老化及加載速率對(duì)SBS改性瀝青混合料強(qiáng)度與抗疲勞性能的影響分析

作者簡(jiǎn)介：丘禮球（1975—），高級(jí)工程師，主要從事高速公路建設(shè)管理工作。

文章旨在揭示加載速度和老化程度對(duì)SBS改性瀝青混合料強(qiáng)度與疲勞性能的影響。首先，對(duì)老化和未老化的SBS改性瀝青混合料進(jìn)行了不同加載速率下的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，建立了SBS改性瀝青混合料強(qiáng)度的非線性特性；然后，基于速度相關(guān)應(yīng)力比思想，提出了同時(shí)考慮老化程度與加載速度的應(yīng)力比，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同老化程度SBS改性瀝青混合料疲勞試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，揭示了老化對(duì)SBS改性瀝青混合料疲勞性能的影響。結(jié)果表明：瀝青混合料是一種粘彈性材料，其強(qiáng)度隨加載速度增大，而現(xiàn)行瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程中固定的強(qiáng)度試驗(yàn)加載速度與實(shí)際多變的行車速度不相符。同時(shí)，隨著老化程度的加劇，SBS改性瀝青混合料劈裂強(qiáng)度隨加載速度的增大幅度逐漸減少，且當(dāng)老化超過一定程度時(shí)，其強(qiáng)度迅速衰減。此外，采用速度相關(guān)應(yīng)力比的S-N疲勞方程分析發(fā)現(xiàn)，老化顯著增大了SBS改性瀝青混合料疲勞性能的應(yīng)力敏感性。

道路工程；疲勞性能；強(qiáng)度；SBS改性瀝青混合料；S-N疲勞方程

U414.1A200733

0?引言

疲勞開裂是瀝青路面結(jié)構(gòu)的主要破壞形式之一。因此，在路面設(shè)計(jì)中，瀝青混合料的疲勞特性一直被視為關(guān)鍵性設(shè)計(jì)指標(biāo)［1］。各國現(xiàn)行的瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范大多采用S-N疲勞方程來確定結(jié)構(gòu)強(qiáng)度系數(shù)。然而，S-N疲勞方程的應(yīng)力比通常是用固定強(qiáng)度試驗(yàn)條件下確定的強(qiáng)度值來計(jì)算的［2］。在瀝青路面的設(shè)計(jì)中，鮮有考慮加載頻率、應(yīng)力狀態(tài)等試驗(yàn)條件的影響，導(dǎo)致設(shè)計(jì)不夠科學(xué)、安全。為了準(zhǔn)確地表征瀝青混合料的疲勞性能，確定路面設(shè)計(jì)的有效結(jié)構(gòu)系數(shù)，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)瀝青混凝土的疲勞性能進(jìn)行了大量的研究［3-4］。

瀝青混合料是一種粘彈性材料，其力學(xué)性能受許多因素的影響，如應(yīng)力狀態(tài)、材料制備和環(huán)境條件［5］。Mangiafico等［6］發(fā)現(xiàn)瀝青混凝土的強(qiáng)度特性受加載速度和試驗(yàn)溫度的影響。因此，用恒定加載速率和試驗(yàn)溫度下的強(qiáng)度值來表征瀝青混凝土的疲勞特性是不合適的［7］。同時(shí)，瀝青混凝土的性能隨著瀝青路面使用年限的延長(zhǎng)而發(fā)生變化［8］，例如，瀝青混凝土的強(qiáng)度值隨老化程度的變化而變化。因此，需揭示加載速率及瀝青混合料的老化程度對(duì)其疲勞性能的影響，以準(zhǔn)確評(píng)價(jià)瀝青混合料的疲勞性能、預(yù)估其剩余疲勞壽命。

為此，本文基于SBS改性瀝青混合料的粘彈性特征，對(duì)不同老化程度SBS改性瀝青混合料進(jìn)行了不同加載速度下的強(qiáng)度試驗(yàn)，并基于強(qiáng)度的速度相關(guān)性及速度相關(guān)應(yīng)力比，對(duì)比分析老化程度對(duì)SBS改性瀝青混合料疲勞性能的影響。研究成果對(duì)SBS改性瀝青混合料的抗疲勞設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

1?原材料與試件制備

1.1?原材料與級(jí)配設(shè)計(jì)

本文以瀝青路面面層為研究對(duì)象，選取AC-13C型瀝青混合料，膠結(jié)料為SBS改性瀝青，粗集料選用石灰?guī)r集料，抗車轍劑采購成品。所選SBS改性瀝青及石灰?guī)r集料的主要技術(shù)性能指標(biāo)滿足JTGF40-2004的要求。

根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D50-2017）中的密級(jí)配瀝青混合料級(jí)配范圍，通過配合比設(shè)計(jì)合成了本文所用的AC-13瀝青混合料集料級(jí)配，如圖1所示。

