瀝青混合料疲勞自愈性能關(guān)鍵影響因素

楊　軍　王昊鵬　廖　輝

(東南大學交通學院，南京　210096)

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瀝青混合料疲勞自愈性能關(guān)鍵影響因素

楊軍王昊鵬廖輝

(東南大學交通學院，南京210096)

摘要:為了研究不同瀝青混合料疲勞自愈性能影響因素的顯著水平，進行了有休息期和無休息期的瀝青混合料室內(nèi)四點彎曲疲勞試驗．通過定義愈合指數(shù)，對不同因素條件下的瀝青混合料疲勞試驗結(jié)果進行灰關(guān)聯(lián)分析，分別研究了瀝青種類、瀝青含量、空隙率、溫度、休息期、損傷程度對瀝青混合料疲勞自愈性能的影響程度．結(jié)果表明，基于愈合指數(shù)可得到即時的瀝青混合料自愈合率，而無需等待疲勞試驗結(jié)束．瀝青種類對瀝青混合料自愈合能力的影響最顯著;休息期和損傷程度與瀝青混合料的自愈合能力關(guān)聯(lián)顯著，其影響僅次于瀝青種類;空隙率、溫度、瀝青用量則影響不顯著．在工程實踐中，可通過合理選擇瀝青種類、控制交通流量等方式提高瀝青路面自愈合性能．

關(guān)鍵詞:道路工程;疲勞自愈;灰關(guān)聯(lián)分析;瀝青混合料;四點彎曲疲勞試驗

引用本文:楊軍，王昊鵬，廖輝．瀝青混合料疲勞自愈性能關(guān)鍵影響因素［J］．東南大學學報(自然科學版)，2016，46(1) : 196－201．DOI: 10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．032．

疲勞開裂是指在重復交通荷載作用下瀝青混合料疲勞損傷不斷累積而造成的裂縫產(chǎn)生、發(fā)展、匯集直至形成宏觀裂縫的過程．疲勞開裂是瀝青路面尤其是柔性基層瀝青路面的主要破壞模式之一［1］．道路工程師采用了多種方法進行路面裂縫的修復和養(yǎng)護，但均在不同程度上遭遇了交通安全、擁堵和資金等問題．因此，研究新的瀝青混凝土路面修復方法和養(yǎng)護策略迫在眉睫［2］．瀝青路面具有自愈能力，已經(jīng)成為國內(nèi)外學者的廣泛共識，并且已通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場工程實踐證實［3］．Butt等［4］調(diào)查表明，路面設(shè)計中并沒有考慮瀝青的自愈潛能及其對養(yǎng)護計劃和能源消耗的影響．

在行車荷載和環(huán)境變化的反復作用下，瀝青膠結(jié)料或混合料產(chǎn)生的裂縫可以部分或全部愈合．建于1939年的阿爾及利亞瀝青混凝土漏水斜墻壩在未加修理的情況下自我修復并停止漏水，這一現(xiàn)象引起了人們對瀝青混合料自愈性能的關(guān)注［5］．1967年，Bazin等［6］率先進行了有關(guān)瀝青混合料自愈特性的研究．隨后，國內(nèi)外學者就瀝青和瀝青混合料自愈合進行了大量試驗研究，研究主要集中于瀝青及瀝青混合料自愈機理、自愈表征和增強技術(shù)3個方面［2－7］．瀝青混合料的疲勞自愈性能影響因素主要包括瀝青混合料內(nèi)部條件和外部環(huán)境．內(nèi)部條件包括瀝青混合料的材料性狀(集料、填料、瀝青、級配等)和受損程度;外部環(huán)境包括荷載、溫度、濕度和時間(恢復期或休息期長短)等［8－13］．

偏于保守的工程設(shè)計導致混合料出現(xiàn)空隙率過低、泛油嚴重、資源浪費等問題，有必要對瀝青混合料自愈合能力進行系統(tǒng)研究，分析不同因素對瀝青混合料疲勞自愈特性的影響程度．國內(nèi)外報道大多是關(guān)于單個因素對瀝青混合料疲勞自愈性能的影響分析．本文通過灰關(guān)聯(lián)分析，研究不同影響因素的顯著水平，并探討各因素的影響機理，從而為瀝青混合料的設(shè)計與施工提供指導．

