基于簡化能量耗散率的巖瀝青改性瀝青疲勞性能

王 明，林發金，劉黎萍

（1.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.福建省泉州市公路局，福建 泉州 362000）

與SBS等聚合物改性劑相比，天然布敦巖瀝青（BRA）與基質瀝青相容性好，性能更加穩定，而且成本較低，是一種很好的天然改性劑.BRA可增加瀝青和集料之間的黏附力，再加上其獨有的抗老化能力強、耐候性好等特點，常被稱為瀝青“活性劑”［1－2］.但是，BRA中灰分等顆粒含量（質量分數）高達75%左右，且瀝青組分與灰分等顆粒相互包裹，是一種微觀相態極其復雜的多孔結構［2］.

目前，有關BRA 改善瀝青混合料高低溫及疲勞性能的研究較多，普遍認為BRA 可以很好改善瀝青混合料的高溫、疲勞性能，降低其低溫性能.杜少文［3］的研究表明，BRA 不僅可以改善瀝青混合料的疲勞性能，其性能甚至優于SBS改性瀝青.但是，對于BRA 中瀝青組分對基質瀝青疲勞性能影響的研究還未見報道.本文的主要目的是評價BRA 中瀝青組分的天然特性及其對基質瀝青疲勞性能的影響，確定巖瀝青在瀝青混合料中的最佳摻量，以期為研究SBS復合改性瀝青技術，推廣巖瀝青路面應用提供理論基礎.

1 試驗

1.1 原材料

基質瀝青選用殼牌70＃道路石油瀝青，其技術指標滿足相關規范要求；改性劑選用BRA，黑色顆粒，其性能指標見表1.

表1 BRA的性能指標Table 1 Performance indexes of BRA

1.2 純巖瀝青組分的抽提

采用瀝青旋轉蒸發器分離三氯乙烯和BRA 中瀝青組分的混合液，得到較為純凈的巖瀝青組分，其25℃針入度為13（0.1mm），軟化點為83℃.

1.3 純巖瀝青摻量的確定

依據文獻［4］推薦的天然巖瀝青改性劑添加量，通過外摻質量分數為10%，15%，20%的純巖瀝青（編號為A－10，B－15，C－20）進行瀝青改性.

1.4 疲勞試驗方法

試樣經過RTFOT 老化，直徑為8mm，厚度為2mm.利用美國TA 公司生產的動態剪切流變儀，通過“時間－掃描”試驗，循環施加動態剪切作用力，直至試件疲勞破壞.試驗條件：溫度20 ℃，頻率10Hz；應力水平為0.35，0.40，0.45，0.50 MPa；應變水平為2.0%，2.5%，3.0%，3.5%.

2 疲勞性能評價指標分析

關于瀝青膠結料疲勞性能的評價指標，最常用的是G＊50（試樣復數剪切模量衰減至初始值50%時所對應的荷載作用次數）及SHRP 規范中的G＊sinδ（此數值越小，疲勞壽命越好），其次是DER，ER，RDR，δ 等［5－8］，其中RDR（簡化能量耗散率，即復數剪切模量和加載次數的乘積）與瀝青混合料疲勞性能有很大的相關性.本文采用G＊50和RDR 對巖瀝青改性瀝青的疲勞壽命N 進行評價.

2.1 應力控制模式試驗結果

在應力（0.4MPa）控制模式下，G＊與荷載作用次數的關系如圖1所示，RDR 與荷載作用次數的關系如圖2所示，采用G＊50和RDR 作為評價指標得到的試樣疲勞壽命（N）如表2所示.

圖1 G＊與荷載作用次數的關系Fig.1 Relation between complex shear modulus and number of load

由圖1，2可見，在應力控制模式下，無論采用哪種評價指標，試樣的疲勞壽命大小順序均為：C－20＞B－15＞A－10＞基質瀝青，即不同的評價指標得到的試驗結果一致.同時，由表2可見，采用G＊50作為評價指標時，純巖瀝青摻量為10%的改性瀝青疲勞壽命由基質瀝青的13 598次提高到52 188次，提高近3.8倍；純巖瀝青摻量為20%的改性瀝青，疲勞壽命提高了9.5倍；采用RDR 作為評價指標時，純巖瀝青摻量為10%的改性瀝青疲勞壽命由基質瀝青的11 998次提高到40 028次，提高近3.4倍；純巖瀝青摻量為20%的改性瀝青，疲勞壽命提高了8.5倍.

圖2 RDR 與荷載作用次數的關系Fig.2 Relation between reduced dissipated energy ratio and number of load

表2 應力控制模式下試樣的疲勞壽命Table 2 Asphalt fatigue life in stress control mode times

上述結果表明，在應力控制模式下，巖瀝青的摻入提高了改性瀝青的復數剪切模量，使其疲勞性能明顯改善，并且隨著純巖瀝青摻量的增加，疲勞壽命逐漸提高.

