的瀝青混合料疲勞壽命判斷方法.NfNM法最先由Rowe等［8］研究提出.在NfNM法中，將瀝青混合料疲勞破壞點(diǎn)定義為混合料歸一化勁度次數(shù)積NM 在NM－荷載次數(shù)圖中的峰值點(diǎn).瀝青混合料歸一化勁度次數(shù)積NM 為：

式中：N 為加載次數(shù)；SN為第N 次加載時(shí)瀝青混合料的勁度模量；S0為瀝青混合料初始勁度模量，取第50次加載時(shí)瀝青混合料的勁度模量；N0為初始加載次數(shù)，取50.

當(dāng)NM 達(dá)到最大值時(shí)，對(duì)應(yīng)的加載次數(shù)NfNM即為瀝青混合料的疲勞壽命.

雖然NfNM法中提出了初始勁度模量S0選取第50次加載時(shí)的勁度模量，但針對(duì)每一次試驗(yàn)其為定值，NM 最大值的出現(xiàn)與S0無(wú)關(guān)，故此時(shí)的NfNM與S0的取值無(wú)關(guān).

需要特別說(shuō)明的是：

（1）Nf50法是以50%的初始勁度模量減少作為瀝青混合料疲勞壽命的判斷標(biāo)準(zhǔn)，而NfNM法是以NM 峰值點(diǎn)作為瀝青混合料疲勞破壞點(diǎn)，通常此時(shí)瀝青混合料勁度模量較初始勁度模量減少30%～15%，一般的瀝青混合料在此條件下均能達(dá)到NM峰值點(diǎn).因此，對(duì)同一瀝青混合料，采用NfNM法判斷獲得的疲勞壽命會(huì)高于采用Nf50法判斷獲得的疲勞壽命.

（2）筆者在試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，基質(zhì)瀝青混合料的自愈合能力較弱，且依據(jù)Nf50法判斷獲得的基質(zhì)瀝青混合料疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)比依據(jù)NfNM法判斷獲得的基質(zhì)瀝青混合料疲勞壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)的變異系數(shù)小.由于Nf50法對(duì)疲勞壽命的判定結(jié)果更能客觀地反映基質(zhì)瀝青混合料的疲勞性能，故本文均采用Nf50法作為基質(zhì)瀝青混合料疲勞壽命判斷方法.

（3）改性劑的存在使得改性瀝青有著比基質(zhì)瀝青更好的韌性與彈性，在發(fā)生50%的初始勁度模量減少時(shí)，改性瀝青混合料通常遠(yuǎn)未發(fā)生疲勞破壞.同時(shí)，改性瀝青混合料初始勁度模量較大，基于BFA試驗(yàn)機(jī)本身對(duì)初始勁度模量的檢測(cè)具有不穩(wěn)定性，越大的初始勁度模量越難以準(zhǔn)確測(cè)定，因此加載50次時(shí)改性瀝青混合料初始勁度模量值變化較大，這是導(dǎo)致改性瀝青混合料Nf50數(shù)據(jù)離散性較大的原因.另一方面，與初始勁度模量無(wú)關(guān)的改性瀝青混合料NfNM數(shù)據(jù)變異系數(shù)較小，相對(duì)穩(wěn)定，可信度更高.由于NfNM法對(duì)疲勞壽命的判定結(jié)果更能客觀反映改性瀝青混合料的疲勞性能，因此本文采用NfNM法作為改性瀝青混合料疲勞壽命的判斷方法.

2 設(shè)計(jì)空隙率下的多種瀝青混合料疲勞性能對(duì)比

在瀝青混合料設(shè)計(jì)方法中，空隙率是一個(gè)關(guān)鍵性的體積指標(biāo).在一定的工況條件下，若疲勞壽命是需要考慮的指標(biāo)之一，在設(shè)計(jì)中究竟選用何種瀝青混合料最合適，有必要進(jìn)行多種瀝青混合料在各自適宜設(shè)計(jì)空隙率下的疲勞性能對(duì)比.在本研究中，由于ARAC－13橡膠瀝青級(jí)配采取美國(guó)Arizona州技術(shù)規(guī)范［7］推薦的級(jí)配值，因此橡膠瀝青混合料設(shè)計(jì)空隙率也采用該技術(shù)規(guī)范要求的5.5%，其余種類瀝青混合料按JTG F 40—2004 規(guī)范要求均采用4.0%的設(shè)計(jì)空隙率.

2.1 未考慮自愈合作用的多種瀝青混合料疲勞壽命對(duì)比

瀝青混合料疲勞試驗(yàn)選取應(yīng)變控制方法進(jìn)行，應(yīng)變量選為1 000×10－6.同一條件下安排多次平行疲勞試驗(yàn)，去除誤差大于20%的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)，保證最終獲取誤差最小的2個(gè)疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較.未考慮自愈合作用的瀝青混合料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2.

當(dāng)未考慮自愈合作用時(shí)，在各自的設(shè)計(jì)空隙率下，多種瀝青混合料疲勞壽命排序如表3所示.

