溫拌膠粉改性瀝青混合料疲勞性能

王 嵐， 王利強， 馮 蕾， 張 飛

(內蒙古工業大學 土木工程學院， 內蒙古 呼和浩特 010051)

疲勞破壞是瀝青路面主要破壞形式之一[1].因此，瀝青及瀝青混合料疲勞性能一直以來都是道路工作者研究的重點.van Dijk等[2]研究表明瀝青混合料總累積耗散能和疲勞壽命的關系與溫度、試驗方法、加載頻率及加載控制模式無關；吳志勇等[3]針對以瀝青混合料耗散能相對變化率和50%初始勁度模量作為其疲勞判據的準確性進行了對比研究，發現前者對應的疲勞壽命預測模型具有較高的準確性；張洪偉等[4]通過耗散能方法對橡膠瀝青混合料的疲勞性能進行研究，發現累積耗散能與疲勞壽命之間存在唯一關系，試驗溫度、頻率及加載模式等對其影響不大；隆然等[5]基于傳統的現象學法對橡膠粉改性瀝青混合料的疲勞性能進行研究，發現橡膠粉摻量為20%時，其疲勞壽命出現峰值，且橡膠粉顆粒粒徑越小混合料疲勞壽命越高，灰關聯分析結果表明，橡膠粉摻量對混合料疲勞壽命影響最大，應嚴格控制橡膠粉摻量.

綜上，目前國內外關于瀝青混合料疲勞性能的研究雖取得一定成果，然而關于膠粉改性瀝青混合料疲勞性能的研究并不多見，特別是將獨立于外部因素的能耗理論引入膠粉改性瀝青混合料疲勞性能的研究更為稀少.對于摻加不同膠粉的瀝青混合料疲勞性能對比也僅研究了膠粉細度對其疲勞性能的影響，沒有單一目數與混合目數膠粉對瀝青混合料疲勞性能影響的研究.另外，溫拌劑的摻入對膠粉改性瀝青混合料疲勞性能的影響研究也相對較少.因此，本文在現有研究基礎上，對摻入溫拌劑前后的250μm(60目)及混合目膠粉改性瀝青混合料疲勞性能進行研究.

1 試驗

1.1 原材料

基質瀝青為盤錦90#瀝青；集料為玄武巖；礦粉為石灰巖礦粉；溫拌劑為山東交科院自制表面活性劑，摻量為瀝青質量的0.6%；膠粉為250μm(60目)和混合目(375，250，188μm(40，60，80目)膠粉的質量比為3∶3∶1)的膠粉顆粒，兩者摻量均為瀝青質量的20%.瀝青指標見表1.

1.2 瀝青混合料配合比設計

瀝青混合料級配為AC-16，采用馬歇爾設計方法.熱拌瀝青混合料(HMA)拌和溫度確定為180℃，溫拌瀝青混合料(WMA)拌和溫度采用等空隙率法確定為160℃.馬歇爾配合比設計結果見表2.

表1 基質瀝青和膠粉改性瀝青技術指標Table 1 Technological index of base and crumb rubber modified asphalts

表2 馬歇爾配合比設計結果Table 2 Marshall proportion of asphalt mixture design result

按配合比設計結果成型標準馬歇爾試件，測試其各項物理力學指標，結果見表3.其中VV為空隙率、VMA為礦料間隙率、VFA為瀝青飽和度、MS為馬歇爾穩定度、FL為流值.

表3 瀝青混合料基本物理力學指標Table 3 Basic physical & mechanical index of asphalt mixture

1.3 瀝青混合料配合比驗證

根據JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規范》要求，對馬歇爾配合比設計結果進行驗證，驗證結果滿足規范要求.

1.4 試件成型

先按照配合比進行瀝青混合料對應溫度(HMA 180℃，WMA 160℃)下的拌和；然后利用意大利MATEST公司產剪切壓實儀Asphalt Shear BOX(ASC)進行瀝青混合料壓實成型，得到剪切壓實試塊，其尺寸為450mm×150mm×180mm；最后利用與ASC配套的高精度切割機進行四點彎曲疲勞小梁試件(尺寸為380.0mm×63.5mm×50.0mm)的制作，試件誤差在各方向均小于2.0mm.

2 疲勞性能分析

2.1 疲勞性能試驗方案

按JTG E20—2011《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》中瀝青混合料四點彎曲疲勞壽命試驗條件，確定采用10 Hz，15℃條件下恒應變控制、連續偏正弦加載模式，終止條件為勁度模量(ST,t)下降至初始勁度模量的50%.其中，應變水平的確定需綜合考慮以下因素：模擬實際軸載大小(目前尚無實際路面軸載大小與實驗室應力水平的換算關系)，控制疲勞壽命103～107次.經測試，最終選定應變水平為600，700，800μm/m.

