基于簡化能量耗散率的巖瀝青改性瀝青疲勞性能

王 明，林發(fā)金，劉黎萍

（1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.福建省泉州市公路局，福建 泉州 362000）

與SBS等聚合物改性劑相比，天然布敦巖瀝青（BRA）與基質(zhì)瀝青相容性好，性能更加穩(wěn)定，而且成本較低，是一種很好的天然改性劑.BRA可增加瀝青和集料之間的黏附力，再加上其獨(dú)有的抗老化能力強(qiáng)、耐候性好等特點(diǎn)，常被稱為瀝青“活性劑”［1－2］.但是，BRA中灰分等顆粒含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）高達(dá)75%左右，且瀝青組分與灰分等顆粒相互包裹，是一種微觀相態(tài)極其復(fù)雜的多孔結(jié)構(gòu)［2］.

目前，有關(guān)BRA 改善瀝青混合料高低溫及疲勞性能的研究較多，普遍認(rèn)為BRA 可以很好改善瀝青混合料的高溫、疲勞性能，降低其低溫性能.杜少文［3］的研究表明，BRA 不僅可以改善瀝青混合料的疲勞性能，其性能甚至優(yōu)于SBS改性瀝青.但是，對(duì)于BRA 中瀝青組分對(duì)基質(zhì)瀝青疲勞性能影響的研究還未見報(bào)道.本文的主要目的是評(píng)價(jià)BRA 中瀝青組分的天然特性及其對(duì)基質(zhì)瀝青疲勞性能的影響，確定巖瀝青在瀝青混合料中的最佳摻量，以期為研究SBS復(fù)合改性瀝青技術(shù)，推廣巖瀝青路面應(yīng)用提供理論基礎(chǔ).

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

基質(zhì)瀝青選用殼牌70＃道路石油瀝青，其技術(shù)指標(biāo)滿足相關(guān)規(guī)范要求；改性劑選用BRA，黑色顆粒，其性能指標(biāo)見表1.

表1 BRA的性能指標(biāo)Table 1 Performance indexes of BRA

1.2 純巖瀝青組分的抽提

采用瀝青旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)器分離三氯乙烯和BRA 中瀝青組分的混合液，得到較為純凈的巖瀝青組分，其25℃針入度為13（0.1mm），軟化點(diǎn)為83℃.

1.3 純巖瀝青摻量的確定

依據(jù)文獻(xiàn)［4］推薦的天然巖瀝青改性劑添加量，通過外摻質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，15%，20%的純巖瀝青（編號(hào)為A－10，B－15，C－20）進(jìn)行瀝青改性.

1.4 疲勞試驗(yàn)方法

試樣經(jīng)過RTFOT 老化，直徑為8mm，厚度為2mm.利用美國TA 公司生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)剪切流變儀，通過“時(shí)間－掃描”試驗(yàn)，循環(huán)施加動(dòng)態(tài)剪切作用力，直至試件疲勞破壞.試驗(yàn)條件：溫度20 ℃，頻率10Hz；應(yīng)力水平為0.35，0.40，0.45，0.50 MPa；應(yīng)變水平為2.0%，2.5%，3.0%，3.5%.

2 疲勞性能評(píng)價(jià)指標(biāo)分析

關(guān)于瀝青膠結(jié)料疲勞性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，最常用的是G＊50（試樣復(fù)數(shù)剪切模量衰減至初始值50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載作用次數(shù)）及SHRP 規(guī)范中的G＊sinδ（此數(shù)值越小，疲勞壽命越好），其次是DER，ER，RDR，δ 等［5－8］，其中RDR（簡化能量耗散率，即復(fù)數(shù)剪切模量和加載次數(shù)的乘積）與瀝青混合料疲勞性能有很大的相關(guān)性.本文采用G＊50和RDR 對(duì)巖瀝青改性瀝青的疲勞壽命N 進(jìn)行評(píng)價(jià).

2.1 應(yīng)力控制模式試驗(yàn)結(jié)果

在應(yīng)力（0.4MPa）控制模式下，G＊與荷載作用次數(shù)的關(guān)系如圖1所示，RDR 與荷載作用次數(shù)的關(guān)系如圖2所示，采用G＊50和RDR 作為評(píng)價(jià)指標(biāo)得到的試樣疲勞壽命（N）如表2所示.

圖1 G＊與荷載作用次數(shù)的關(guān)系Fig.1 Relation between complex shear modulus and number of load

由圖1，2可見，在應(yīng)力控制模式下，無論采用哪種評(píng)價(jià)指標(biāo)，試樣的疲勞壽命大小順序均為：C－20＞B－15＞A－10＞基質(zhì)瀝青，即不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)得到的試驗(yàn)結(jié)果一致.同時(shí)，由表2可見，采用G＊50作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，純巖瀝青摻量為10%的改性瀝青疲勞壽命由基質(zhì)瀝青的13 598次提高到52 188次，提高近3.8倍；純巖瀝青摻量為20%的改性瀝青，疲勞壽命提高了9.5倍；采用RDR 作為評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，純巖瀝青摻量為10%的改性瀝青疲勞壽命由基質(zhì)瀝青的11 998次提高到40 028次，提高近3.4倍；純巖瀝青摻量為20%的改性瀝青，疲勞壽命提高了8.5倍.

