瀝青品種對(duì)澆筑式瀝青混凝土疲勞性能的影響

郝 增 恒

(1.重慶交通大學(xué)土木建筑學(xué)院，重慶400074;2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司，重慶400060)

澆筑式瀝青混凝土(Gussasphalt，GA)一般不需要碾壓，只需簡(jiǎn)單的攤鋪整平就可完成施工［1］。澆筑式瀝青混凝土的膠結(jié)料為湖瀝青、普通改性瀝青或二者的混合物以及聚合物改性瀝青，油石比非常高(約為 7% ～11%)，拌合溫度很高(210～240℃)，礦粉含量(24% ～31%)比普通瀝青混凝土高出3倍，拌合時(shí)間非常長(zhǎng)，約為40～45 min。澆筑式瀝青混凝土較高的瀝青含量及細(xì)集料使粗集料處于懸浮狀態(tài)，是典型的懸瀑密集配結(jié)構(gòu)，空隙率非常小(不足1%)。

國(guó)內(nèi)研究者對(duì)澆筑式瀝青混凝土的疲勞性能也開展了一些研究。吳文軍［2］采用正交試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)原理，研究了瀝青含量、應(yīng)變水平、拌合溫度等因素對(duì)澆筑式瀝青混凝土的抗疲勞性能的影響，得出了不同影響因素下澆筑式瀝青混凝土疲勞壽命預(yù)估方程;張華，等［3-4］采用耗散能量法對(duì)澆筑式瀝青混凝土的抗疲勞開裂性能進(jìn)行了深入研究，研究結(jié)果表明澆筑式瀝青混凝土的疲勞壽命與累積耗散能在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下存在良好的線性關(guān)系，并且將澆筑式瀝青混凝土的勁度模量隨加載次數(shù)的累積分為3個(gè)階段，以此建立了新的疲勞破壞判定方法。

澆筑式瀝青混凝土雖然有優(yōu)異的抗疲勞性能、防水性能和低溫抗變形能力。但是在惡劣的交通和氣候環(huán)境下，鋪裝結(jié)構(gòu)層也出現(xiàn)了疲勞裂縫［5］。筆者通過不同膠結(jié)料對(duì)澆筑式瀝青混凝土疲勞性能的影響進(jìn)行了研究。

1 疲勞試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)設(shè)備采用的是澳大利亞IPC公司生產(chǎn)的BFA液壓獨(dú)立式四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)。可以自動(dòng)計(jì)算并顯示每一時(shí)刻的彎曲勁度模量、耗散能、彈性模量、滯后角和循環(huán)加載次數(shù)等。且能自動(dòng)判斷疲勞破壞條件，為評(píng)價(jià)澆筑式瀝青混凝土疲勞性能提供了多方面途徑。

疲勞試驗(yàn)方法：四點(diǎn)小梁彎曲;加載波形：Haversine(偏正弦波);加載頻率：10 Hz;試驗(yàn)溫度：15℃;應(yīng)變水平：700 ×10－6;油石比：8.7;試件尺寸：385 mm×65 mm×50 mm。疲勞破壞判斷標(biāo)準(zhǔn)：勁度模量下降至初始勁度模量的50%(循環(huán)加載第100次時(shí)的勁度模量為初始勁度模量)。

1.2 膠結(jié)料和級(jí)配的選擇

因?yàn)闈仓綖r青混凝土需要在高溫下澆注施工，所以要求混合料有非常好的流動(dòng)性，必然要求澆筑式瀝青混凝土的膠結(jié)料有較高的黏度。PmB25在德國(guó)廣泛應(yīng)用于澆筑式瀝青混凝土施工中。國(guó)內(nèi)通常選用SBS改性劑、湖瀝青、基質(zhì)瀝青進(jìn)行復(fù)合改性，其中SBS的含量約為4% ～6%，湖瀝青的摻量為15%～25%之間。試驗(yàn)研究選用了SBS復(fù)合改性瀝青、PmB25以及由重慶智翔鋪道技術(shù)工程有限公司自主研發(fā)的聚合物改性瀝青(ZX-30)，技術(shù)指標(biāo)見表1。澆筑式瀝青混凝土在工程應(yīng)用中油石比選取范圍為8.0～9.5，所以文中研究選取的油石比為：8.2，8.7 和 9.2，這可以較好的表征澆筑式瀝青混凝土的路用性能，混合料性能路用性能見表2，級(jí)配見表3。