1　試驗

在UTM－25液壓伺服材料試驗機上分別進行有休息期和無休息期的四點彎曲疲勞試驗，運用灰關(guān)聯(lián)分析方法對不同影響因素(瀝青種類、瀝青含量、空隙率、溫度、休息期、損傷程度)下的瀝青混合料疲勞試驗結(jié)果進行分析，評價各因素對瀝青混合料疲勞自愈特性的影響程度．

1．1原材料

所用瀝青為70#基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青，集料為玄武巖，填料為石灰?guī)r礦粉．瀝青混合料級配類型采用Superpave瀝青混合料Sup－13，設(shè)計級配見表1．通過Superpave體積設(shè)計法確定設(shè)計級配，瀝青含量為4．7%，空隙率為7．0%．按照《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規(guī)程》［14］規(guī)定的方法測定70#基質(zhì)瀝青、SBS改性瀝青、玄武巖集料和石灰?guī)r礦粉的相關(guān)技術(shù)指標，結(jié)果見表2～表4．

表1　瀝青混合料級配

表2　瀝青主要技術(shù)指標

表3　玄武巖集料技術(shù)指標　%

表4　礦料相對密度　g /cm3

1．2試驗方案

1．2．1影響因素

綜合已有研究［3，8－9］，選擇瀝青種類、瀝青含量、空隙率、溫度、休息期和損傷程度6種影響因素加以分析．其中，瀝青種類選取為基質(zhì)瀝青和SBS改性瀝青;瀝青含量為4．2%和5．2%;空隙率為4．5%和9．5%;溫度為4，20，40℃;休息期為1，5，10 s;損傷程度通過實測得到．研究表明，瀝青混合料的疲勞性能與其硬度密切相關(guān)［1］．由于瀝青種類是類別變量，無法進行數(shù)值計算，故將其轉(zhuǎn)化為軟化點(數(shù)值變量)來計算．基質(zhì)瀝青與SBS改性瀝青的軟化點分別為49和76℃．

1．2．2試驗參數(shù)

在實際的路面交通條件下，路面承受的荷載并非是連續(xù)的，導致荷載間斷的主要因素包括行車速度、輪軸組合、車輛之間間隔等．大多室內(nèi)瀝青混合料疲勞研究均采用連續(xù)不間斷的動態(tài)循環(huán)加載模式，這并不符合實際的路面交通荷載狀況．目前，國內(nèi)外關(guān)于瀝青及混合料的疲勞自愈行為研究主要是在疲勞測試中引入休息期，通過比較有休息期和無休息期的瀝青及混合料疲勞行為，來分析其自愈合能力．休息期的引入方式主要分為以下2種:①存在休息間隔．在傳統(tǒng)的連續(xù)循環(huán)加載疲勞試驗后引入休息期，且休息期較長，待試件達到休息時間后再進行連續(xù)循環(huán)加載(見圖1(a) )．②間斷加載．在每個加載周期內(nèi)引入休息期，休息期較短(見圖1(b) )．

圖1　疲勞測試加載波形

研究發(fā)現(xiàn)，采用間斷加載的方式更符合路面實際交通情況．當加載波形不同時，同一混合料疲勞自愈表現(xiàn)不同，不同混合料的疲勞自愈能力排序也不同［15］，采用正弦波形更有利于發(fā)揮混合料的自愈特性．因此，本文采用間斷加載的正弦波形(見圖1(b) )．路面行車不可能形成完全連續(xù)的正弦周期加載方式，在前一輛車離開路面某一斷面后，后續(xù)車輛需等待一段時間才會行駛至該斷面．根據(jù)《公路路線設(shè)計規(guī)范》［16］中停車視距的概念，正弦周期加載的間歇時間可以按照汽車以一定速度行駛最小安全距離所需時間計算得到．以平原微丘區(qū)高速公路為例，若實際行車速度為60 km /h，停車視距為75 m，則加載周期為0．012 s，間歇時間為4．5 s．因此，本試驗設(shè)計中選取典型休息期為5 s，并研究休息期變化對瀝青混合料自愈的影響．加載模式為應(yīng)變控制，為獲得穩(wěn)定的試驗數(shù)據(jù)并考慮時間因素，將試件疲勞壽命控制在103～105次，應(yīng)變?nèi)?×10－4，頻率為10 Hz．

