瀝青混合料自愈合特性四點彎曲疲勞試驗研究

黃衛(wèi)東，李本亮，黃 明

（1.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804；2.上海市政工程設計研究總院 博士后工作站，上海 200092）

瀝青材料具有自愈合能力，傳統(tǒng)的疲勞研究大多沒有考慮瀝青的這種愈合能力，從而低估了瀝青材料的疲勞壽命.Bazin等［1］認為，瀝青材料的自愈合是勁度模量和強度的自我修復過程，它發(fā)生在損害過程中、停歇狀態(tài)下或高溫期間.許多研究［1－8］均證明了瀝青材料的自愈合特性，并確定了加載應變、間歇時間、混合料結構及改性瀝青、不同的加載間歇比例等因素對自愈合的影響.但是，既有研究［9－10］多基于基質瀝青，對改性瀝青混合料的研究較少，而且國內(nèi)表面層普遍使用改性瀝青，其疲勞性能是關注的重點.本文通過疲勞試驗研究瀝青混合料的自愈合能力與特性，以期為其疲勞壽命用于路面設計提供技術支撐.

1 原材料與試驗方法

1.1 瀝青

在埃索70?；|瀝青中摻入4.5%（質量分數(shù)）線性SBS，通過剪切、攪拌并經(jīng)發(fā)育制備SBS 改性瀝青；溶解性膠粉改性瀝青（TB 改性瀝青）采用成品瀝青，其表面光滑，存儲穩(wěn)定，性能等級為PG58－28.試驗用瀝青性能指標見表1.

表1 試驗用瀝青性能指標Table 1 Characteristic of asphalt used

橡膠瀝青（AR）由埃索70?；|瀝青內(nèi)摻20%（質量分數(shù)）的425μm（40 目）膠粉（金華產(chǎn)），在185℃攪拌1.5h制成.

1.2 礦料和級配

礦料采用江蘇溧陽產(chǎn)的粗集料，分為3～5，5～10，10～15檔，細集料使用浙江吉安產(chǎn)0～3mm 石灰?guī)r，填料使用石灰?guī)r礦粉.集料各項指標符合JTG F40—2004《公路瀝青路面施工技術規(guī)范》要求.TB，SBS改性瀝青混合料采用AC13級配，混合料的級配曲線見圖1.TB－AC13和SBS－AC13采用4%（體積分數(shù)）的目標空隙率，瀝青用量（質量分數(shù)）分別為4.7%，4.6%；AR 采用5.5%（體積分數(shù)）的目標空隙率，瀝青用量為7.6%.

1.3 試驗方法

采用小型震動壓路機碾壓成型瀝青混合料板（通過碾壓次數(shù)來控制試件空隙率），而后切割成400mm×63.5mm×50mm 的小梁試件.參照美國AASHTO T321標準［11］進行應變控制四點彎曲疲勞試驗，選用第50 次的勁度模量作為初始勁度模量.疲勞試驗條件見表2.

瀝青混合料疲勞壽命確定方法有50%勁度模量衰減（Nf50）方法［11］和歸一化勁度模量峰值（NfNM）方法［12］.研究表明，Nf50適用于基質瀝青，而NfNM更適用于改性瀝青［13］.考慮到試驗所用瀝青包括基質和改性瀝青，試驗中依研究對象和試驗條件選取不同方法.

瀝青混合料的自愈合發(fā)生在加載過程中和間歇期，依自愈合的發(fā)生時間不同，將自愈合分為即時自愈合和后期自愈合.即時自愈合伴隨加載過程發(fā)生，通過改變加載頻率來分析即時自愈合；后期自愈合在加載停止的間歇期內(nèi)發(fā)生，通過變化間歇條件來分析后期自愈合.