2.2 疲勞性能分析

疲勞性能的研究方法有現象學法、力學法及能耗理論3種.研究表明[6-8]，能耗理論是可獨立于試驗條件的一種理論.因此，本文選擇能耗理論來研究瀝青混合料疲勞性能.

2.2.1能耗理論

張婧娜等[9]研究認為黏彈性材料的破壞即為能量耗散過程，外力對材料做功后轉化成其他形式的能，即作為流動能被消耗、彈性應變能被儲存、裂紋產生和發展過程中形成新表面所需的表面能.但在疲勞試驗加載過程中，試件內部損傷不斷累積導致試件內部能量不斷耗散，耗散的能量并非轉化成彈性應變能或發展為新表面的表面能，而是以熱能形式向外耗散.瀝青混合料的黏彈特性使加載過程中應力與應變峰值發生滯后，應力-應變曲線形成滯后環.恒應變控制模式下，定義φ為應力滯后于應變的相位角，滯回曲線的面積即為荷載循環的耗散能.對1個周期內的應力-應變滯回曲線進行積分，即可得到單個循環的耗散能Wi：

(1)

式中：σt為最大拉應力，Pa；εt為最大拉應變，μm/m；ω為頻率.

由式(1)可得：

Wi=πσtεtsinφ

(2)

瀝青混合料達到疲勞破壞加載次數(疲勞壽命)Nf時的累積耗散能Wf表達式為：

(3)

Nf與累積耗散能Wf有如下關系：

Wf=ANfB

(4)

對式(4)兩邊同時進行以10為底的對數運算，可得：

lgWf=A+BlgNf

(5)

式中：A和B為由試驗確定的參數.

2.2.2HMA及WMA疲勞壽命分析

為研究瀝青混合料疲勞性能，將試驗所得數據進行雙對數坐標處理，結果如圖1所示.其中60-HMA,60-WMA,M-HMA和M-WMA分別代表250μm(60目)膠粉改性熱拌瀝青混合料、250μm(60目)膠粉改性溫拌瀝青混合料、混合目膠粉改性熱拌瀝青混合料和混合目膠粉改性溫拌瀝青混合料.

由圖1可知，4種瀝青混合料的累積耗散能Wf與疲勞壽命Nf在雙對數坐標下均存在良好線性關系，相關系數均在0.98之上，這表明此線性關系與試驗條件無關.

為研究溫拌劑及不同改性劑的摻入對瀝青混合料疲勞性能的影響，繪制瀝青混合料的Nf-ε，Wf-ε和ST,t-ε曲線，如圖2所示.

由圖2(a)可知：(1)4種瀝青混合料的Nf與Wf均隨應變水平增大而減小，且各瀝青混合料Nf和Wf均趨于相等，說明瀝青路面承受的交通荷載越大其疲勞壽命越小，且各材料隨著交通荷載的增大疲勞壽命不斷接近.這是由于較大交通荷載會使路面產生較大損傷，故較大交通荷載可作用次數減少，疲勞壽命降低，不同瀝青路面疲勞壽命相差較小.(2)相同應變水平下，混合目膠粉改性瀝青混合料累積耗散能Wf大于250μm膠粉改性瀝青混合料，說明混合目膠粉改性瀝青混合料抗疲勞性能更優.這是由于膠粉顆粒在高速剪切過程中發生解聚、脫硫等變化[10]后分子分裂、體積減小，使膠粉以較小顆粒填充于基質瀝青中，而混合目膠粉由于各粒徑膠粉顆粒按一定比例摻配，較小粒徑膠粉顆粒可填充于較大粒徑膠粉顆粒嵌擠后的空隙中，使得其在基質瀝青中的分布較單一的250μm膠粉更致密、穩定，即混合目膠粉改性瀝青混合料中彈性成分占比大于250μm膠粉改性瀝青混合料，黏塑性成分占比小于250μm膠粉改性瀝青混合料.就瀝青混合料而言，彈性成分形成的瞬時彈性變形可在卸載后即時恢復，而黏塑性成分造成的延遲彈性變形和卸載后的不可恢復變形會使材料將外力所做的功以熱能的形式[10]不斷向外消耗，并沒有轉化為彈性應變能，而能量的不斷耗散對應材料的不斷損傷，因此對于瀝青混合料來說，相比彈性成分，黏塑性成分的存在是造成其疲勞破壞的主要原因.由于混合目膠粉改性瀝青混合料較250μm膠粉改性瀝青混合料具有更小的黏塑性比例，因此混合目膠粉改性瀝青混合料具有更好的抗疲勞性能.(3)相同應變水平下，WMA累積耗散能Wf大于HMA，說明溫拌劑的摻入提高了瀝青混合料的抗疲勞性能.這首先是由于摻入溫拌劑降低了混合料的施工溫度，從而降低了混合料在施工過程中的熱老化，由于熱老化對混合料疲勞性能有不利影響[11]，所以溫拌劑的添加降低了老化對瀝青混合料疲勞性能的影響，其疲勞壽命得以提高；其次是由于表面活性劑特有的溫拌機理造成的，研究表明[12]，表面活性劑分子由極性親水基團和非極性親油基團構成，一端與瀝青牢固結合的同時另一端也與集料牢固結合，提高了瀝青與集料的黏附性能，而瀝青混合料疲勞裂縫會在瀝青與集料界面處發生，因此表面活性劑型溫拌劑的摻入可減少瀝青與集料界面處由于黏附性不足而發生的開裂現象，進而提高瀝青混合料抗疲勞性能.