2　愈合指數(shù)

為了定量評價瀝青混合料的自愈能力和各種因素對瀝青混合料自愈性的影響，首先需要確定合理的自愈合能力評價指標．有休息期和無休息期的四點彎曲疲勞試驗曲線(即勁度比隨循環(huán)加載次數(shù)變化的關(guān)系曲線)見圖2．圖中，SWRP，SW/ORP分別為有休息期和無休息期的勁度比(即時勁度與初始勁度的比值) ; NfW/ORP為無休息期時的加載次數(shù); ΔNf為達到相同勁度比時有休息期試件較無休息期試件增加的加載次數(shù)．為了消除試件不同造成的重復性誤差，采用勁度比代替勁度．由此可定義愈合指數(shù)H為［15］

圖2　勁度比與循環(huán)加載次數(shù)的關(guān)系曲線

當H =1時，SWRP= 1，表示瀝青混合料完全愈合，在有休息期的情況下，瀝青混合料的勁度模量不衰減．當SW/ORP=0．50時，瀝青混合料的勁度模量下降到初始勁度模量的50%，達到傳統(tǒng)的瀝青混合料疲勞破壞法則，對應(yīng)的疲勞壽命為Nf50，并將此時的損傷程度定為100%．則損傷程度D可定義為

通過查找NfW/ORP對應(yīng)的SWRP和SW/ORP，即可得到損傷程度D下瀝青混合料的愈合指數(shù)H．例如，在無休息期的情況下，當瀝青混合料試件的勁度模量下降到初始勁度模量的50%時，Nf50= 1×104;而對于有休息期的瀝青混合料試件，當NfW/ORP= 7 000時，SWRP=0．80，SW/ORP=0．65，則此時損傷程度D = 70%，愈合指數(shù)H = (0．80－0．65) /(1－0．65)≈0．43．通過上述分析可知，根據(jù)所定義的愈合指數(shù)可得到即時的瀝青混合料自愈合率，而無需等待疲勞試驗結(jié)束．

3　灰關(guān)聯(lián)分析

灰關(guān)聯(lián)分析是一種系統(tǒng)分析方法，其分析步驟為:①確定數(shù)據(jù)列，進行初值化處理并計算求差序列;②計算各影響因素的灰關(guān)聯(lián)系數(shù);③計算灰關(guān)聯(lián)度并分析結(jié)果．表5給出了不同因素影響下10組有休息期的瀝青混合料疲勞試驗的愈合指數(shù)處理結(jié)果．每個試驗序列采用3個平行試件，并將勁度歸一化值代替絕對數(shù)值，以消除由于試件不同造成的重復性試驗誤差．

以愈合指數(shù)H為參考，對6種影響因素進行灰關(guān)聯(lián)分析．首先，對試驗結(jié)果進行初值化處理;其次，計算各因素的求差序列;最后，按最少信息原理取分辨系數(shù)ρ=0．5，計算各因素的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)，結(jié)果見表6．根據(jù)表中結(jié)果，可得到各影響因素的灰關(guān)聯(lián)度(見圖3)．各影響因素對瀝青混合料愈合指數(shù)H的影響由大至小依次為:瀝青種類、休息期、損傷程度、空隙率、溫度、瀝青含量．根據(jù)灰色系統(tǒng)理論，當分辨系數(shù)ρ=0．5時，若灰關(guān)聯(lián)度大于0．6，表明關(guān)聯(lián)顯著．因此，瀝青種類對瀝青混合料自愈合能力的影響最顯著;休息期和損傷程度與瀝青混合料的自愈合能力關(guān)聯(lián)顯著，僅次于瀝青種類;空隙率、溫度、瀝青用量影響不顯著．就瀝青混合料內(nèi)部因素而言，瀝青種類影響最大，損傷程度次之，空隙率和瀝青含量影響不顯著．

表5　瀝青混合料疲勞試驗參數(shù)及愈合指數(shù)

