基于灰色關聯的環氧瀝青混合料疲勞性能影響因素分析

凌建明，紀更占，孔二春，梁國烯

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.中交機場勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510000；3.廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州 514445）

基于灰色關聯的環氧瀝青混合料疲勞性能影響因素分析

凌建明1，紀更占1，孔二春2，梁國烯3

（1.同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.中交機場勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510000；3.廣東省長大公路工程有限公司，廣東 廣州 514445）

采用應力控制的小梁彎曲疲勞試驗方法，分析空隙率、攤鋪等待時間、油石比對環氧瀝青混合料疲勞性能的影響，依次給出各因素最佳取值范圍，并通過灰色關聯分析法計算各因素與疲勞壽命的關聯度，為環氧瀝青混合料設計提供參考。試驗結果表明：最佳空隙率為3%，最佳攤鋪時間為40 min，最佳油石比為5%，對于環氧瀝青混合料疲勞性能的影響程度為：油石比＞空隙率＞攤鋪等待時間。

環氧瀝青；空隙率；攤鋪等待時間；油石比；灰色關聯

環氧瀝青混合料是采用環氧瀝青和集料拌合而成的熱固性材料，具有抗松散能力強、材料強度高、耐久性好、環境適應性強等優點，是優良的道面鋪裝材料[1]。在19世紀60年代首次應用于美國空軍基地，主要是為提高道面的耐腐蝕性和耐高溫尾噴[2]，但由于技術不成熟和成本問題，推廣應用受到限制[3]。但近年來在大跨度橋面鋪裝領域已經得到系統研究和廣泛工程應用[4-7]，對應用于鋼橋面鋪裝的環氧瀝青混凝土疲勞特性進行了諸多研究[8-12]，然而由于環氧瀝青混合料作為機場道面新型材料，在支撐結構、道面結構、承受荷載類型等與鋼橋面均有所不同，同時在機場加鋪過程中，為實現不停航施工，需要考慮其攤鋪時間的影響，其疲勞性能也有所不同。

基于此，本文考慮工程實際以及環氧瀝青混合料設計過程中其力學性能與各因素之間的不敏感性等問題，將主要影響環氧瀝青混合料疲勞性能的攤鋪等待時間、油石比、空隙率3種因素，從疲勞性能的角度分析各影響因素的推薦值，通過灰色關聯方法確定環氧瀝青混合料疲勞性能與主要影響因素直接的關聯性，為機場道面環氧瀝青混合料設計提供參考。

1 混合料設計

1.1 級配設計

本次試驗所用集料為上海寶山生產的道面專用玄武巖集料，根據需求將集料分為以下4檔：1#（4.74 mm以下）、2#（2.36～4.74 mm）、3#（4.5～9.5 mm）、4#（9.5～16 mm）。根據規范[13-14]，測試各檔集料基本性能如表1所示。用方孔標準篩對四檔集料和礦粉進行篩分，試驗結果如表2所示。根據配合比計算，1到4號集料以及礦粉的用量分別為53%，5%，17%，22%和3%，配合比曲線如圖1所示。

表2 集料篩分結果Tab.2 The results of aggregate screening

1.2 環氧瀝青性能

本次試驗中采用句容寧武化工有限公司生產的2910號環氧瀝青（HLJ-2910），由環氧瀝青A組分和B組分組成，其中A組分為環氧樹脂，B組分為添加了固化劑的瀝青，工業配比為1∶2.9。A組分環氧樹脂技術指標如表3所示，環氧瀝青性能檢測結果如表4所示。

圖1 環氧瀝青混合料級配曲線Fig.1 Epoxy asphalt mixture grading curve

2 試驗方法及條件

疲勞試驗的荷載控制模式主要包括應變控制和應力控制，學者對應變控制的研究結果為：瀝青用量的減少會降低混合料的疲勞壽命，但應變控制的結果只適用于薄瀝青面層[10]。環氧瀝青混合料是一種熱固性的脆性材料，如果采用應變控制，則會導致試件底部的拉應變過大，當應力超過試件的抗拉強度而提前破壞，不能準確評價其疲勞性能，以應力控制疲勞試驗研究環氧瀝青混合料疲勞性能更符合實際。因此采用應力控制的小梁彎曲疲勞試驗作為環氧瀝青混合料疲勞特性研究方法。

