瀝青疲勞特性的研究＊

單麗巖 譚憶秋 李曉琳

(哈爾濱工業(yè)大學交通科學與工程學院 哈爾濱 150090)

0 引 言

瀝青及瀝青混合料的疲勞問題多年來一直是國內(nèi)外研究的熱點課題.而目前,單純研究瀝青疲勞特性的較少,多數(shù)研究者都著眼于改性瀝青或瀝青膠漿疲勞特性的研究.袁燕[1]通過連續(xù)加載模式(包括：應力控制和應變控制2種)下的疲勞試驗,研究了改性瀝青的疲勞特性.李曉民[2]通過連續(xù)加載應變控制模式下的疲勞試驗,分析了重復荷載作用下瀝青膠漿的性能變化規(guī)律.A.Shenoy[3]采用連續(xù)加載應變控制模式,進行了不同溫度下瀝青膠漿的疲勞試驗.雖然改性瀝青或瀝青膠漿與瀝青的疲勞特性存在相似之處,但由于改性劑或膠漿的作用,并不能完全代表瀝青的疲勞特性.相反,基質(zhì)瀝青的疲勞特性才是改性瀝青、瀝青膠漿乃至瀝青混合料疲勞特性的基礎.對基質(zhì)瀝青疲勞特性的研究是勢在必行的.

以上研究均采用的是連續(xù)加載模式,而在實際瀝青路面的使用過程中,車輛荷載對路面的作用是存在間歇時間的,即荷載的作用是不連續(xù)的.研究間歇加載模式下瀝青的疲勞特性更具有現(xiàn)實意義.早在20世紀70年代,K.D.Rainthby和A. B.Sterling[4]就開始進行間歇荷載作用下瀝青疲勞特性的研究.之后Bahia[5]利用DSR對不同的瀝青結合料進行了間歇加載疲勞試驗.研究表明：間歇時間對瀝青的疲勞性能有重要影響.對于瀝青的自愈性,目前已經(jīng)得到研究者們的普遍認可[6-7],但荷載停止作用后瀝青的自愈能力究竟達到什么程度目前還沒有研究.

針對以上問題,本文研究了連續(xù)加載模式下, 2種瀝青的疲勞特性;采用4種疲勞評價指標(50%G＊,DER,DR,δ)對其疲勞特性進行了評價,并對瀝青的自愈能力進行了初步的探討.

1 材料及試驗

對于連續(xù)加載模式下瀝青疲勞特性的研究,選用了2種70號基質(zhì)瀝青,分別記為A70#和B70#.采用DSR對瀝青施加連續(xù)荷載,荷載采用應力控制模式.為了比較瀝青在不同應力水平下的疲勞特性,選用了3種應力水平100,200和300 kPa.試驗溫度采用15℃.

對于瀝青自愈能力的研究,選用90號基質(zhì)瀝青進行研究.同樣借助于DSR對瀝青施加連續(xù)荷載,荷載大小為300 kPa.當瀝青的模量降低為初始模量的6%左右時,停止荷載作用.之后每隔一段時間,測量瀝青的模量.試驗溫度同樣采用15℃.

2 試驗結果及分析

2.1 連續(xù)加載模式下瀝青疲勞特性的研究

圖1～3為3種應力水平下,瀝青的模量隨荷載作用次數(shù)的變化情況.由圖可見,瀝青的疲勞性能隨著應力的增大而降低.當控制應力較大時,模量隨著荷載作用次數(shù)的增加而減小;當控制應力較小時,模量隨著荷載的作用次數(shù)的增加先增大后減小.袁燕在研究瀝青膠漿的疲勞特性時也發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象,并稱這種現(xiàn)象為硬化現(xiàn)象,認為是由于分子取向造成的.在3種應力水平下,2種瀝青的疲勞曲線間的關系有明顯差異,主要表現(xiàn)為初始模量的大小及模量隨荷載作用次數(shù)的衰減情況.當控制應力為100 kPa時,雖然A70#的初始模量大于B70#,但其疲勞性能并不比B70#好,這是由于在荷載作用下其性能下降的速度快.而當控制應力為200 kPa時,A70#的初始模量和抗疲勞性能始終優(yōu)于B70#.由此可見控制應力對瀝青的疲勞特性有重要影響.

