瀝青疲勞特性的研究＊

單麗巖 譚憶秋 李曉琳

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院 哈爾濱 150090)

0 引 言

瀝青及瀝青混合料的疲勞問(wèn)題多年來(lái)一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)課題.而目前,單純研究瀝青疲勞特性的較少,多數(shù)研究者都著眼于改性瀝青或?yàn)r青膠漿疲勞特性的研究.袁燕[1]通過(guò)連續(xù)加載模式(包括：應(yīng)力控制和應(yīng)變控制2種)下的疲勞試驗(yàn),研究了改性瀝青的疲勞特性.李曉民[2]通過(guò)連續(xù)加載應(yīng)變控制模式下的疲勞試驗(yàn),分析了重復(fù)荷載作用下瀝青膠漿的性能變化規(guī)律.A.Shenoy[3]采用連續(xù)加載應(yīng)變控制模式,進(jìn)行了不同溫度下瀝青膠漿的疲勞試驗(yàn).雖然改性瀝青或?yàn)r青膠漿與瀝青的疲勞特性存在相似之處,但由于改性劑或膠漿的作用,并不能完全代表瀝青的疲勞特性.相反,基質(zhì)瀝青的疲勞特性才是改性瀝青、瀝青膠漿乃至瀝青混合料疲勞特性的基礎(chǔ).對(duì)基質(zhì)瀝青疲勞特性的研究是勢(shì)在必行的.

以上研究均采用的是連續(xù)加載模式,而在實(shí)際瀝青路面的使用過(guò)程中,車輛荷載對(duì)路面的作用是存在間歇時(shí)間的,即荷載的作用是不連續(xù)的.研究間歇加載模式下瀝青的疲勞特性更具有現(xiàn)實(shí)意義.早在20世紀(jì)70年代,K.D.Rainthby和A. B.Sterling[4]就開(kāi)始進(jìn)行間歇荷載作用下瀝青疲勞特性的研究.之后Bahia[5]利用DSR對(duì)不同的瀝青結(jié)合料進(jìn)行了間歇加載疲勞試驗(yàn).研究表明：間歇時(shí)間對(duì)瀝青的疲勞性能有重要影響.對(duì)于瀝青的自愈性,目前已經(jīng)得到研究者們的普遍認(rèn)可[6-7],但荷載停止作用后瀝青的自愈能力究竟達(dá)到什么程度目前還沒(méi)有研究.

針對(duì)以上問(wèn)題,本文研究了連續(xù)加載模式下, 2種瀝青的疲勞特性;采用4種疲勞評(píng)價(jià)指標(biāo)(50%G＊,DER,DR,δ)對(duì)其疲勞特性進(jìn)行了評(píng)價(jià),并對(duì)瀝青的自愈能力進(jìn)行了初步的探討.

1 材料及試驗(yàn)

對(duì)于連續(xù)加載模式下瀝青疲勞特性的研究,選用了2種70號(hào)基質(zhì)瀝青,分別記為A70#和B70#.采用DSR對(duì)瀝青施加連續(xù)荷載,荷載采用應(yīng)力控制模式.為了比較瀝青在不同應(yīng)力水平下的疲勞特性,選用了3種應(yīng)力水平100,200和300 kPa.試驗(yàn)溫度采用15℃.

對(duì)于瀝青自愈能力的研究,選用90號(hào)基質(zhì)瀝青進(jìn)行研究.同樣借助于DSR對(duì)瀝青施加連續(xù)荷載,荷載大小為300 kPa.當(dāng)瀝青的模量降低為初始模量的6%左右時(shí),停止荷載作用.之后每隔一段時(shí)間,測(cè)量瀝青的模量.試驗(yàn)溫度同樣采用15℃.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 連續(xù)加載模式下瀝青疲勞特性的研究

圖1～3為3種應(yīng)力水平下,瀝青的模量隨荷載作用次數(shù)的變化情況.由圖可見(jiàn),瀝青的疲勞性能隨著應(yīng)力的增大而降低.當(dāng)控制應(yīng)力較大時(shí),模量隨著荷載作用次數(shù)的增加而減小;當(dāng)控制應(yīng)力較小時(shí),模量隨著荷載的作用次數(shù)的增加先增大后減小.袁燕在研究瀝青膠漿的疲勞特性時(shí)也發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象,并稱這種現(xiàn)象為硬化現(xiàn)象,認(rèn)為是由于分子取向造成的.在3種應(yīng)力水平下,2種瀝青的疲勞曲線間的關(guān)系有明顯差異,主要表現(xiàn)為初始模量的大小及模量隨荷載作用次數(shù)的衰減情況.當(dāng)控制應(yīng)力為100 kPa時(shí),雖然A70#的初始模量大于B70#,但其疲勞性能并不比B70#好,這是由于在荷載作用下其性能下降的速度快.而當(dāng)控制應(yīng)力為200 kPa時(shí),A70#的初始模量和抗疲勞性能始終優(yōu)于B70#.由此可見(jiàn)控制應(yīng)力對(duì)瀝青的疲勞特性有重要影響.