1.2?試件制備及老化處理

本文根據(jù)瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程中提出的瀝青混合料短期老化和長(zhǎng)期老化試驗(yàn)方法，將拌和好的瀝青混合料松散料放于溫度為135 ℃的烘箱中老化4 h，模擬瀝青混合料制備與施工過程中產(chǎn)生的短期老化，再壓實(shí)成型車轍板試件。由于車轍是在路面服役期間產(chǎn)生的病害，即均為短期老化后的瀝青混合料，故本文將短期老化后的瀝青混合料試件設(shè)定為對(duì)照組。在此基礎(chǔ)上，將車轍板試件放于溫度為85 ℃的烘箱中老化120 h，模擬瀝青路面在服役過程中的熱老化。此外，為研究水環(huán)境老化對(duì)瀝青混合料抗車轍性能的影響，在長(zhǎng)期老化試件的基礎(chǔ)上將試件浸沒在溫度為80 ℃的水中，老化24 h，進(jìn)行高溫水浴老化。

2不同老化程度與加載速度下瀝青混合料強(qiáng)度的非線性特性

[JP1]為揭示老化程度及加載速度對(duì)SBS改性瀝青混合料強(qiáng)度的影響，分別對(duì)短期老化、長(zhǎng)期老化及高溫水浴老化三種不同老化程度的SBS改性瀝青混合料試件開展了不同加載速率下的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)。加載速率分別為應(yīng)力控制模式下的1 MPa/s、3 MPa/s、5 MPa/s、10 MPa/s、15 MPa/s、20 MPa/s以及試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定的應(yīng)變控制模式下的固定加載速率50 mm/min。

2.1?加載速率對(duì)SBS改性瀝青混合料強(qiáng)度的影響

以未老化SBS改性瀝青混合料為例，不同加載速率下的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，SBS改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度隨加載速率呈冪函數(shù)增大，而非固定值，其原因是SBS改性瀝青為典型的粘彈性材料，在高加載速率下表現(xiàn)出更多的彈性特征。SBS改性瀝青混合料劈裂強(qiáng)度與加載速度的關(guān)系表示如式（1）：

同時(shí)，試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定加載速率所得強(qiáng)度值為1.27 MPa，代入式（1）計(jì)算對(duì)應(yīng)的等效加載速率為9.2 MPa/s，該速率與常規(guī)車輛行駛速度的相關(guān)性還有待驗(yàn)證，且單一加載速率下的強(qiáng)度值無法客觀反映路面在不同行駛速度車輛作用下的抗力。

2.2?加載速率與老化程度對(duì)SBS改性瀝青混合料強(qiáng)度的耦合作用

SBS改性瀝青及混合料在服役過程中直接受到光、熱、水和雪等環(huán)境因素的影響，SBS與瀝青皆發(fā)生不同程度的老化，性能逐漸衰退。由以往研究可知，按試驗(yàn)規(guī)程中的加載速率測(cè)得的SBS改性瀝青混合料劈裂強(qiáng)度值隨老化程度逐漸增大［9］。本文除熱老化外，也對(duì)高溫水浴老化后的SBS改性瀝青混合料試件進(jìn)行了劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可見，老化使得SBS改性瀝青混合料的劈裂強(qiáng)度增大，相比于未老化的SBS改性瀝青混合料，短期老化SBS改性瀝青混合料劈裂強(qiáng)度增大14.9%、長(zhǎng)期老化增大45.7%，高溫水浴老化增大20.5%。但SBS改性瀝青混合料劈裂強(qiáng)度并非隨老化程度的加劇而呈單調(diào)遞增，當(dāng)老化超過一定程度時(shí)，強(qiáng)度值逐漸衰退。其原因是，SBS改性瀝青混合料的老化過程中，瀝青由于輕組分的揮發(fā)與轉(zhuǎn)換發(fā)生硬化，使得SBS改性瀝青混合料的強(qiáng)度增大；但同時(shí)，老化過程還伴隨著瀝青內(nèi)部微裂紋的積累及SBS改性劑的老化，使得SBS改性瀝青混合料的強(qiáng)度衰退。在一定老化程度范圍內(nèi)，瀝青的硬化作用占主導(dǎo)作用，超過該范圍后，SBS改性瀝青混合料逐漸松散。故本文高溫水浴老化后SBS改性瀝青混合料強(qiáng)度較長(zhǎng)期老化的降低了17.3%。

SBS改性瀝青老化后，降低了其粘彈性特性，不同老化程度的SBS改性瀝青混合料在不同加載速率下的強(qiáng)度表現(xiàn)出的非線性特征亦存在區(qū)別。因此，本文對(duì)不同老化程度SBS改性瀝青混合料進(jìn)行了不同加載速率下的劈裂強(qiáng)度試驗(yàn)，以揭示老化與加載速率對(duì)SBS改性瀝青混合料強(qiáng)度的耦合作用，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，無論是未老化、短期老化還是長(zhǎng)期老化的SBS改性瀝青混合料均具有粘彈性特性，其劈裂強(qiáng)度值隨加載速率的增大而增大。但隨著老化程度的加劇，粘彈性特性逐漸減弱，劈裂強(qiáng)度值隨加載速率的變化趨于平緩。短期老化與長(zhǎng)期老化SBS改性瀝青混合料劈裂強(qiáng)度值隨加載速率的變化關(guān)系式分別見式（2）與式（3）。