表1 改性瀝青技術(shù)指標(biāo)Table 1 Technology index of modified asphalt

表2 不同改性瀝青GA10性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 GA10 performance test results with different types of modified asphalt

表3 澆筑式瀝青混凝土級(jí)配Table 3 Gradation of gussasphalt concrete /%

2 疲勞試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 勁度模量結(jié)果分析

瀝青混凝土的勁度模量是一個(gè)非常重要的材料特性指標(biāo)［5］。四點(diǎn)小梁彎曲在應(yīng)變控制下的疲勞試驗(yàn)是以勁度模量下降至初始勁度模量的50%作為疲勞破壞標(biāo)準(zhǔn)［6-7］。因此，勁度模量變化規(guī)律可以準(zhǔn)確表征澆筑式瀝青混凝土疲勞行為特性，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 勁度模量與加載次數(shù)Fig.1 Loading cycles and stiffness modulus

從圖1可知，不同改性瀝青拌合的澆筑式瀝青混凝土的初始勁度模量差異較大。油石比為8.2時(shí)，PmB25拌合的澆筑式瀝青混凝土的初始勁度模量最大，為12 216 MPa;SBS復(fù)合改性次之，為9 082 MPa;ZX-30最小，為8 610 MPa。油石比為8.7和9.2時(shí)，澆筑式瀝青混凝土的初始勁度模量也是PmB25最大，SBS復(fù)合改性次之，ZX-30最小的規(guī)律。不難看出，澆筑式瀝青混凝土采用硬質(zhì)瀝青(高黏度瀝青)和較高的瀝青用量，澆筑式瀝青混凝土的初始勁度模量由選用的不同瀝青品種的黏度所決定。改性瀝青的低溫黏度越高，其初始勁度模量也越大，隨著瀝青用量的增加，初始勁度模量降低。

2.2 疲勞性能分析

瀝青混凝土在室內(nèi)測(cè)試的疲勞試驗(yàn)結(jié)果離散性比較大，四點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)中的小梁試件處于簡(jiǎn)支的狀態(tài)，單向受拉，而瀝青混凝土在實(shí)際中是受到基層支承，受力狀態(tài)為雙向彎拉。所以在應(yīng)用中呈現(xiàn)的疲勞壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出室內(nèi)測(cè)試的疲勞壽命［8］。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 加載次數(shù)與瀝青品種Fig.2 Loading cycles and asphalt species

圖2為3種瀝青膠結(jié)料在700應(yīng)變水平下的疲勞壽命，由圖2可知瀝青品種對(duì)澆筑式瀝青混凝土的疲勞性能影響比較顯著，SK復(fù)合改性瀝青和ZX-30改性瀝青拌和的澆筑式瀝青混凝土均呈現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能，加載循環(huán)次數(shù)達(dá)到了100萬次以上。PmB25拌和的澆筑式瀝青混凝土疲勞壽命較短，循環(huán)次數(shù)只有幾萬次。

