考慮應變和加載頻率的RAP瀝青混合料疲勞特性分析

曹 毅，于 歡

(1. 山西大學 土木工程系，山西 太原 030006；2. 山西旅游職業學院，山西 太原 030031)

考慮應變和加載頻率的RAP瀝青混合料疲勞特性分析

曹 毅1，于 歡2

(1. 山西大學 土木工程系，山西 太原 030006；2. 山西旅游職業學院，山西 太原 030031)

系統研究了RAP、加載頻率和應變水平對瀝青混合料及結合料的疲勞特性的影響，并確定了瀝青混合料和結合料疲勞壽命之間的關系。通過梁疲勞試驗對兩種瀝青混合料的疲勞特性進行了對比分析，一種含有RAP，一種不含RAP；分別從這兩種混合料中提取了瀝青結合料，并進行重復加載疲勞試驗。結果表明:RAP會降低瀝青混合料的疲勞壽命，延長瀝青結合料的疲勞壽命；加載頻率越高，瀝青混合料和瀝青結合料的疲勞壽命越長；應變水平越高，瀝青混合料和結合料的疲勞壽命越短。

道路工程；疲勞壽命；可再生瀝青；梁疲勞試驗；重復加載疲勞試驗

反復的交通荷載會造成瀝青路面的疲勞開裂。瀝青路面的疲勞壽命主要取決于荷載因素和材料因素[1-2]。荷載因素包括與車速相關的荷載頻率，以及由荷載引起的作用于瀝青層底部的應變；材料因素主要包括瀝青混合料性能和瀝青結合料性能。目前，關于瀝青混合料疲勞壽命的研究較多，尚無報道關于加載頻率和應變水平對含有RAP(recycled asphalt pavement，可再生瀝青)的瀝青混合料以及從中提取的瀝青結合料的疲勞特性的研究。

目前，有多種試驗方法用于測定瀝青混合料的疲勞特性。許多研究者使用4點梁疲勞試驗方法，該試驗運用循環荷載使試件局部發生破壞，當勁度模量降低到初始值的50%時，認為試件疲勞失效[3-4]。

在SHRP項目中，研究人員發現瀝青結合料疲勞特性對瀝青混合料疲勞特性具有重要影響[5-6]。因此，研究人員開展了大量工作研究如何精確描述瀝青結合料的疲勞特性，但是大多數研究集中在線性黏彈性方面，而未考慮非線性特性。其中，重復加載疲勞試驗(time sweep test：TS)、線性幅值疲勞試驗(linear amplitude sweep：LAS)、多應力蠕變恢復試驗(multiple stress creep recovery test：MSCR)和雙邊緣缺口拉伸試驗(double edged notched tension test：DENT)是近年來發展起來的4種疲勞試驗方法。TS試驗通過動態剪切流變儀(DSR)將不同頻率的循環荷載作用于結合料試件，通過勁度模量的下降來計算疲勞壽命。筆者采用TS試驗測定瀝青結合料疲勞特性。

1 試驗步驟

1.1 研究目標

1)RAP對瀝青混合料和結合料的疲勞壽命影響；

2)加載頻率對含RAP的瀝青混合料以及從中提取的瀝青結合料疲勞壽命的影響；

3)應變水平對含RAP的瀝青混合料以及從中提取的瀝青結合料疲勞壽命的影響。

1.2 材 料

采用同一公司生產的SP-III型瀝青混合料。第一種混合料含有35% RAP，編號A1；從該混合料中提取的瀝青結合料編號A2；第二種混合料不含RAP，編號B1，從中提取的瀝青結合料編號B2；基質瀝青采用埃索903，PG分級為63-22，瀝青含量均為4.4%；最大公稱粒徑為19 mm。所有試驗均在恒溫20 ℃條件下進行，以消除溫度變化帶來的影響。

1.3 試驗設計

試驗步驟如圖1。對A1，B1，A2，B2分別以1，5，10 Hz的頻率進行加載。考慮篇幅，筆者只取10 Hz下的試驗結果進行對比。梁疲勞試驗耗時較長，因此在每個應變水平下取兩個樣本進行測試；對于結合料，每個應變水平下取3個樣本。總計共有32個樣本用于梁疲勞試驗、48個用于TS試驗。