2.2 應變控制模式試驗結果

在應變（2%）控制模式下，G＊與荷載作用次數的關系如圖3所示，RDR 與荷載作用次數的關系如圖4所示，采用G＊50和RDR 作為評價指標得到的疲勞壽命如表3所示.

圖3 G＊與荷載作用次數的關系Fig.3 Relation between complex shear modulus and number of load

圖4 RDR 與荷載作用次數的關系Fig.4 Relation between reduced dissipated energy ratio and number of load

表3 應變控制模式下試樣的疲勞壽命Table 3 Asphalt fatigue life in strain control mode times

由圖3，4 可見，在應變控制模式下，無論是用G＊50作為評價指標，還是用RDR 作為評價指標，隨著純巖瀝青摻量的增加，改性瀝青的疲勞壽命先增大后減小，疲勞壽命的大小順序均為：B－15＞A－10＞基質瀝青＞C－20.這說明，在應變控制模式下，純巖瀝青摻量存在最佳值.由表3可見，純巖瀝青摻量為10%，15%時，改性瀝青的疲勞壽命提高近1.4倍.但是，純巖瀝青摻量為20%的改性瀝青其疲勞壽命卻遠低于基質瀝青.因此，在應變控制模式下，純巖瀝青摻量不宜大于15%.

由以上分析可知，巖瀝青改性瀝青的疲勞壽命依賴于加載模式，相同純巖瀝青摻量的改性瀝青，在不同的加載模式下，其疲勞壽命改善程度的量化不同，甚至會得到相反的試驗結果.但是，在相同的加載模式下，采用G＊50和RDR 來比較不同純巖瀝青摻量改性瀝青的疲勞壽命時，其結果一致.相對而言，RDR 評價指標由于反彎點的存在，疲勞壽命容易求得.因此，本文為簡化試驗結果的計算分析，選擇RDR 來評價疲勞壽命.

3 不同應力、應變水平的疲勞性能研究

3.1 不同應力水平的疲勞性能

不同應力水平的疲勞壽命方程擬合曲線如圖5所示，疲勞壽命方程擬合參數如表4所示.

由圖5可見，在不同應力水平對數坐標系下，疲勞壽命和應力水平近似線性關系，R2大于0.900 0.同時，由表5可見，隨著純巖瀝青摻量的增加，k 值和b 值逐漸增大，前者說明疲勞耐久性越來越好，后者說明對應力水平的變化較為敏感.當純巖瀝青摻量為10%和15%時，b 值相差不大，并且均小于基質瀝青的b值，而當純巖瀝青摻量為20%時，b值顯著增大.這說明，過大的純巖瀝青摻量會提高改性瀝青對應力水平的敏感程度.因此，在工程實際應用中，純巖瀝青摻量應控制在15%以內.

圖5 疲勞壽命方程擬合曲線Fig.5 Fitting curve of fatigue equation

表4 疲勞壽命方程擬合參數Table 4 Fitting results of fatigue equation parameters

3.2 不同應變水平的疲勞性能

不同應變水平的疲勞壽命方程擬合曲線如圖6所示.

圖6 疲勞壽命方程擬合曲線Fig.6 Fitting curve of fatigue equation

由圖6可見，疲勞壽命和應變水平的線性關系不明顯，而且，從圖中各直線斜率來看，巖瀝青改性瀝青的直線斜率均大于基質瀝青，表明在應變控制模式下，巖瀝青降低了基質瀝青的抗變形能力，提高了基質瀝青對應變水平的敏感程度.純巖瀝青摻量為20%的改性瀝青，其直線斜率顯著增大，表明巖瀝青的摻入明顯提高了基質瀝青對應變水平的敏感程度，即過大的純巖瀝青摻量可降低基質瀝青的疲勞壽命.

4 結論

（1）可采用“時間－掃描”試驗來評價巖瀝青改性瀝青的疲勞性能，為了避免灰分等顆粒導致的“假性疲勞”現象的產生，要求改性劑必須是經過抽提的純巖瀝青組分.

（2）無論是應力控制模式還是應變控制模式，RDR 均能方便確定巖瀝青改性瀝青的疲勞壽命，并且評價結果與G＊50 的評價結果一致，因此，RDR適合于評價巖瀝青改性瀝青的疲勞性能.

（3）在應力控制模式下，純巖瀝青摻量的增加可明顯改善瀝青膠結料的疲勞性能，但是，當純巖瀝青摻量大于15%時，會提高改性瀝青對應力水平的敏感程度；在應變控制模式下，當純巖瀝青摻量小于15%時，可以改善瀝青膠結料的疲勞性能，然而，當純巖瀝青摻量大于15%時，改性瀝青的疲勞性能開始變差；當純巖瀝青摻量為20%時，改性瀝青的疲勞壽命遠遠小于基質瀝青.

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