圖2 RDR 與荷載作用次數(shù)的關(guān)系Fig.2 Relation between reduced dissipated energy ratio and number of load

表2 應(yīng)力控制模式下試樣的疲勞壽命Table 2 Asphalt fatigue life in stress control mode times

上述結(jié)果表明，在應(yīng)力控制模式下，巖瀝青的摻入提高了改性瀝青的復(fù)數(shù)剪切模量，使其疲勞性能明顯改善，并且隨著純巖瀝青摻量的增加，疲勞壽命逐漸提高.

2.2 應(yīng)變控制模式試驗(yàn)結(jié)果

在應(yīng)變（2%）控制模式下，G＊與荷載作用次數(shù)的關(guān)系如圖3所示，RDR 與荷載作用次數(shù)的關(guān)系如圖4所示，采用G＊50和RDR 作為評(píng)價(jià)指標(biāo)得到的疲勞壽命如表3所示.

圖3 G＊與荷載作用次數(shù)的關(guān)系Fig.3 Relation between complex shear modulus and number of load

圖4 RDR 與荷載作用次數(shù)的關(guān)系Fig.4 Relation between reduced dissipated energy ratio and number of load

表3 應(yīng)變控制模式下試樣的疲勞壽命Table 3 Asphalt fatigue life in strain control mode times

由圖3，4 可見，在應(yīng)變控制模式下，無論是用G＊50作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，還是用RDR 作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，隨著純巖瀝青摻量的增加，改性瀝青的疲勞壽命先增大后減小，疲勞壽命的大小順序均為：B－15＞A－10＞基質(zhì)瀝青＞C－20.這說明，在應(yīng)變控制模式下，純巖瀝青摻量存在最佳值.由表3可見，純巖瀝青摻量為10%，15%時(shí)，改性瀝青的疲勞壽命提高近1.4倍.但是，純巖瀝青摻量為20%的改性瀝青其疲勞壽命卻遠(yuǎn)低于基質(zhì)瀝青.因此，在應(yīng)變控制模式下，純巖瀝青摻量不宜大于15%.

由以上分析可知，巖瀝青改性瀝青的疲勞壽命依賴于加載模式，相同純巖瀝青摻量的改性瀝青，在不同的加載模式下，其疲勞壽命改善程度的量化不同，甚至?xí)玫较喾吹脑囼?yàn)結(jié)果.但是，在相同的加載模式下，采用G＊50和RDR 來比較不同純巖瀝青摻量改性瀝青的疲勞壽命時(shí)，其結(jié)果一致.相對(duì)而言，RDR 評(píng)價(jià)指標(biāo)由于反彎點(diǎn)的存在，疲勞壽命容易求得.因此，本文為簡化試驗(yàn)結(jié)果的計(jì)算分析，選擇RDR 來評(píng)價(jià)疲勞壽命.

3 不同應(yīng)力、應(yīng)變水平的疲勞性能研究

3.1 不同應(yīng)力水平的疲勞性能

不同應(yīng)力水平的疲勞壽命方程擬合曲線如圖5所示，疲勞壽命方程擬合參數(shù)如表4所示.

由圖5可見，在不同應(yīng)力水平對(duì)數(shù)坐標(biāo)系下，疲勞壽命和應(yīng)力水平近似線性關(guān)系，R2大于0.900 0.同時(shí)，由表5可見，隨著純巖瀝青摻量的增加，k 值和b 值逐漸增大，前者說明疲勞耐久性越來越好，后者說明對(duì)應(yīng)力水平的變化較為敏感.當(dāng)純巖瀝青摻量為10%和15%時(shí)，b 值相差不大，并且均小于基質(zhì)瀝青的b值，而當(dāng)純巖瀝青摻量為20%時(shí)，b值顯著增大.這說明，過大的純巖瀝青摻量會(huì)提高改性瀝青對(duì)應(yīng)力水平的敏感程度.因此，在工程實(shí)際應(yīng)用中，純巖瀝青摻量應(yīng)控制在15%以內(nèi).

圖5 疲勞壽命方程擬合曲線Fig.5 Fitting curve of fatigue equation

表4 疲勞壽命方程擬合參數(shù)Table 4 Fitting results of fatigue equation parameters

3.2 不同應(yīng)變水平的疲勞性能

不同應(yīng)變水平的疲勞壽命方程擬合曲線如圖6所示.