2.2 疲勞試驗條件

根據規范[15]，采用15℃作為本次小梁疲勞彎曲試驗的試驗溫度。加載波形為接近于實際路面所受的正弦波形，荷載頻率為10 Hz，加載應力水平選擇6個（n=0.3～0.8），從較大的加載水平開始，再往低選取。試驗期將小梁試件放入15℃恒溫箱中保溫6小時后，利用MTS-810材料測試系統進行強度試驗，得到小梁準靜載條件下的破壞荷載P。根據破壞荷載和應力水平計算各條件下的荷載值，以試件斷裂破壞作為疲勞試驗結束的標志，對應的加載次數為疲勞壽命。

表3 NJ環氧瀝青A組分技術指標Tab.3 The technical index of A component of NJ epoxy asphalt

表4 環氧瀝青性能檢測結果Tab.4 The properties of epoxy asphalt

3 環氧瀝青混合料疲勞性能影響因素

3.1 空隙率的影響

選取空隙率為3%，4%，5%和6%的環氧瀝青混合料成型車轍板試件，并切割成標準尺寸的小梁進行疲勞試驗，試驗結果如圖2所示。

從圖2中可以清楚地看出，隨著空隙率的增大，環氧瀝青混合料的疲勞性能顯著降低。根據瀝青混合料疲勞理論，在應力控制疲勞試驗中，應力與疲勞壽命成雙對數關系，應力控制疲勞方程為

圖2 不同空隙率試件疲勞壽命與應力的雙對數曲線Fig.2 The double logarithmic curve between fatigue life and stress with different porosities

其中：Nf為疲勞壽命 （次）；σ為彎拉應力，MPa；斜率b的絕對值表示疲勞壽命對應力的敏感性。從圖中可以看出，斜率b隨著空隙率的逐漸增大而增大，說明疲勞壽命隨著空隙率的提高對應力的敏感性逐漸提高。在四個梯度空隙率中，空隙率為3%的疲勞壽命曲線最靠近上方，而且在常見的應力水平條件下，其斜率和截距都優于其他空隙率對應的疲勞壽命曲線。因此在進行環氧瀝青混合料設計時，從提高疲勞壽命角度考慮，空隙率應盡量靠近3%。

3.2 攤鋪等待時間的影響

環氧瀝青混合料的路用性能不僅與環氧樹脂的適用期有關，還與其攤鋪等待時間、施工可操作時間有關[16]。環氧樹脂與固化劑混合之后尚未出現凝固的時間稱為適用期。將環氧樹脂作為改性瀝青添加劑混合到含有固化劑的瀝青里后，環氧瀝青A、B組分發生化學反應，形成空間網絡結構，使環氧瀝青粘度增加，粘度達到1 000 MPa·s之前的這段時間稱作施工可操作時間。規范[17]中要求的施工最佳拌合粘度為170 MPa·s左右，最佳碾壓粘度在280 MPa·s左右。對于給定的環氧瀝青，其混合料施工可操作時間一般是固定的，其結合料粘度達到170 MPa·s和280 MPa·s的時間是固定的，如果從出料到攤鋪碾壓的時間間隔過長，必然導致環氧瀝青混合料中環氧瀝青結合料的粘度超過280 MPa·s甚至1 000 MPa·s，導致施工困難，碾壓效果下降，最終無法保證壓實度，使鋪面空隙率過大，影響環氧瀝青混凝土道面的性能。本試驗中在空隙率為3%的條件下，選取100，80，60，40和20 min 5個基準時間作為攤鋪等待時間，成型車轍板并切割成標準尺寸的小梁進行疲勞試驗，實驗結果如圖3所示。

中國的扶貧開發是由黨和政府領導和組織開展的。黨和政府在扶貧開發中的領導作用主要表現在以下方面：第一，將扶貧置于國家改革和發展之中進行設計和調控，將減貧寓于改革和發展的整個過程中，通過改革和發展為減貧創造有利的環境和條件；第二，通過建立扶貧領導和協調組織體系，將扶貧整合到國家的經濟社會發展計劃之中，使扶貧成為黨和政府工作的重要內容，保證扶貧所需要的組織支持；第三，利用行政體系和資源，動員和安排扶貧資源，保證必要的扶貧投入；第四，政府根據扶貧的需要，調整相關的政策或者制定必要的法規和制度，為扶貧工作的有序開展提供制度保障。