隨著SK復(fù)合改性瀝青和ZX-30改性瀝青用量的增加，疲勞壽命有顯著提高，而PmB25使用量的增加其疲勞壽命變化較小。

2.3 滯后角分析

滯后角是一個(gè)表征瀝青混凝土材料的黏彈比大小的指標(biāo)，滯后角越大，瀝青混合料越傾向于黏性，反之則傾向于彈性［9］。滯后角計(jì)算見式(1)：

θ=360f s (1)式中：f為加載頻率;s為應(yīng)變隨應(yīng)力產(chǎn)生滯后的時(shí)間。

相同油石比條件下，澆筑式瀝青混凝土的初始滯后角的變化受膠結(jié)料技術(shù)性能的影響較大，說明不同的膠結(jié)料對(duì)澆筑式瀝青混凝土的黏彈性影響比較大。澆筑式瀝青混凝土的初始滯后角表現(xiàn)為：SBS復(fù)合改性瀝青＞ZX-30＞PmB25。加載初期，澆筑式瀝青混凝土的滯后角增幅明顯，加載中期和末期，滯后角增幅逐漸減小。SBS復(fù)合改性瀝青和ZX-30改性瀝青的滯后角增加的速率小于PmB25。但是SBS復(fù)合改性瀝青和ZX-30累積的加載次數(shù)顯著高于PmB25，所以在一定程度上滯后角反映了澆筑式瀝青混合料抵抗加載變形的能力，滯后角與加載次數(shù)見圖3。

圖3 加載次數(shù)與滯后角Fig.3 Loading cycles and lag angles

3 結(jié)語

筆者通過應(yīng)變控制模式下的小梁4點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，對(duì)澆筑式瀝青混合料結(jié)合料的疲勞特性進(jìn)行了深入研究。得出瀝青品種對(duì)澆筑式瀝青混合料的疲勞性能影響非常顯著，不同瀝青品種和瀝青用量下，其勁度模量是有明顯差別的。復(fù)合SK改性瀝青和ZX-30改性瀝青拌合的澆筑式瀝青混凝土均呈現(xiàn)出優(yōu)異的抗疲勞性能，加載循環(huán)次數(shù)達(dá)到了100萬次以上。不同膠結(jié)料對(duì)澆筑式瀝青混合料的黏彈性能影響較大，澆筑式瀝青混合料的滯后角愈大則疲勞壽命愈好。

［1］吳文軍，張華，錢覺時(shí).澆筑式瀝青混凝土應(yīng)用現(xiàn)狀綜述［J］.公路交通技術(shù)，2009，6(3)：59-62.Wu Wenjun，Zhang Hua，Qian Jueshi.Summarization of the research and application status of gussasphalt concrete［J］.Technology of Highway and Transport，2009，6(3)：59-62.

［2］吳文軍.澆筑式瀝青混凝土疲勞特性研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2009.Wu Wenjun.Study on the Fatigue Performance of Gussasphalt Concrete［D］.Chongqing：Chongqing University，2009.

［3］張華.澆筑式瀝青混凝土(GA)疲勞特性研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2010.Zhang Hua.Fatigue Performance of Gussasphalt Concrete(GA)［D］.Chongqing：Chongqing University，2010.

［4］張華，錢覺時(shí)，吳文軍，等.澆筑式瀝青混凝土疲勞壽命的能量法［J］.土木建筑與環(huán)境工程，2010，32(4)：135-140.Zhang Hua，Qian Jueshi，Wu Wenjun，et al.Research on the fatigue life of Gussasphalt concrete based on energy method ［J］.Journal of Civil Architectural and Environmental Engineering，2010，32(4)：135-140.

［5］Van Dijk W，Moreaud H，Quedeville A，et al.The fatigue of bit-umen and bituminous mixes［C］//3rdInternational Conference on StructuralDesign ofAsphaltPavements. London： Grosvenor House，1972：38-74.

［6］Castro M，Sanchez J A.Estimation of asphalt concrete fatigue curves-a damage theory approach［J］.Construction and Building Materials，2008，22(6)：1232-1238.

［7］Lin Ye.On fatigue damage accumulation and material degradation in composite materials ［J］.Composites Science and Technology，1989，36(4)：339-350.

［8］沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能［M］.北京：人民交通出版社，2001.Shen Jin’an.Asphalt and Asphalt Mixture Performance［M］.Beijing：China Communications Press，2001.

［9］張肖寧.瀝青與瀝青混合料的粘彈力學(xué)［M］.北京：人民交通出版社，2006.Zhang Xiaoning.Asphalt and Asphalt Mixture Visco-Elastic Mechanics［M］.Beijing：China Communications Press，2006.