老化條件對排水瀝青混合料疲勞性能的影響研究

張衛兵 張嘉豪 韋宗

摘要：為分析老化對排水瀝青混合料疲勞性能的影響，文章根據規范對排水瀝青混合料PAC-13進行了短期老化和長期老化試驗，利用兩參數威布爾分布分析了試驗得到的疲勞壽命數據，并根據威布爾分布參數，得到了單對數和雙對數PAC-13的疲勞方程。研究結果表明：兩參數威布爾分布可以描述排水瀝青混合料的疲勞壽命，且疲勞壽命分布不隨老化條件而改變;老化后PAC-13的抗疲勞性能更差，且應力比對疲勞壽命的影響更顯著;經過短期和長期老化后的PAC-13疲勞壽命遞減，設計中應考慮老化所造成的壽命折減;隨老化時間的增加，給定疲勞壽命對應的排水瀝青混合料PAC-13的理論應力水平降低，表明老化后其抗疲勞性能越來越差。

關鍵詞：道路工程;瀝青路面;排水瀝青混合料;疲勞性能;威布爾分布

0 引言

在潮濕路面條件下，傳統瀝青路面表面往往存在水膜，容易產生滑水、飛濺和噴霧等現象，從而導致路面抗滑性能較差。通常雨天事故是晴天的3～4倍，山區道路的情況更為嚴重[1]。多孔瀝青路面排水能力強，降雨時路面表面幾乎無水膜，可顯著提高駕駛安全性。日本的研究表面，使用多孔瀝青路面可減少80%的雨天事故，輪胎與路面間的噪聲也可以降低[2]。我國曾于20世紀80年代開始研究多孔瀝青路面，因鋪筑的試驗路在通車后常發生車轍、疲勞與松散等破壞，從而暫時擱置了這方面的研究。進入21世紀，隨著社會對高質量高速公路需求的增長以及改性瀝青的發展，大量研究人員又開始逐步進行多孔瀝青路面研究。

陳華鑫等[3]對世界各國的排水瀝青路面設計方法進行了介紹，得出大部分國家主要采用析漏和飛散試驗確定最佳油石比。陳劍等[4]研究了排水瀝青混合料PAC-13的材料組成設計。沙愛民等[5]研究了空隙率、油石比和浸水狀態對排水瀝青混合料疲勞特性的影響。黎曉等[6]進行了排水瀝青混合料疲勞損傷耗散能變化比的研究，建立了可以反映材料疲勞損傷本質的疲勞壽命預估模型。以前研究尚未考慮老化條件對排水瀝青混合料疲勞性能的影響，現大多研究關注于老化對傳統瀝青混合料疲勞性能的影響。如呂松濤[7-9]研究了老化瀝青混合料粘彈性損傷特性，并用真實應力比與耗散能研究了瀝青混合料疲勞性能及方程。

多孔瀝青混合料的空隙率是密級配混合料空隙率的3～4倍，加之使用過程中車輛荷載、溫度和水流等因素的作用，更易發生疲勞破壞。瀝青路面施工過程中，混合料一直處于高溫狀態;路面服役過程中，長期經受自然環境和行車荷載重復作用，均會導致瀝青混合料老化程度的增加，因此研究排水瀝青混合料疲勞性能受老化影響的規律極其重要。

1 原材料與試驗方法

1.1 原材料

試驗采用的母體瀝青為SBS改性瀝青。高粘瀝青的制備過程如下：將SBS改性瀝青在烘箱中加熱至160 ℃，待其具有一定的流動性后，加入8%的TPS高粘劑，溫度控制在180 ℃左右，將剪切儀轉速增至5 000 r/min，剪切60 min后置于烘箱中發育120 min。根據JTE E20-2011[10]，測定的SBS改性瀝青與高粘瀝青的技術指標如表1所示。

集料選用玄武巖，礦粉選用石灰巖，相關技術指標滿足《排水瀝青路面設計與施工技術規范》的要求[11]。混合料礦料級配如表2所示。根據析漏與飛散試驗，得到最佳瀝青用量為4.7%，設計空隙率為20%。

1.2 試驗方案

根據確定的配合比，進行疲勞試件的制備和老化處理。制備疲勞試件前，首先根據T0734-2000對拌和的松散混合料進行短期老化4 h，溫度為135 ℃，然后由輪碾成型排水瀝青混合料板試件，并切割為380 mm×50 mm×63.5 mm小梁試件，選取部分經短期老化后成型的小梁試件進行長期老化，在85 ℃的烘箱中，強制通風加熱120 h，然后自然冷卻≥16 h至室溫備用。

根據T0739-2011進行四點彎曲疲勞壽命試驗，試驗溫度為15 ℃，加載頻率為10 Hz，加載模式為應力控制模式，采用正弦波荷載，應力比為0.1，應力水平分別為0.3、0.4、0.5、0.6，每個試驗條件進行4次平行試驗。當彎曲勁度模量衰減到初始彎曲勁度模量50%時，試驗終止。

2 排水瀝青混合料的疲勞特性

2.1 不同老化程度的排水瀝青混合料疲勞壽命分析

瀝青混合料的疲勞壽命具有隨機性和分散性。為了合理描述和利用疲勞壽命數據，通常借助統計概率分布來對試驗數據進行分析。概率模型主要包括正態分布模型、對數正態分布模型和雙參數威布爾分布模型等，其中雙參數威布爾分布是最常用的模型。在本研究中，利用雙參數威布爾分布對排水瀝青混合料PAC-13的疲勞壽命數據進行統計分析，其概率分布函數和累積分布函數為：

圖4給出了不同老化程度的排水瀝青混合料PAC-13的疲勞方程的擬合參數。這個兩種疲勞方程的參數a、b能夠直觀反映排水瀝青混合料PAC-13的疲勞性能：a值表示疲勞曲線與縱坐標的交點，a值越大，應力水平越大，PAC-13耐疲勞性能越好;b值表示應力比對疲勞壽命影響的敏感程度，b值越小，疲勞曲線越緩，說明應力比變化對疲勞壽命的影響越敏感。

基于表4中的單對數和雙對數疲勞方程，可計算1萬次疲勞壽命對應的疲勞極限應力值，如表5所示。工程設計人員可根據表4中的S-N回歸公式估算不同老化程度的排水瀝青混合料PAC-13的彎曲疲勞壽命。

表5顯示了基于單對數和雙對數疲勞方程的不同老化程度PAC-13的理論應力水平。當疲勞失效次數為1萬次時，理論應力水平隨老化程度的增加而減小。與未老化相比，短期老化后PAC-13的理論應力水平減小了12.8%（根據單對數疲勞方程計算）和12.5%（根據雙對數疲勞方程計算）;與短期老化相比，長期老化后PAC-13的理論應力水平減小了27.1%（根據單對數疲勞方程計算）和22.5%（根據雙對數疲勞方程計算）。這進一步驗證排水瀝青混合料PAC-13的疲勞性能隨老化時間的增加而降低。