如前所述，SBS改性瀝青混合料的老化過程是瀝青硬化與內(nèi)部微裂縫積累過程，當(dāng)老化超出一定范圍后，SBS改性瀝青混合料逐漸松散，其性能逐步惡化。如圖5所示，高溫水浴老化后的SBS改性瀝青混合料劈裂強(qiáng)度隨加載速率增大而逐漸減小。由此可推測(cè)，當(dāng)老化超出一定程度后，SBS改性瀝青混合料黏性特性幾近消失，而老化導(dǎo)致的裂紋大量擴(kuò)展，導(dǎo)致SBS改性瀝青混合料蓬松化，其強(qiáng)度顯著降低。

3基于強(qiáng)度非線性特性的不同老化瀝青混合料疲勞性能表征

瀝青混合料的疲勞特性通常采用S-N疲勞方程進(jìn)行表征，其表達(dá)式如式（2）所示。

在采用S-N疲勞方程表征SBS改性瀝青混合料的疲勞特性時(shí)，選取的是試驗(yàn)規(guī)程中規(guī)定的固定加載速率下測(cè)得的強(qiáng)度值。但在固定加載頻率的疲勞試驗(yàn)中，隨著應(yīng)力比的變化，作用于SBS改性瀝青混合料的荷載速率也發(fā)生變化。故S-N疲勞方程未考慮加載速率對(duì)強(qiáng)度與疲勞的影響。為此，長(zhǎng)沙理工大學(xué)呂松濤教授提出了加載速率相關(guān)應(yīng)力比的概念，修正了S-N疲勞方程中的應(yīng)力比，建立了基于速度相關(guān)應(yīng)力比的S-N疲勞方程，如式（3）所示。

本文基于此疲勞方程與圖5建立的老化與加載速率耦合作用下的強(qiáng)度變化模型，以6 kN、10 kN及12 kN等3種荷載，在加載頻率為10 Hz、試驗(yàn)溫度為25 ℃的條件下，對(duì)不同老化程度的SBS改性瀝青混合料進(jìn)行劈裂疲勞試驗(yàn)，以揭示不同老化程度下SBS改性瀝青混合料的疲勞特性。三種荷載按傳統(tǒng)S-N疲勞方程及速度相關(guān)應(yīng)力比的S-N疲勞方程計(jì)算應(yīng)力比，結(jié)果如表1所示。

采用傳統(tǒng)S-N疲勞方程表征SBS改性瀝青混合料劈裂疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

對(duì)比分析圖5中不同老化程度的SBS改性瀝青混合料的疲勞曲線與實(shí)際情況不符。相同疲勞試驗(yàn)結(jié)果采用速度相關(guān)應(yīng)力比的S-N疲勞方程表征時(shí)，SBS改性瀝青混合料劈裂疲勞試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

對(duì)比分析圖6中不同老化程度SBS改性瀝青混合料的疲勞曲線，可見，不同老化程度的SBS改性瀝青混合料的疲勞曲線相互呈一定夾角。其疲勞曲線斜率隨老化程度的加劇而增大，即老化增大了SBS改性瀝青混合料疲勞性能的應(yīng)力敏感性。不同老化程度SBS改性瀝青混合料疲勞曲線的擬合結(jié)果如表2所示。

此外，圖6揭示了在同一荷載條件下，老化后的SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命之所以高于未老化的，是因?yàn)槔匣沟肧BS改性瀝青混合料的強(qiáng)度增大，在相同荷載條件下對(duì)應(yīng)的疲勞應(yīng)力比小。

4?結(jié)語

本文基于SBS改性瀝青混合料的粘彈性特征，對(duì)不同老化程度SBS改性瀝青混合料進(jìn)行了不同加載速度下的強(qiáng)度試驗(yàn)，并基于強(qiáng)度的速度相關(guān)性及速度相關(guān)應(yīng)力比，對(duì)比分析了老化程度對(duì)SBS改性瀝青混合料疲勞性能的影響，得到如下結(jié)論。

（1）現(xiàn)行瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程中固定了強(qiáng)度試驗(yàn)的加載速度調(diào)節(jié)，但瀝青混合料是一種粘彈性材料，其強(qiáng)度隨加載速度增大，故而試驗(yàn)規(guī)程中的方法獲取的瀝青路面材料強(qiáng)度參數(shù)未能客觀反映瀝青路面對(duì)不同行駛速度下的車輛產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)抗力。

（2）老化使得瀝青混合料硬化，其強(qiáng)度增大，但其粘彈特性減弱，表現(xiàn)為隨著老化程度的加劇，SBS改性瀝青混合料劈裂強(qiáng)度隨加載速度的增大幅度逐漸減少，且老化使得SBS改性瀝青混合料不斷積累微裂縫，當(dāng)老化超過一定程度時(shí)，其強(qiáng)度迅速衰減。

（3）采用速度相關(guān)應(yīng)力比的S-N疲勞方程充分考慮了SBS改性瀝青混合料的粘彈性特征。相比于傳統(tǒng)S-N疲勞方程，能夠更準(zhǔn)確地揭示老化對(duì)SBS改性瀝青混合料疲勞性能的影響。

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