圖6 疲勞壽命方程擬合曲線Fig.6 Fitting curve of fatigue equation

由圖6可見，疲勞壽命和應(yīng)變水平的線性關(guān)系不明顯，而且，從圖中各直線斜率來看，巖瀝青改性瀝青的直線斜率均大于基質(zhì)瀝青，表明在應(yīng)變控制模式下，巖瀝青降低了基質(zhì)瀝青的抗變形能力，提高了基質(zhì)瀝青對(duì)應(yīng)變水平的敏感程度.純巖瀝青摻量為20%的改性瀝青，其直線斜率顯著增大，表明巖瀝青的摻入明顯提高了基質(zhì)瀝青對(duì)應(yīng)變水平的敏感程度，即過大的純巖瀝青摻量可降低基質(zhì)瀝青的疲勞壽命.

4 結(jié)論

（1）可采用“時(shí)間－掃描”試驗(yàn)來評(píng)價(jià)巖瀝青改性瀝青的疲勞性能，為了避免灰分等顆粒導(dǎo)致的“假性疲勞”現(xiàn)象的產(chǎn)生，要求改性劑必須是經(jīng)過抽提的純巖瀝青組分.

（2）無論是應(yīng)力控制模式還是應(yīng)變控制模式，RDR 均能方便確定巖瀝青改性瀝青的疲勞壽命，并且評(píng)價(jià)結(jié)果與G＊50 的評(píng)價(jià)結(jié)果一致，因此，RDR適合于評(píng)價(jià)巖瀝青改性瀝青的疲勞性能.

（3）在應(yīng)力控制模式下，純巖瀝青摻量的增加可明顯改善瀝青膠結(jié)料的疲勞性能，但是，當(dāng)純巖瀝青摻量大于15%時(shí)，會(huì)提高改性瀝青對(duì)應(yīng)力水平的敏感程度；在應(yīng)變控制模式下，當(dāng)純巖瀝青摻量小于15%時(shí)，可以改善瀝青膠結(jié)料的疲勞性能，然而，當(dāng)純巖瀝青摻量大于15%時(shí)，改性瀝青的疲勞性能開始變差；當(dāng)純巖瀝青摻量為20%時(shí)，改性瀝青的疲勞壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于基質(zhì)瀝青.

［1］曲恒輝.國產(chǎn)天然巖瀝青微觀結(jié)構(gòu)分析及性能研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2012.QU Henghui.Thesis study on microscopic structure analysis and performance of domestic－natural shale asphalt［D］.Jinan：Shandong University，2012.（in Chinese）

［2］李瑞霞，郝培文，王春，等.布敦巖瀝青改性機(jī)理［J］.公路交通科技，2011，28（12）：16－20.LI Ruixia，HAO peiwen，WANG Chun，et al.Modified mechanism of buton rock asphalt［J］.Journal of Highway and Transportation Research and Development，2011，28（12）：16－20.（in Chinese）

［3］杜少文.巖瀝青SBS復(fù)合改性瀝青混合料的性能與機(jī)理［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2012，15（6）：871－874.DU Shaowen.Performance and mechanism of BRA－SBS polymer composite modified asphalt mixture［J］.Journal of Building Materials，2012，15（6）：871－874.（in Chinese）

［4］曹東偉，劉清泉，路軍.巖瀝青路面工程應(yīng)用技術(shù)指南［R］.北京：交通部公路科學(xué)研究院，2008.CAO Dongwei，LIU Qingquan，LU Jun.Technical guide for natural rock asphalt application in pavement engineering［R］.Beijing：Research Institute of Highway Ministry，2008.（in Chinese）

［5］胡金龍，孫大權(quán)，曹林輝.瀝青疲勞性能分析方法與評(píng)價(jià)指標(biāo)［J］.石油瀝青，2013，27（5）：56－62.HU Jinlong，SUN Daquan，CAO Linhui.Analysis methods and evaluation indexes for fatigue property of asphalt［J］.Petroleum Asphalt，2013，27（5）：56－62.（in Chinese）

［6］白琦峰，錢振東，趙延慶.基于流變學(xué)的瀝青抗疲勞性能評(píng)價(jià)方法［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，38（10）：1536－1542.BAI Qifeng，QIAN Zhendong，ZHAO Yanqing.Asphalt fatigue resistance evaluation method based on the rheology［J］.Journal of Beijing University of Technology，2012，38（10）：1536－1542.（in Chinese）

［7］孟勇軍，張肖寧.基于累計(jì)耗散能量比的改性瀝青疲勞性能［J］.華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，40（02）99－103.MENG Yongjun，ZHANG Xiaoning.Fatigue performances of modified asphalts based on cumulative dissipated energy ratio［J］.Journal of South China University of Technology：Natural Science，2012，40（2）：99－103.（in Chinese）

［8］ROWE G M，BOELDIN M G.Improved techniques to evaluate the fatigue resistance of asphaltic mixture［C］∥2nd Euro Asphalt and Euro Bitumen Congress.Barcelona：Norwegian Asphalt Contractors Association，2000：136－139.