表6　各影響因素的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)

圖3　各影響因素的灰關(guān)聯(lián)度

4　結(jié)果與討論

下面對各影響因素的灰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果進行討論，并分析各因素的影響機理．

4．1瀝青種類

Izadi等［10］采用動態(tài)力學分析儀比較了粗、細級配瀝青砂漿、高瀝青含量與基準瀝青砂漿的自愈能力，發(fā)現(xiàn)自愈率主要由瀝青膠結(jié)料性質(zhì)決定，而不受礦料級配和膠結(jié)料用量以及砂漿體積分布影響;相對于其他特性(如體積特性)在抵抗疲勞開裂方面的作用，瀝青膠結(jié)料的自愈性影響顯著，這也驗證了本文的結(jié)論，即瀝青含量與自愈合能力的關(guān)聯(lián)度較?。肿訑U散理論認為瀝青材料的裂縫自愈包括以下3個步驟［15］:①在表面能作用下，微觀裂紋上下表面接觸并潤濕(潤濕機理) ;②微裂紋界面分子擴散，裂紋界面黏結(jié)(擴散機理) ;③擴散瀝青大分子鏈的隨機化引發(fā)材料力學性能恢復．在這3個步驟中，每一步都與瀝青本身的物理化學性質(zhì)密切相關(guān)．其愈合的原動力來源于裂縫界面分子范德華力和氫鍵形成的吸附作用．因此，瀝青種類是影響瀝青混合料自愈合能力的關(guān)鍵因素之一．

4．2休息期

瀝青混合料的自愈合不僅在休息期發(fā)生，也在材料服役(加載)過程中發(fā)生，但兩者的愈合速率不同．休息期對瀝青混合料疲勞自愈性能的影響較為顯著，僅次于瀝青種類的影響程度．一般情況下，室內(nèi)試驗獲得的瀝青混合料疲勞開裂壽命僅為實際疲勞開裂壽命的一部分，產(chǎn)生如此大差異的原因是由于在實際路面交通條件下，路面承受的荷載并非連續(xù)．而在荷載間歇，瀝青混合料由于具有自愈合能力，降低了瀝青混合料內(nèi)部裂紋產(chǎn)生及發(fā)展的速率，延長了混合料疲勞壽命．

4．3損傷程度

瀝青混凝土存在損傷臨界點，在該臨界點之前為微觀損傷，損傷可愈合;而在該臨界點之后為宏觀損傷，損傷不可愈合．瀝青混合料疲勞損傷可歸結(jié)于重復荷載作用下瀝青混合料內(nèi)部裂紋萌生與擴展，在此過程中伴隨著裂紋區(qū)域的應(yīng)力松弛以及為降低裂紋表面能自發(fā)進行的界面自愈合．損傷程度越低，荷載作用次數(shù)越少，瀝青混合料的疲勞恢復率越高，自愈合能力越強．

4．4空隙率

瀝青混合料的空隙率不同，疲勞性能也存在差異．空隙率越大，瀝青混合料內(nèi)部的空隙與微裂縫越多，在荷載反復作用下越易引發(fā)微裂縫的擴展而破壞，從而使其疲勞性能降低．瀝青混合料的自愈過程包括瀝青與集料之間的黏結(jié)愈合以及瀝青與瀝青的內(nèi)聚愈合．空隙率的大小將影響?zhàn)そY(jié)愈合和內(nèi)聚愈合在總愈合中所占的比例，從而影響其愈合效果;此外，它還影響瀝青膜厚及自由瀝青在所有瀝青中所占的質(zhì)量百分數(shù)，從而影響瀝青的流動，且對其愈合修補裂縫的效果也存在一定影響．

4．5溫度

Wu等［17］將愈合定義為，當2片相同的材料在高于其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度情況下接觸時界面逐漸消失，界面處分子擴散導致的裂縫愈合使得界面處的機械強度增加．該定義特別指出了發(fā)生愈合的一個重要條件——溫度，即必須高于材料的玻璃化溫度．由于瀝青是黏彈性材料，提高溫度將使其軟化而具有流動性．在一定溫度范圍內(nèi)，瀝青還未老化，流動范圍有限，溫度越高，分子活性越大，擴散能力越強，對于填補裂縫以及黏結(jié)集料表面都有一定的促進作用，從而增強瀝青混合料的自愈合效果．但是，當溫度上升到一定階段時，瀝青處于接近牛頓流體的狀態(tài)，發(fā)生愈合，再提高溫度對瀝青混合料的愈合影響較小，甚至產(chǎn)生負面作用．