從表3可以清楚地看到，當(dāng)未考慮自愈合作用時(shí)，在對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)空隙率下，AC－13TB 膠粉＋SBS改性瀝青混合料具有最好的疲勞壽命，隨后依次為ARAC－13橡膠瀝青混合料、AC－13SBS改性瀝青混合料、AC－13TB膠粉＋巖瀝青改性瀝青混合料等.在未考慮自愈合時(shí)，AC－13TB 膠粉＋SBS 改性瀝青混合料具有最佳的疲勞壽命，這是由于脫硫后的橡膠成分和SBS在復(fù)合改性過(guò)程中可較好地融合，能有效改善瀝青的空間結(jié)構(gòu)，因此混合料表現(xiàn)出優(yōu)良的抗疲勞性能.

2.2 考慮自愈合作用的多種瀝青混合料疲勞壽命對(duì)比

根據(jù)先期有關(guān)瀝青混合料自愈合作用的研究［9］，本文設(shè)定瀝青混合料經(jīng)歷的自愈合過(guò)程為：加載Nf50次的基質(zhì)瀝青混合料試件和加載NfNM次的改性瀝青混合料試件在50℃下保溫4h，再于15℃下靜置24h.將經(jīng)歷了自愈合過(guò)程的小梁試件進(jìn)行應(yīng)變量為1 000×10－6的四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，測(cè)得各瀝青混合料的疲勞壽命，再將此疲勞壽命與表2中各瀝青混合料的疲勞壽命相加，即得到考慮自愈合作用的各瀝青混合料疲勞壽命（見(jiàn)表4）.當(dāng)考慮自愈合作用時(shí)，在各自的設(shè)計(jì)空隙率下，多種瀝青混合料的疲勞性能排序見(jiàn)表5所示.

表2 未考慮自愈合作用的瀝青混合料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 2 Data of asphalt mixture fatigue tests without considering self－h(huán)ealing effect

表3 未考慮自愈合作用的多種瀝青混合料疲勞壽命排序Table 3 Order of fatigue lives of various kinds of asphalt mixture without considering self－h(huán)ealing effect

表4 考慮自愈合作用的瀝青混合料疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 Data of asphalt mixture fatigue tests considering self－h(huán)ealing effect

表5 考慮自愈合作用的多種瀝青混合料疲勞壽命排序Table 5 Order of fatigue lives of various kinds of asphalt mixture considering self－h(huán)ealing effect

由表5可見(jiàn)，當(dāng)考慮自愈合作用后，在各自的設(shè)計(jì)空隙率下，ARAC－13橡膠瀝青混合料具有最好的疲勞壽命，隨后依次為AC－13TB膠粉＋SBS改性瀝青混合料、AC－13SBS 改性瀝青混合料和AC－13 TB膠粉＋巖瀝青改性瀝青混合料等.

由表3可見(jiàn)，考慮自愈合作用后，ARAC－13橡膠瀝青混合料的疲勞壽命超越了AC－13TB膠粉＋SBS改性瀝青混合料，排在所有瀝青混合料中的第1位.可見(jiàn)，在考慮自愈合作用后，瀝青混合料的疲勞壽命排序有所改變，在瀝青混合料疲勞壽命的研究中應(yīng)該充分考慮自愈合作用.

由表3，5可見(jiàn)，不管是否考慮自愈合作用，AC－13TB膠粉＋SBS改性瀝青混合料與ARAC－13橡膠瀝青混合料的疲勞壽命均遠(yuǎn)大于排在第3 位的AC－13SBS改性瀝青混合料，達(dá)到AC－13基質(zhì)瀝青混合料疲勞壽命的100倍以上，而AC－13SBS改性瀝青混合料為AC－13 基質(zhì)瀝青混合料疲勞壽命的30多倍.從抗疲勞性能的角度考慮，AC－13 TB 膠粉＋SBS改性瀝青混合料與ARAC－13橡膠瀝青混合料均遠(yuǎn)優(yōu)于AC－13SBS改性瀝青混合料，特別是AC－13TB膠粉＋SBS改性瀝青混合料在瀝青用量和空隙率都與AC－13SBS改性瀝青混合料相當(dāng)?shù)那闆r下，其抗疲勞性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于AC－13SBS改性瀝青混合料.

3 結(jié)語(yǔ)

（1）當(dāng)未考慮自愈合作用時(shí)，AC－13TB膠粉＋SBS改性瀝青混合料具有最好的疲勞壽命，隨后依次為ARAC－13 橡膠瀝青混合料、AC－13SBS 改性瀝青混合料和AC－13TB膠粉＋巖瀝青改性瀝青混合料等.

（2）當(dāng)考慮自愈合作用后，ARAC－13橡膠瀝青混合料具有最好的疲勞壽命，隨后依次為AC－13 TB膠粉＋SBS 改性瀝青混合料、AC－13SBS 改性瀝青混合料和AC－13TB膠粉＋巖瀝青改性瀝青混合料等.

（3）由于脫硫橡膠成分的存在，AC－13TB膠粉＋SBS改性瀝青混合料在瀝青用量及空隙率與AC－13 SBS改性瀝青混合料相當(dāng)?shù)那闆r下，其疲勞壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于后者，AC－13TB 膠粉＋巖瀝青改性瀝青混合料，AC－13TB膠粉＋PE改性瀝青混合料，AC－13 TB膠粉改性瀝青混合料的疲勞壽命與AC－13SBS改性瀝青亦大致相當(dāng).因此TB 膠粉改性瀝青混合料及其各類復(fù)合改性瀝青混合料具有極大的科研和應(yīng)用價(jià)值.

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