從圖3中可以看出，隨著攤鋪等待時間的增加，環氧瀝青混合料的疲勞性能得到提升，當時間超過40 min之后，疲勞壽命明顯減小，疲勞性能顯著下降，且40 min對應的疲勞曲線具有較低的敏感系數，由此可知，存在一個最佳攤鋪等待時間使得環氧瀝青混合料在該條件下具有最優越的疲勞性能，以40 min左右為宜。

這主要是由于在拌合早期，環氧瀝青粘度較低，較易發生自由流動，若在較短攤鋪等待時間內成型混合料，環氧瀝青不能均勻粘附于集料表面，試件內部油石比沿重力方向逐步增加，空隙不均勻分布明顯，導致試件疲勞性能降低；若攤鋪等待時間過長，環氧瀝青粘度較高，混合料難以壓實，空隙率增加，同樣使得疲勞性能降低，因此，存在一個合適的攤鋪等待時間使得環氧瀝青混合料具有較好的疲勞性能。

3.3 油石比的影響

對于熱固性環氧瀝青混合料來說，當環氧樹脂和含有固化劑的瀝青發生固化反應之后，并不存在自由瀝青問題，提高油石比時，集料之間過多的環氧瀝青一方面會發揮加筋的作用，使得環氧瀝青混合料的性能增強；而另一方面，過多的環氧瀝青將增加集料之間的接觸距離，降低集料之間的接觸面積，這又使得環氧瀝青的性能下降。選取結合料含量 （環氧樹脂和含有固化劑的瀝青混合物的含量）分別為4%，4.5%，5%，5.5%，6%的環氧瀝青混合料，成型不同油石比的車轍板，然后切割成標準尺寸的小梁試件，在15℃條件下進行三點小梁疲勞試驗，實驗結果如圖4。

圖3 不同攤鋪等待時間環氧瀝青混合料疲勞曲線Fig.3 The fatigue curve of epoxy asphalt mixture for different paving waiting time

圖4 不同油石比環氧瀝青混合料疲勞曲線Fig.4 The fatigue curve of epoxy asphalt mixture for different aggregate ratio

從圖4中可以看出，在應力控制模式下，不同于普通熱塑性瀝青混合料，環氧瀝青混合料最大疲勞壽命并不存在一個最佳瀝青用量。在一定的油石比區間內，隨著油石比的增加，環氧瀝青混合料疲勞疲勞壽命增加，疲勞性能增強，當油石比達到一定程度之后，其疲勞性能并沒有出現單調遞增，而表現出一定的波動效應。油石比從4%增加到5%，瀝青混合料疲勞性能明顯增強；當油石比在5%以上時，疲勞性能并未明顯增加，疲勞曲線出現波動，5%以上油石比小梁試件疲勞曲線分布在5%油石比試件的疲勞曲線附近。

出現波動效應是因為環氧瀝青混合料并不存在過多自由瀝青的問題，而過多的固化后的環氧瀝青一方面起著加筋的效果，使集料之間粘結緊密，另一方面增加了集料的接觸距離，降低的集料之間的接觸面積，這兩方面正反效果使環氧瀝青混合料在疲勞性能方面出現了震蕩效應。

從上可知，環氧瀝青混合料疲勞性能在5%油石比時取得了較好的效果，雖然增加油石比會在一定程度上提升其疲勞性能，但提升效果并不明顯。故從疲勞性能和工程實際角度考慮，推薦環氧瀝青混合料油石比設計值盡量接近5%，而此時混合料的空隙率在3%左右，同時也驗證了空隙率對疲勞性能影響的結論。

4 疲勞性能影響因素灰色關聯分析

空隙率、油石比和攤鋪等待試件是環氧瀝青混合料設計過程和成型過程中影響其性能的重要因素。本文將用灰色關聯分析法進一步分析各因素與疲勞壽命之間的關聯度大小，以此確定環氧瀝青混合料設計過程中優先考慮的因素，具體計算方法可參考文獻[18]。為保證各因素與疲勞壽命之間的關聯度大小不因為個別試件的差異而導致偶然變異，選擇10組試件在4個應力水平條件下的疲勞試驗結果作為關聯度計算原始數據，如表5所示。由于空隙率與疲勞壽命之間的逆相關性，對空隙率的初始化過程中使用其倒數作為參考數據，各參數初始化結果如表6所示。通過關聯度分析，各因素與不同應力比下環氧瀝青混合料疲勞壽命之間的關聯度大小如表7所示。