圖1 應力為100 kPa時瀝青的疲勞曲線

圖2 應力為200 kPa時瀝青的疲勞曲線

圖3 應力為300 kPa時瀝青的疲勞曲線

為了進一步比較2種瀝青的疲勞特性,分別采用復數(shù)模量降低為初始復數(shù)模量50%的荷載作用次數(shù)(50%G＊)、累計耗散能比(DER)、耗散能變化率(DR)和相位角(δ)評價瀝青的疲勞壽命.DER和DR的定義見式(1)和式(2).

采用以上指標所得到的2種瀝青的疲勞壽命如表1所列.由表可見,對于同種瀝青,采用不同的疲勞評價指標所得的疲勞壽命差異較大.此外,不同應力水平下,所得到的2種瀝青的疲勞壽命關系不一致.當應力為100 kPa時,B70#的疲勞壽命大于A70#;當應力為200 kPa時,B70#的疲勞壽命小于A70#;而當應力為300 kPa時,采用不同的疲勞評價指標所得的疲勞壽命不同.這與在不同應力水平下,2種瀝青疲勞曲線的關系不一致有關,如圖1～3所示.將不同應力、不用疲勞評價指標下瀝青的疲勞壽命繪制在同一圖中,如圖4所示.由圖可見,隨著應力水平的增加, 2種瀝青之間疲勞特性的差異逐漸減小.由此說明雖然這幾種瀝青疲勞評價指標能在一定程度上反映瀝青的疲勞特性,但均存在一定不足,不能對瀝青的疲勞特性進行確切的評價.

圖4 不同評價指標下兩種瀝青的疲勞壽命

表1 不同評價指標下兩種瀝青的疲勞壽命

2.2 瀝青自愈能力的研究

圖5為瀝青模量隨時間變化的恢復情況.

圖5 瀝青的模量隨時間的恢復情況

由圖可見,荷載停止作用初期瀝青模量的恢復程度較大,之后隨著時間的增加瀝青模量的恢復程度逐漸趨于平緩.采用二次多項式對模量隨時間的變化情況進行回歸,可以得到如圖中所示的回歸方程.將方程簡寫為Ax2+Bx+C,該方程可以很好地模擬瀝青模量的恢復情況.當荷載停止作用40 h后,瀝青的復數(shù)模量基本恢復到初值,但彈性模量和粘性模量的比例發(fā)生了變化.正是由于瀝青的自愈能力,單純采用連續(xù)加載模式研究瀝青的疲勞特性是不合適的.應該考慮到自愈性對瀝青疲勞特性的影響.

3 結 論

1)瀝青的疲勞性能隨著應力的增大而降低.當控制應力較大時,模量隨著荷載作用次數(shù)的增加而減小;當控制應力較小時,模量隨著荷載的作用次數(shù)的增加先增大后減小.

2)50%G＊,DER,DR,δ這幾種疲勞壽命評價指標均存在一定的不足,不能確切區(qū)分不同瀝青的疲勞特性.

3)瀝青的自愈性對瀝青的疲勞特性有重要影響.荷載停止作用初期,瀝青模量的恢復程度較大.當時間足夠長時,瀝青的模量可以恢復到初始值,但粘彈比例發(fā)生了變化.

[1]袁 燕.改性瀝青膠漿的疲勞性能評價[D].廣州：華南理工大學土木與交通學院,2005.

[2]李曉民.基于流變特性的瀝青膠漿評價方法及性能的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學交通科學與工程學院,2006.

[3]Shenoy A.Fatigue testing and evaluation of asphalt binders using the dynamic shear rheometer[J].Journal of Testing and Evaluation,2002,30(4)：303-305.

[4]Raithby K D,Sterling A B.Effect of rest periods on fatigue performance of hot-rolled asphalt under reversed axial loading[J].Association of Asphalt Paving Technologists,1970,39：134-147.

[5]Bahia H,Zhai H,Bonnetti K.Non-linear viscoelastic and fatigue properties of asphalt binders[J].The Juournal of Association of Asphalt Paving Technologists,1999,68：1-34.

[6]劉洪海,吳少鵬,玄東興.瀝青路面碾壓離析的試驗研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版, 2004,28(6)：899-902.

[7]董澤蛟,曹麗萍,譚憶秋.飽和狀態(tài)瀝青路面動力響應的過程分析[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版,2009,33(6)：1 033-1 036.