圖1 試驗混合料級配Fig.1 Gradation of asphalt mixture used

表2 應變控制四點彎曲疲勞試驗條件Table 2 Strain－controlled four point bending fatigue test parameters

2 即時自愈合試驗結果與分析

對基質瀝青、SBS改性瀝青和TB 改性瀝青混合料進行3個頻率的疲勞試驗.瀝青用量為5%，應變水平為1 000×10－6，試驗溫度為15 ℃.試驗發(fā)現(xiàn)，Nf50小于NfNM，且二者差值基質瀝青較小，改性瀝青較大.對于瀝青材料，從Nf50到NfNM是微裂縫的形成與發(fā)展階段，體現(xiàn)了瀝青的愈合性能.由于自愈合能力強的瀝青混合料Nf50與NfNM差值較大，因此可通過RL（即疲勞壽命比NfNM／Nf50）值來解釋這種自愈合作用.

圖2 瀝青混合料勁度模量與加載頻率的關系Fig.2 Relationship of asphalt mixture stiffness and loading frequency

圖3 瀝青混合料疲勞壽命比與加載頻率的關系Fig.3 Relationship of RL and loading frequency

瀝青混合料勁度模量、疲勞壽命比與加載頻率的關系見圖2，3.由圖2，3可見，隨著加載頻率的增加，瀝青混合料的勁度模量增大；基質瀝青AC13的疲勞壽命降低不明顯，而改性瀝青AC13的疲勞壽命降低顯著.自愈合貫穿整個加載過程，不同瀝青混合料的即時自愈合效果不同.SBS－AC13具有較好的即時自愈合效果，TB－AC13 次之，而基質瀝青AC13的即時自愈合效果最弱.這與材料特性有關，因為SBS改性瀝青在加載過程中產(chǎn)生了更多的耗散能，從而促進了瀝青材料的自愈合.

3 后期自愈合試驗與結果分析

本文將達到疲勞結束條件的試件經(jīng)過各種愈合處理，再次進行疲勞試驗.后期自愈合條件見表3.

表3 后期自愈合條件Table 3 Conditions of after loading self－h(huán)ealing of asphalt mixture

采用疲勞壽命恢復率（即愈合后增加的疲勞壽命／疲勞壽命）和勁度模量恢復率（即愈合后的勁度模量／初始勁度模量）來評價瀝青混合料的愈合效果.

試件經(jīng)自愈合條件處理后，在室溫靜置1d，然后進行疲勞試驗，試驗結果見表4.

3.1 自愈合條件的影響

本文分別考察了A，B，C，D，E，F(xiàn)條件對瀝青混合料自愈合的影響.從條件A 到條件F，瀝青混合料自愈合時間不斷延長，放置溫度不斷升高，荷載不斷增大.自愈合條件對SBS改性瀝青與AR 瀝青混合料疲勞恢復的影響見圖4.由圖4 可見，當溫度從15℃升高到70℃時（A～D），瀝青混合料的整體愈合效果相當或稍有增加，70℃1d的疲勞壽命愈合效果即可達到50%左右，而常溫需要數(shù)月（AR 混合料）甚至數(shù)年（SBS改性瀝青混合料），表明高溫短時間的愈合效果要優(yōu)于低溫長時間的愈合效果.在常溫條件下，隨著A，B，C 的自愈合時間增加，SBS改性瀝青和AR 混合料的愈合效果均有所增加，且SBS改性瀝青混合料的勁度模量前期恢復率較大（4個月恢復率已超過50%），疲勞壽命恢復率持續(xù)增大，7個月增加達14.0%，而AR 混合料的疲勞壽命恢復率只增加5%；經(jīng)過高溫1，2d 的自愈合后，SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命恢復率增加15%，而AR 混合料的疲勞壽命恢復率僅增加6.3%.在70℃時，從無荷載到有荷載（D，E），瀝青混合料的勁度模量恢復率增大8%左右，而疲勞壽命相差不大甚至略有下降.綜合比較A～F 的愈合條件，2種瀝青混合料的勁度模量與疲勞壽命均有較大恢復，且勁度模量恢復率大于疲勞壽命恢復率；AR 混合料愈合情況優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，且AR 混合料的疲勞壽命恢復率和勁度模量恢復率均在64.2%～74.6%之間，而SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命恢復率和勁度模量恢復率均在29.2%～

74.8%之間.SBS改性瀝青混合料的勁度模量恢復率和疲勞壽命恢復率變異系數(shù)分別為12.7%，24.8%，AR 混合料分別為5.7%，13.9%，說明AR混合料受自愈合條件的影響較小.變異系數(shù)的差異也反映出瀝青混合料的疲勞壽命離散性較大，勁度模量離散性較小.