表5 環氧瀝青混合料疲勞實驗結果Tab.5 The results of epoxy asphalt mixture fatigue test

表6 環氧瀝青混合料疲勞壽命和各因素初始化結果Tab.6 The initialization results between the factors and fatigue life of epoxy asphalt mixture

表7 各因素與不同應力比下疲勞壽命關聯度Tab.7 The correlation degree between the factors and different stress ratio

從表7中可以看到，在4種應力比下，空隙率、油石比和攤鋪等待時間與疲勞壽命之間的關聯度均存在一致的大小順序，即油石比＞空隙率＞攤鋪等待時間。各關聯度均大于0.6，說明各因素均與疲勞壽命之間具有較高的關聯性，但環氧瀝青混合料油石比與其疲勞壽命的關聯性高于空隙率，這與一般性瀝青混合料得出的結論相反。主要原因是在一定的油石比條件下，在不同的攤鋪等待時間壓實可以得到不同空隙率的試件，而環氧瀝青混合料存在一個最優的攤鋪等待時間，使得此條件下壓實得到的混合料的疲勞壽命較優，這使得環氧瀝青混合料空隙率的態勢在某一區間遠離疲勞壽命的發展態勢，最終出現了油石比與疲勞壽命的關聯性略大于空隙率。

5 結論

1）環氧瀝青混合料疲勞性能隨著空隙率的增加而降低，空隙率為3%時其應力-疲勞壽命方程曲線的斜率和截距都優于其他空隙率對應的疲勞方程曲線，推薦混合料設計空隙率為3%左右。

2）攤鋪等待時間為40 min對應的疲勞壽命最大，隨著時間的推移，環氧瀝青混合料疲勞壽命降低，推薦的攤鋪等待時間為40 min左右。

3）隨著用油量的增加，環氧瀝青混合料疲勞壽命增加，不同于普通瀝青混合料，環氧瀝青混合料并不存在一個最佳油石比使其具有最大的疲勞壽命。但其疲勞壽命增長率存在一個拐點，油石比超過5%時增長率開始降低，因此推薦5%作為混合料的油石比設計參考值。

4）在4種應力比下，空隙率、油石比和攤鋪等待時間與疲勞壽命之間的關聯度均存在一致的大小順序，即油石比＞空隙率＞攤鋪等待時間，在設計混合料時優先考慮推薦的油石比，并選擇推薦的攤鋪等待時間成型試件。

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Analysis on Influence Factors of Fatigue Performance for Epoxy Asphalt Mixture Based on Grey Relation Degree Theory

Ling Jianming1，Ji Gengzhan1，Kong Erchun2，Liang Guoxi3
（1.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of the Ministry of Education，Tongji University,Shanghai 201804，China；2.CCCC Airport Investigation and Design Institute Co.，Ltd.，Guangzhou 510000，China；3.Guangdong Provincial ChangDa Highway Engineering Co.,Ltd.,Guangzhou 514445，China）

Effects of porosity,paving waiting time and aggregate ratio on epoxy asphalt mixture fatigue performance were researched through the three-point flexure fatigue tests controlled by loading.The recommended value of each factor was respectively given and the correlation degree of each factor associated with the epoxy asphalt mixture fatigue life was analyzed by the grey relation degree theory,which could provide reference for the design of epoxy asphalt mixture.Results showed that:the optimum porosity was 3%,the optimum waiting time was 40 min and the optimum aggregate ratio was 5%.The influence degree on the fatigue performance of epoxy asphalt mixture was arranged and the sequencing was aggregate ratio>porosity>paving waiting time.

epoxy asphalt mixture；porosity；paving waiting time；aggregate ratio；grey relation degree theory

U414

：A

1005-0523（2017）01-0014-07

（責任編輯 王建華）

2016－06－14

空軍后勤科研項目（KJYZ0991）

凌建明（1966—），男，教授，工學博士，博士生導師，主要研究方向為道路與機場工程。

紀更占（1994—），男，碩士研究生，主要研究方向為道路工程。