4．6瀝青含量

通過灰關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)，與其他因素相比，瀝青含量對瀝青混合料的自愈合性能影響并不顯著．瀝青混合料的自愈率取決于裂紋的大小以及裂紋尖端周圍的瀝青含量．裂紋越小，損傷程度較低，愈合率越高．同時，在裂紋尖端，局部剛度較大，提高瀝青含量，可以提高愈合速率．然而，提高瀝青混合料的瀝青含量并不一定能提高集料顆粒間的平均瀝青含量．與單純提高瀝青含量相比，使瀝青膠漿均勻分散于產(chǎn)生裂紋的集料－瀝青界面相，以提高真正參與愈合的有效瀝青含量，對提高瀝青混合料的自愈合率更有現(xiàn)實意義．而有效愈合瀝青含量與混合料級配、空隙率、集料性狀、外部條件(如受損程度和溫度)等多因素相關(guān)．因此，瀝青含量對瀝青混合料自愈性能影響并不顯著．

5　結(jié)論

1)根據(jù)所定義的愈合指數(shù)可得到即時的瀝青混合料自愈合率，而無需等待疲勞試驗結(jié)束．

2)運用灰關(guān)聯(lián)分析方法，分析了瀝青種類、瀝青含量、空隙率、溫度、休息期、損傷程度對瀝青混合料疲勞自愈性能的影響．瀝青種類對瀝青混合料自愈合能力的影響最顯著，休息期和損傷程度與瀝青混合料的自愈合能力關(guān)聯(lián)顯著，其影響僅次于瀝青種類．空隙率、溫度、瀝青含量影響不顯著．

3)在工程實際中，可以從以下4個方面來提高瀝青混合料的自愈合能力:①選擇自愈合能力強的瀝青膠結(jié)料;②通過控制交通量或者分散車道車流來增加休息期;③嚴格控制車輛超載，降低瀝青路面損傷程度;④在氣溫較高的季節(jié)進行路面裂縫的修補及養(yǎng)護．此外，瀝青的自愈能力和瀝青材料自愈合能力增強技術(shù)將是未來自愈合技術(shù)研究的主要方向．

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Key influential factors of fatigue and self-healing properties of asphalt mixture

Yang Jun Wang Haopeng Liao Hui
(School of Transportation，Southeast University，Nanjing 210096，China)

Abstract:In order to investigate the significance level of different factors which influence the fatigue and self-healing properties of asphalt mixture，indoor four-point bending fatigue tests with and without rest periods were conducted．Through defining the healing index，the fatigue results of asphalt mixture with different influential factors were studied by grey relational analysis．The influence degrees of the asphalt type，asphalt content，air voids，temperature，rest period，and damage degree on the fatigue and self-healing properties of asphalt mixture were studied，respectively．The results show that according to the defined healing index，the real-time self-healing rate of asphalt mixture can be obtained without finishing fatigue tests．The influences of the asphalt type on the self-healing capacity of asphalt mixture is the most significant．The rest period and the damage degree have a significant correlation with self-healing capacity of asphalt mixture，and their influences follow that of the asphalt type．The influences of the air voids，temperature and asphalt content are not significant．In engineering projects，the self-healing property of asphalt mixture can be improved by selecting the rational asphalt type and controlling the traffic flow．

Key words:road engineering; fatigue and self-healing; gray relational analysis; asphalt mixture; four-point bending fatigue test

基金項目:高等學校博士學科點專項科研基金資助項目(20120092110053)．

收稿日期:2015-06-14．

作者簡介:楊軍(1968—)，女，博士，教授，博士生導師，yangjun@ seu．edu．cn．

DOI:10．3969/j．issn．1001－0505．2016．01．032

中圖分類號:U414

文獻標志碼:A

文章編號:1001－0505(2016) 01-0196-06