圖1 試驗設計示意Fig.1 Tests design

1.3.1 混合料試驗

根據AASHTO-T-321規范進行4點梁疲勞試驗[7]。圖2為4點梁疲勞試驗的裝置及試件的示意。

圖2 4點梁疲勞試驗裝置及試件示意Fig.2 Four beam fatigue test setup

試件尺寸長380 mm、寬63 mm、高50 mm，空隙率的范圍5.1%～5.8%，平均值為5.4%。在20 ℃恒溫、應變控制條件下,用不同頻率的正弦荷載對試件進行加載。定義試件在第50次循環加載時的勁度模量為初始勁度模量；當勁度模量降低到初始值的50%，認為試件疲勞失效。應變水平分別為：400，600，800，1 000 με；加載頻率為1，5，10 Hz。可通過控制試件變形來實現特定的應變輸入，如式(1)；變形可由線性可變位移傳感器(LVDT)測定。

δ=ε(3L2-4a2)/12h

(1)

式中：ε為最大拉伸應變，με；h為樣品高度，mm；δ為豎向變形，mm；L為支座之間的距離，mm；a為兩個負載夾具之間的距離，mm。

1.3.2 結合料試驗

TS試驗是使用動態剪切流變儀(DSR)在不同加載頻率下，基于應變控制模式，用2 mm厚，直徑8 mm的結合料試件在20 ℃進行試驗，如圖3。

圖3 DSR剪切流變儀及試件示意Fig.3 DSR setup

為了與上述梁疲勞試驗相一致，此試驗也分別采用1，5，10 Hz的加載頻率對結合料試件進行加載。E．MADAD等[8]的研究表明，根據非線性理論，結合料的應變高于混合料的應變，大約是混合料應變的90～100倍。因此把結合料應變設定為4%，6%，8%，10%。DSR軟件使用式(2)計算應變：

(2)

式中：γ為最大剪切應變，%；θ為偏轉角，(°)； r為樣品半徑，mm；h為樣品高度，mm。

DSR軟件通過施加的應變計算應力，且應力應變之比稱為G*。DSR軟件直接給出各個應變水平對應的G*值。隨著循環加載次數的增加，G*值減小。在TS試驗中，G*值小于初始值的50%時，結合料被認定為疲勞失效。

2 結果與討論

目前，有很多疲勞模型用來確定瀝青混合料的疲勞壽命。式(3)確定了路面底部應變和路面疲勞壽命之間的關系，很多學者用來描述瀝青混合料的疲勞壽命。

Nf=aε-b

(3)

式中：Nf為疲勞壽命；ε為施加應變；a，b為回歸系數，回歸系數b取決于加載頻率的材料系數，對于瀝青混合料b的取值范圍為2.93～6.17。

在不同加載頻率下，用式(3)對混合料和結合料試驗數據進行擬合，可得到材料的疲勞曲線。

2.1 瀝青混合料試驗結果

對A1混合料進行應變控制的4點梁疲勞試驗，并用式(3)進行擬合，得到不同應力、不同應變水平下疲勞壽命曲線，如圖4。

圖4表明，在各應變水平下，疲勞壽命均隨加載頻率的增大而延長。郝增恒[9]研究表明：如較快行車速度等，會導致較高頻率，可以提高路面的動態勁度模量。這種高動態模量在路面造成較低的拉伸應變，并增加了路面的疲勞壽命。對于同一加載頻率，隨著應變水平的降低，疲勞壽命的增長速度加快；隨著應變的增加，疲勞壽命降低。

圖4 A1混合料梁疲勞試驗結果Fig.4 Results of A1 tests

根據曲線擬合得出的該瀝青混合料a，b參數見表1。由表1可知，對該混合料，b的范圍為2.98～3.645，這與最新報道2.93～6.17是相符的[9]。

表1 擬合曲線回歸參數

同理可以得到B1瀝青混合料的疲勞壽命曲線。由于篇幅限制，這里不再列出，只給出在20 ℃，10 Hz頻率下，A1瀝青混合料與B1瀝青混合料的疲勞壽命的對比如圖5。

圖5 A1混合料與B1混合料疲勞壽命對比Fig.5 Results comparison of fatigue life of mixtures A1 and B1

由圖5可見，同一頻率下，A1混合料比B1混合料的疲勞壽命要短。即在恒定溫度和加載頻率下，不含RAP的瀝青混合料比含35%RAP的瀝青混合料具有更好的抗疲勞開裂能力。其原因可能是RAP骨料和結合料之間黏結力不佳。因為疲勞開裂往往發生在骨料和結合料的聯結界面上，所以RAP骨料的存在會造成RAP混合料的早期疲勞開裂。