表4 不同后期自愈合條件下瀝青混合料的自愈合結果Table 4 Test results of after load self－h(huán)ealing of asphalt mixture

圖4 自愈合條件對SBS改性瀝青與AR混合料疲勞恢復的影響Fig.4 Influence of healing conditions on recovery of SBS and AR asphalt mixture

3.2 瀝青用量的影響

瀝青用量對SBS 改性瀝青和AR 混合料自愈合率的影響見圖5.

圖5 瀝青用量對SBS改性瀝青和AR混合料自愈合率的影響Fig.5 Influence of asphalt content on recovery of SBS and AR asphalt mixture

由圖5可見，隨瀝青用量的增加，2種瀝青混合料的自愈合效果趨好，疲勞壽命和勁度模量的恢復率增加，且勁度模量恢復率均高于疲勞壽命恢復率.AR 混合料的恢復程度優(yōu)于SBS改性瀝青混合料，但其勁度模量恢復率對瀝青用量較為敏感，瀝青用量增加1%，勁度模量恢復率增加1.5%，與之相應，SBS改性瀝青混合料的恢復率僅為0.7%.SBS 改性瀝青混合料疲勞壽命恢復率隨瀝青用量增加有大幅增加，瀝青用量增加1%，其疲勞壽命恢復率增加4.0%，而AR 混合料疲勞壽命恢復率隨瀝青用量增加略有下降，這可能與9%瀝青用量下的自愈合條件苛刻有關.

3.3 損傷程度的影響

將SBS－AC13，TB－AC13疲勞試驗后（對應疲勞壽命Nf50－0，模量Stiffness－0）的試件，先在50℃恒溫烘箱中靜置4h，然后在室溫下靜置1d，再進行第1次愈合后的疲勞試驗（對應疲勞壽命Nf50－1，模量Stiffness－1，模量恢復率Recovery－1，下同），經(jīng)過同樣處理，進行第2次愈合后的疲勞試驗，并以勁度模量比0.50為結束條件.因無法得到全部試驗的Nf50和NfNM，采用較為穩(wěn)定的初始勁度模量恢復率作為疲勞自愈合程度的評價標準，結果如表5所示.

表5 不同損傷程度的瀝青混合料自愈合結果Table 5 Test results of after load self－h(huán)ealing of asphalt mixture under different damage ratio

試驗發(fā)現(xiàn)，以勁度模量比0.05結束疲勞試驗的試件有明顯裂紋，且SBS－AC13比TB－AC13更為明顯，依據(jù)ROWE 等［14］的疲勞4階段（調整、微裂縫產(chǎn)生、裂縫生成與發(fā)展、破壞）劃分，該試件已經(jīng)進入了裂縫生成與發(fā)展階段；而采用勁度模量比0.20或0.50結束的試件尚處于平穩(wěn)階段，以勁度模量比0.80結束試驗的試件尚在內(nèi)部加熱調整階段.瀝青混合料的損傷程度對勁度模量的影響顯著，深度損傷（如以勁度模量比0.05為結束條件）的試件，其勁度模量恢復率僅為20%左右，而輕微損傷的試件，其勁度模量恢復率可達95%.在整體愈合率方面，SBS，TB改性瀝青混合料第1次愈合后的疲勞自愈恢復率－1相當，但第2 次愈合后的疲勞自愈恢復率－2相差較大，且TB 改性瀝青混合料的疲勞自愈恢復率－2大于SBS改性瀝青混合料的疲勞自愈恢復率－2，表明TB 改性瀝青混合料對多次疲勞加載的恢復能力大于SBS 改性瀝青混合料，這可能與TB改性瀝青特殊的膠粉大分子構成有關.

4 結論

（1）小梁試驗驗證了瀝青混合料的自愈性能，自愈合分為即時自愈合和后期自愈合.