圖1 Wf與Nf關系圖Fig.1 Relationship between Wf and Nf

圖2 瀝青混合料疲勞壽命相關參數與應變水平關系曲線Fig.2 Relationship curves between relative parameters of fatigue life and strain level of asphalt mixtures

由圖2(b)可知：隨應變水平的增加，各瀝青混合料達到疲勞破壞時累積耗散能減小，對應疲勞壽命降低.這是因為應變從600μm/m增加到700μm/m時，瀝青混合料勁度模量減小，恒應變模式下應力減小，導致每個加卸載循環過程耗散能減小，同時加載到試驗終止條件對應的荷載作用次數也減小，故累積耗散能減小；而應變從700μm/m增加到800μm/m時，瀝青混合料勁度模量增大，每個循環過程耗散能增加，但達到疲勞破壞時循環加載次數大幅減小，故累積耗散能減小.

2.2.3HMA及WMA疲勞損傷研究

瀝青混合料疲勞破壞包括3個階段：裂紋初始形成階段、裂紋穩定發展階段及破壞階段.疲勞破壞理論定義應當是第2階段末～第3階段初.中國現行規范中以瀝青混合料彎曲勁度模量下降至初始值的50%時對應的加載次數作為疲勞壽命.試驗過程中發現此時材料并未產生明顯宏觀裂縫，因此現行規范對于瀝青混合料疲勞壽命的判定偏保守.這雖然保證了瀝青混合料路用性能，但未完全發揮材料的性能，造成資源過多消耗.

理論分析表明，現行規范中的疲勞壽命并非瀝青混合料真正的疲勞壽命.為驗證理論分析結果，還需對試驗數據進行研究——通過對試驗數據處理分析得到反映材料內部變化的指標，同時結合疲勞破壞3階段驗證.由于耗散能只與材料本身性質有關，不受外界條件影響，故本文選擇反映耗散能變化情況的耗散能相對變化率(relative dissipated energy change ratio，RDEC)進行分析，其定義如下：

(6)

式中：i，j為試驗加載次數(i>j)；Wi，Wj是第i次、第j次加載過程中材料的耗散能.

將RDEC隨加載次數N的變化關系繪制為曲線，如圖3所示.

圖3 不同應變下瀝青混合料耗散能相對變化率與加載次數關系圖Fig.3 Relationship between RDEC and N in different strains of asphalt mixtures

由圖3可見：RDEC隨N變化情況可分為2個階段——第1階段RDEC數值較大但急劇下降，第2階段RDEC數值趨于0，但非常穩定，這說明以50%初始勁度模量作為疲勞破壞點時，材料僅經歷了初始裂紋形成及疲勞裂紋穩定發展2個階段，并未進入形成宏觀裂縫的疲勞破壞階段，這驗證了上述理論分析；RDEC散點圖均幾乎重疊，表明能耗理論是獨立于試驗條件的.

3 結論

(1)4種瀝青混合料累積耗散能與疲勞壽命在雙對數坐標下均呈良好的線性關系，且此關系不受試驗條件影響，其累積耗散能與疲勞壽命一一對應，相關系數均大于0.98.

(2)4種瀝青混合料隨應變水平的增加，其累積耗散能減少，疲勞壽命減小，且逐漸接近.

(3)改性劑影響瀝青混合料的疲勞性能：相同試驗條件下，混合目膠粉改性瀝青混合料疲勞壽命優于250μm(60目)膠粉改性瀝青混合料.

(4)表面活性劑溫拌劑可改善瀝青混合料的疲勞性能，相同條件下，WMA疲勞性能優于HMA.

(5)現行規范的疲勞壽命指標僅使瀝青混合料經歷疲勞破壞的前2個階段，且第2階段也并非全部.

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