2.2 瀝青結合料的實驗結果

使用動態剪切流變儀(DSR)，對A2和B2瀝青結合料進行基于應變控制的TS試驗。圖6表明：在恒定應變下，G*隨時間的延長而減小。當G*值減小到初始值的50%，樣本疲勞失效。因此，當G值減小到初始值50%時的循環加載次數，就是試件的疲勞壽命。

圖6 20 ℃恒定應變下G*隨時間變化規律Fig.6 G* value changes over time under constant strain in 20 ℃

圖7顯示的是A2瀝青結合料在不同加載頻率、不同應變條件下的疲勞壽命曲線。

由圖7表明，加載頻率越高，結合料疲勞壽命越長；應變水平越高，結合料疲勞壽命越短。這意味著在實際路況中，較高的車速引起的疲勞損壞較小[9-10]。該試驗擬合曲線的回歸系數a，b值也顯示在表1中。b同樣主要取決于負載的頻率，取值范圍從3.633～5.403。表2 匯總了A2和B2結合料在不同應變水平下的疲勞壽命試驗結果。標準偏差SD和離散系數CV顯示于表2中。

圖7 A2結合料TS試驗結果曲線Fig.7 Results of A2 tests 表2 各應變下TS試驗結果 Table 2 Results of TS tests under various strains

應變με試件編號A2結合料B2結合料Nf均值SDCV/%Nf均值SDCV/%4123627805515052720568835249922320199402919023817480320612312180981010990109931195117190653058706530660108123300027102545275215552335260020702335265111012315701340108013302351890014101180116325522

同理可以得到B2瀝青結合料的疲勞壽命曲線，由于篇幅限制，這里不再列出，只給出在20 ℃，10 Hz頻率下，A2瀝青結合料與B2號瀝青結合料的疲勞特性的對比，見圖8。

圖8 A2結合料與B2結合料疲勞壽命對比Fig.8 Comparison of fatigue life of mixtures A2 and B2

由圖8可以看出，在各應變條件下，A2結合料的疲勞壽命高于B2結合料的疲勞壽命，即具有更好的抗疲勞特性；應變的增長會引起結合料的疲勞壽命的減少。

3 結 論

筆者研究了在不同頻率、不同應變水平下RAP混合料及其結合料的疲勞特性。同時對比了在10 Hz加載頻率下，含RAP混合料與不含RAP混合料的疲勞特性，并得出如下結論：

1)RAP的加入會降低瀝青混合料的疲勞壽命；會延長從該種瀝青混合料中提取的瀝青結合料的疲勞壽命；含RAP的瀝青混合料的早期疲勞失效是由于骨料與結合料界面較差的黏結性造成的；因為疲勞開裂大多發生在這個界面上。

2)混合料和結合料的疲勞壽命都隨加載頻率的增加而增加；因此較高的車速會延長瀝青路面的疲勞壽命；在同一加載頻率下，混合料與結合料的疲勞壽命都隨應變水平的增加而降低；低應變水平時，兩者疲勞壽命差別較大；結合料和混合料動力方程的b值幾乎相等。

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Effects of RAP on the Fatigue Life of Asphalt under Different Strain Levels and Loading Frequencies

CAO Yi1，YU Huan2

(1. Department of Civil Engineering, Shanxi University, Taiyuan 030006, Shanxi, P.R. China; 2. Shanxi Vocational College of Tourism, Taiyuan 030031, Shanxi, P.R. China)

This study examines the effects of RAP, loading frequency and strain level on the fatigue properties of asphalt mixtures and binders. In addition, the relationship between the fatigue lives of asphalt mixture and binder is determined. Beam fatigue tests were conducted to compare and analyze the fatigue properties of two asphalt mixtures: one with RAP and the other without RAP. To evaluate binder’s fatigue behavior, binders were extracted and recovered from these two mixtures respectively , on which TS tests were conducted. Results show that presence of RAP in mixture causes a decrease in the mixture’s fatigue life, and an increase in the fatigue life of binder. An increase in loading frequency results in an increase in the fatigue lives of asphalt mixture as well as binder; increase in strain level causes a decrease in the fatigue lives of both mixtures and binders.

road engineering; fatigue life; recycled asphalt pavement; beam fatigue test; time sweep test

10.3969/j.issn.1674-0696.2016.05.11

2015-06-16；

2015-07-20

山西省科技計劃基金項目(2015021132)

曹 毅 (1987—)，男，山西汾陽人，講師，博士，主要從事路面結構與新型材料方面的研究。E-mail:caoyi25@126.com。

U414

A

1674-0696(2016)05-050-04