圖1 應(yīng)力為100 kPa時(shí)瀝青的疲勞曲線

圖2 應(yīng)力為200 kPa時(shí)瀝青的疲勞曲線

圖3 應(yīng)力為300 kPa時(shí)瀝青的疲勞曲線

為了進(jìn)一步比較2種瀝青的疲勞特性,分別采用復(fù)數(shù)模量降低為初始復(fù)數(shù)模量50%的荷載作用次數(shù)(50%G＊)、累計(jì)耗散能比(DER)、耗散能變化率(DR)和相位角(δ)評(píng)價(jià)瀝青的疲勞壽命.DER和DR的定義見(jiàn)式(1)和式(2).

采用以上指標(biāo)所得到的2種瀝青的疲勞壽命如表1所列.由表可見(jiàn),對(duì)于同種瀝青,采用不同的疲勞評(píng)價(jià)指標(biāo)所得的疲勞壽命差異較大.此外,不同應(yīng)力水平下,所得到的2種瀝青的疲勞壽命關(guān)系不一致.當(dāng)應(yīng)力為100 kPa時(shí),B70#的疲勞壽命大于A70#;當(dāng)應(yīng)力為200 kPa時(shí),B70#的疲勞壽命小于A70#;而當(dāng)應(yīng)力為300 kPa時(shí),采用不同的疲勞評(píng)價(jià)指標(biāo)所得的疲勞壽命不同.這與在不同應(yīng)力水平下,2種瀝青疲勞曲線的關(guān)系不一致有關(guān),如圖1～3所示.將不同應(yīng)力、不用疲勞評(píng)價(jià)指標(biāo)下瀝青的疲勞壽命繪制在同一圖中,如圖4所示.由圖可見(jiàn),隨著應(yīng)力水平的增加, 2種瀝青之間疲勞特性的差異逐漸減小.由此說(shuō)明雖然這幾種瀝青疲勞評(píng)價(jià)指標(biāo)能在一定程度上反映瀝青的疲勞特性,但均存在一定不足,不能對(duì)瀝青的疲勞特性進(jìn)行確切的評(píng)價(jià).

圖4 不同評(píng)價(jià)指標(biāo)下兩種瀝青的疲勞壽命

表1 不同評(píng)價(jià)指標(biāo)下兩種瀝青的疲勞壽命

2.2 瀝青自愈能力的研究

圖5為瀝青模量隨時(shí)間變化的恢復(fù)情況.

圖5 瀝青的模量隨時(shí)間的恢復(fù)情況

由圖可見(jiàn),荷載停止作用初期瀝青模量的恢復(fù)程度較大,之后隨著時(shí)間的增加瀝青模量的恢復(fù)程度逐漸趨于平緩.采用二次多項(xiàng)式對(duì)模量隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行回歸,可以得到如圖中所示的回歸方程.將方程簡(jiǎn)寫為Ax2+Bx+C,該方程可以很好地模擬瀝青模量的恢復(fù)情況.當(dāng)荷載停止作用40 h后,瀝青的復(fù)數(shù)模量基本恢復(fù)到初值,但彈性模量和粘性模量的比例發(fā)生了變化.正是由于瀝青的自愈能力,單純采用連續(xù)加載模式研究瀝青的疲勞特性是不合適的.應(yīng)該考慮到自愈性對(duì)瀝青疲勞特性的影響.

3 結(jié) 論

1)瀝青的疲勞性能隨著應(yīng)力的增大而降低.當(dāng)控制應(yīng)力較大時(shí),模量隨著荷載作用次數(shù)的增加而減小;當(dāng)控制應(yīng)力較小時(shí),模量隨著荷載的作用次數(shù)的增加先增大后減小.

2)50%G＊,DER,DR,δ這幾種疲勞壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)均存在一定的不足,不能確切區(qū)分不同瀝青的疲勞特性.

3)瀝青的自愈性對(duì)瀝青的疲勞特性有重要影響.荷載停止作用初期,瀝青模量的恢復(fù)程度較大.當(dāng)時(shí)間足夠長(zhǎng)時(shí),瀝青的模量可以恢復(fù)到初始值,但粘彈比例發(fā)生了變化.

[1]袁 燕.改性瀝青膠漿的疲勞性能評(píng)價(jià)[D].廣州：華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,2005.

[2]李曉民.基于流變特性的瀝青膠漿評(píng)價(jià)方法及性能的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院,2006.

[3]Shenoy A.Fatigue testing and evaluation of asphalt binders using the dynamic shear rheometer[J].Journal of Testing and Evaluation,2002,30(4)：303-305.

[4]Raithby K D,Sterling A B.Effect of rest periods on fatigue performance of hot-rolled asphalt under reversed axial loading[J].Association of Asphalt Paving Technologists,1970,39：134-147.

[5]Bahia H,Zhai H,Bonnetti K.Non-linear viscoelastic and fatigue properties of asphalt binders[J].The Juournal of Association of Asphalt Paving Technologists,1999,68：1-34.

[6]劉洪海,吳少鵬,玄東興.瀝青路面碾壓離析的試驗(yàn)研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版, 2004,28(6)：899-902.

[7]董澤蛟,曹麗萍,譚憶秋.飽和狀態(tài)瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)的過(guò)程分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版,2009,33(6)：1 033-1 036.