（2）加載頻率增加，瀝青混合料勁度模量增加，疲勞壽命和疲勞壽命比降低.采用疲勞壽命比評價瀝青混合料即時自愈合能力因瀝青類型不同而異，本研究中SBS改性瀝青混合料＞TB改性瀝青混合料＞基質瀝青混合料.

（3）AR 混合料疲勞壽命受自愈合條件的影響較小，而對SBS改性瀝青混合料的影響則較大.瀝青混合料的勁度模量恢復率高于疲勞壽命恢復率，且疲勞壽命恢復率的離散性較大，勁度模量恢復率的離散性較小.

（4）溫度、時間、荷載、瀝青用量對瀝青混合料后期自愈合具有正面作用，而損傷程度具有負面作用.在高溫條件下，荷載對自愈合的影響較??；瀝青用量增加1%，SBS改性瀝青混合料的疲勞壽命恢復率增加4%，而AR 混合料的疲勞壽命恢復率幾乎無變化；輕微損傷（勁度模量比0.80）的多次愈合恢復率大于90%，而深度損傷（勁度模量比0.05）的多次愈合恢復率小于20%.

［1］BAZIN P，SAUNIER J.Deformability，fatigue and healing properties of asphalt mixes［C］∥The Third International Conference on the Structural Design of Asphalt Pavements.London：［s.n.］，1972：438－451.

［2］DANIEL J S，KIM Y R.Laboratory evaluation of fatigue damage and healing of asphalt mixtures［J］.Journal of Materials in Civil Engineering，2001，13（6）：434－40.

［3］GARCíA á.Self－h(huán)ealing of open cracks in asphalt mastic［J］.Fuel，2012，93：264－272.

［4］KIM B，ROQUE R.Evaluation of healing property of asphalt mixtures［J］.Transportation Research Record：Journal of the Transportation Research Board，2006，1970（1）：84－91.

［5］KIM Y R，WHITMOYER S，LITTLE D.Healing in asphalt concrete pavements：Is it real？［J］.Transportation Research Record，1994（1454）：89－96.

［6］CARPENTER S H，SHEN S.Dissipated energy approach to study hot－mix asphalt healing in fatigue［J］.Transportation Research Record：Journal of the Transportation Research Board，2006，1970（1）：178－185.

［7］CASTRO M，SáNCHEZ J A.Fatigue and healing of asphalt mixtures：Discriminate analysis of fatigue curves［J］.Journal of Transportation Engineering，2006，132（2）：168－174.

［8］ZHANG Z.Identification of suitable crack growth law for asphalt mixtures using the superpave indirect tensile test（IDT）［D］.Gainesville：University of Florida，2000.

［9］單麗巖.基于粘彈特性的瀝青疲勞－流變機理研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2010.SHAN Liyan.Fatigue ＆rheology mechanism of asphalt binder based on viscoelastic characteristic［D］.Harbin：Harbin Institute of Technology，2010.（in Chinese）

［10］姜睆.瀝青膠漿自愈合能力研究［D］.武漢：武漢理工大學，2011.JIANG Huan.Research on the self－h(huán)ealing capacity of bitumen mastics［D］.Wuhan：Wuhan University of Technology，2011.（in Chinese）

［11］AASHTO T321—2003 Standard method of test for determining the fatigue life of compacted hot－mix asphalt（HMA）subjected to repeated flexural bending［S］.

［12］ASTM D7460－10 Standard test method for determining fatigue failure of compacted asphalt concrete subjected to repeated flexural bending［S］.

［13］黃明.考慮多因素的瀝青混合料疲勞性能評價與對比［D］.上海：同濟大學，2013.HUANG Ming.Evaluation and comparison of fatigue performance of asphalt mixture considering multiple factors［D］.Shanghai：Tongji University，2013.（in Chinese）

［14］ROWE G M，BOULDIN M G.Improved techniques to evaluate the fatigue resistance of asphaltic mixtures［C］∥Proceedings of the 2nd Eurasphalt ＆Eurobitume Congress.Barcelona：［s.n.］，2000：754－763.